【引言】

自然界中的分級(jí)結(jié)構(gòu)，如昆蟲(chóng)眼睛、蝴蝶翅膀、壁虎腳和荷葉等，能夠?qū)崿F(xiàn)諸如控制光傳播和表面潤(rùn)濕性的界面功能。目前，通過(guò)熱壓印、電沉積、靜電噴涂和近場(chǎng)光刻等方法已經(jīng)成功制備了多種仿生結(jié)構(gòu)，但是這些方法過(guò)程繁瑣且比較耗時(shí)，還要依賴(lài)特殊的實(shí)驗(yàn)裝置。蜂窩狀薄膜的出現(xiàn)和發(fā)展為快速、簡(jiǎn)便地制備仿生分級(jí)結(jié)構(gòu)開(kāi)辟了新的途徑，然而近年來(lái)研究焦點(diǎn)主要集中在利用呼吸圖案法制備微孔形貌可控的蜂窩狀薄膜，利用這些有序結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)建仿生分級(jí)結(jié)構(gòu)并用于實(shí)際的光學(xué)和功能表面應(yīng)用還鮮有報(bào)道。

【成果簡(jiǎn)介】

近日，東南大學(xué)顧忠澤教授課題組利用呼吸圖案法獲得了一種蜂窩狀薄膜，并將其作為模板實(shí)現(xiàn)了仿生分級(jí)功能結(jié)構(gòu)的制備。研究還發(fā)現(xiàn)，二氧化硅納米粒子能夠在薄膜微孔內(nèi)進(jìn)行限域自組裝得到復(fù)合薄膜，該復(fù)合薄膜具有可控的光學(xué)性質(zhì)。將薄膜模板除去后即可得到二氧化硅納米粒子陣列，該陣列具有疏水表面和可控的潤(rùn)濕性能。該成果以題為"Fabrication of Bioinspired Hierarchical Functional Structures by Using Honeycomb Films as Templates"發(fā)表在材料領(lǐng)域著名期刊Advanced Functional Material上。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1 蜂窩狀薄膜的SEM表征

(A) 在連續(xù)的潮濕氮?dú)饬鳁l件下制備的蜂窩狀薄膜的SEM圖像；

(B) 蜂窩狀薄膜橫截面的SEM圖像。

圖2 復(fù)合蜂窩狀薄膜的光學(xué)性質(zhì)

(A) 填充尺寸為304納米的單分散二氧化硅納米粒子后蜂窩狀薄膜表面的SEM圖像；

(B) 填充尺寸為304納米的單分散二氧化硅納米粒子后蜂窩狀薄膜橫截面的SEM圖像；

(C) 復(fù)合薄膜不同角度下的歸一化反射光譜和對(duì)應(yīng)的照片（插圖）。

圖3 二氧化硅點(diǎn)陣SEM表征

球形二氧化硅粒子點(diǎn)陣以及點(diǎn)陣中單個(gè)粒子的SEM圖像，該二氧化硅粒子點(diǎn)陣可以通過(guò)煅燒的方法除去復(fù)合薄膜上的聚合物支架材料來(lái)方便地獲得。

圖4 二氧化硅點(diǎn)陣的潤(rùn)濕行為

具有不同幾何形狀的二氧化硅粒子點(diǎn)陣上水滴的潤(rùn)濕行為，可以發(fā)現(xiàn)該點(diǎn)陣是疏水性的，而且隨著二氧化硅粒子的球形度增大疏水性也在增加。

圖5 仿生柔性薄膜的SEM表征

(A) 仿生柔性薄膜的數(shù)碼照片；

(B) 仿生柔性薄膜的SEM圖片；

(C) 仿生柔性薄膜上單個(gè)粒子的SEM圖片；

(D) 仿生柔性薄膜上單個(gè)粒子表面納米結(jié)構(gòu)的SEM圖片。

圖6 拉伸后蜂窩狀薄膜以及相應(yīng)二氧化硅粒子陣列的SEM表征

(A) 控制伸長(zhǎng)率在1.25時(shí)獲得的拉伸蜂窩狀薄膜的SEM圖片；

(B) 控制伸長(zhǎng)率在2時(shí)獲得的拉伸蜂窩狀薄膜的SEM圖片；

(C) 控制伸長(zhǎng)率在3時(shí)獲得的拉伸蜂窩狀薄膜的SEM圖片；

(D) 控制伸長(zhǎng)率在4時(shí)獲得的拉伸蜂窩狀薄膜的SEM圖片；

(E) 利用伸長(zhǎng)率為1.25的拉伸蜂窩狀薄膜作為模板獲得二氧化硅粒子陣列的SEM圖片；

(F) 利用伸長(zhǎng)率為2的拉伸蜂窩狀薄膜作為模板獲得二氧化硅粒子陣列的SEM圖片;

(G) 利用伸長(zhǎng)率為3的拉伸蜂窩狀薄膜作為模板獲得二氧化硅粒子陣列的SEM圖片；

(H) 利用伸長(zhǎng)率為4的拉伸蜂窩狀薄膜作為模板獲得二氧化硅粒子陣列的SEM圖片。

圖7 紡錘形二氧化硅粒子陣列的各向異性潤(rùn)濕性能

(A) 紡錘形二氧化硅粒子陣列上沿長(zhǎng)軸方向水滴的潤(rùn)濕行為；

(B) 紡錘形二氧化硅粒子陣列上沿長(zhǎng)軸方向水滴的滑動(dòng)行為；

(C) 紡錘形二氧化硅粒子陣列上沿短軸方向水滴的潤(rùn)濕行為；

(D) 紡錘形二氧化硅粒子陣列上沿短軸方向水滴的滑動(dòng)行為。

圖8 利用蜂窩狀薄膜作為模板制備分級(jí)功能結(jié)構(gòu)的示意圖

(A) 利用呼吸圖案法制備蜂窩狀薄膜的示意圖；

(B) 在蜂窩狀薄膜模板的微孔內(nèi)通過(guò)單分散二氧化硅納米粒子的限域自組裝制備復(fù)合蜂窩狀薄膜的示意圖；

(C) 在拉伸的蜂窩狀薄膜內(nèi)自組裝二氧化硅納米粒子然后除去蜂窩狀模板制備紡錘形分級(jí)結(jié)構(gòu)的示意圖。

【小結(jié)】

本文報(bào)道了在呼吸圖案法制得的可控蜂窩微孔內(nèi)實(shí)現(xiàn)二氧化硅納米粒子的限域自組裝，構(gòu)建了一系列具有仿生分級(jí)結(jié)構(gòu)的功能二氧化硅陣列。該結(jié)構(gòu)不僅可以模擬昆蟲(chóng)復(fù)眼，還具有獨(dú)特的光學(xué)特性和潤(rùn)濕性能。此外，該研究還能提供一種制備具有有序排列和可控幾何形貌的分級(jí)結(jié)構(gòu)的有效方法，此類(lèi)分級(jí)結(jié)構(gòu)在新型光學(xué)器件和疏水表面等方面具有潛在應(yīng)用。

文獻(xiàn)鏈接：Fabrication of Bioinspired Hierarchical Functional Structures by Using Honeycomb Films as Templates (Adv. Funct. Mater.， 2018, DOI: 10.1002/adfm.201803194)