具有“荷叶效应”的硅基仿生表面的制备及其微摩擦性能

　　随着微机电系统( micro electromechanical system，MEMS) 特征尺度的显著减小，其表面积 ( L2) 和体积( L3) 之比明显增大，表面效应大大增强，因而在普通机械问题中被忽略的表面力此时将起主导作用，由此引起的摩擦磨损、表面黏附等问题成为制约 MEMS 发展的瓶颈[1]. 目前 MEMS 功能表面的防黏减摩的方法分为两大类，即使用低表面能涂层涂覆 MEMS 功能表面和构建某一种形态的表面微观结构单元( 线、沟槽、凸起及孔隙等)[2]. 荷叶出污泥而不染，使叶面始终保持干净，这就是著名的“荷叶效应”. 已有研究表明荷叶表面正是粗糙表面和疏水材料的完美结合[1]. “荷叶效应”这种自洁和疏水功能，启发人们模拟荷叶表面的微结构，制备具有防黏减摩功能的仿生表面. 本文在前期理论研究成果的基础上[1]，研究具有“荷叶效应”的硅基仿生表面的制备过程.

　　1 “荷叶结构”的特征尺度和形态

　　用扫描电子显微镜( scanning electron microscope，SEM) 观测了荷叶表面的微观结构，如图 1 所示. 从图1( a) 和图 1 ( b) 可以清晰地看出，荷叶表面存在双微观结构，即微米尺度的微观结构和纳米尺度的微观结构. 图中大的白色块状结构为微米尺度的乳突，其尺度分布较均匀，特征尺度大小和间距约在 10 μm 左右.图 1( c) 是单个乳突的高倍 SEM 图，这就是纳米尺度的蜡质晶体，其形态为纤维状，单根纤维的直径大约为50 ～ 100 nm，其长度约为 0. 5 ～ 1 μm，间距约为 100 ～200 nm.

　　通过上述观测，可以构建如图 2 所示的荷叶表面的双微观结构模型. 由于荷叶双微观结构的存在，大量空气储存在这些微小的凹凸之间，使得水珠只与荷叶表面乳突上面的蜡质晶体毛茸相接触，显著减小了水珠与固体表面的接触面积，扩大了水珠与空气的界面，因此液滴不会自动扩展，而保持其球体状，这就是荷叶表面具有超疏水性的原因所在.

　　本文选择硅是因为硅材料既具有良好的半导体性能，也具有包括强度、硬度、弹性模量、热导率和热膨胀系数在内的良好机械性能，使其成为通过微加工技术制作 MEMS 的首要选择材料.

　　2 具有“荷叶效应”的硅基仿生表面的制备

　　笔者提出两种方法，即纳米结构结合硅烷化处理方法和微结构结合烷基烯酮二聚体( AKD) 处理方法.

　　2. 1 纳米结构结合硅烷化处理

　　首先通过光学光刻或纳米压印光刻[3]在硅片上制作出纳米结构( 见图 3( a) ) . 由于硅片对于水的本征接触角约为 50°，本身并不具有疏水性，为更好地发挥其表面的纳米结构的防黏减摩作用，应进一步进行硅烷化疏水处理. 处理工艺如下: 将甲苯和三甲基氯硅烷按 4∶ 1配置溶液，将硅片浸泡其中约 30 min，取出后在甲苯中清洗 1 ～ 2 min，用氮气吹干.