東南大學Adv. Funct. Mater.：利用蜂窩狀薄膜為模板制備仿生分級功能結構

【引言】

自然界中的分級結構，如昆蟲眼睛、蝴蝶翅膀、壁虎腳和荷葉等，能夠實現諸如控制光傳播和表面潤濕性的界面功能。目前，通過熱壓印、電沉積、靜電噴涂和近場光刻等方法已經成功制備了多種仿生結構，但是這些方法過程繁瑣且比較耗時，還要依賴特殊的實驗裝置。蜂窩狀薄膜的出現和發展為快速、簡便地制備仿生分級結構開辟了新的途徑，然而近年來研究焦點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，利用這些有序結構來構建仿生分級結構并用于實際的光學和功能表面應用還鮮有報道。

【成果簡介】

近日，東南大學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，并將其作為模板實現了仿生分級功能結構的制備。研究還發現，二氧化硅納米粒子能夠在薄膜微孔內進行限域自組裝得到復合薄膜，該復合薄膜具有可控的光學性質。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濕性能。該成果以題為"Fabrication of Bioinspired Hierarchical Functional Structures by Using Honeycomb Films as Templates"發表在材料領域著名期刊Advanced Functional Material上。

【圖文導讀】

圖1 蜂窩狀薄膜的SEM表征

(A) 在連續的潮濕氮氣流條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 復合蜂窩狀薄膜的光學性質

(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) 復合薄膜不同角度下的歸一化反射光譜和對應的照片（插圖）。

圖3 二氧化硅點陣SEM表征

球形二氧化硅粒子點陣以及點陣中單個粒子的SEM圖像，該二氧化硅粒子點陣可以通過煅燒的方法除去復合薄膜上的聚合物支架材料來方便地獲得。

圖4 二氧化硅點陣的潤濕行為

具有不同幾何形狀的二氧化硅粒子點陣上水滴的潤濕行為，可以發現該點陣是疏水性的，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) 仿生柔性薄膜的數碼照片；

(B) 仿生柔性薄膜的SEM圖片；

(C) 仿生柔性薄膜上單個粒子的SEM圖片；

(D) 仿生柔性薄膜上單個粒子表面納米結構的SEM圖片。

圖6 拉伸后蜂窩狀薄膜以及相應二氧化硅粒子陣列的SEM表征

(A) 控制伸長率在1.25時獲得的拉伸蜂窩狀薄膜的SEM圖片；

(B) 控制伸長率在2時獲得的拉伸蜂窩狀薄膜的SEM圖片；

(C) 控制伸長率在3時獲得的拉伸蜂窩狀薄膜的SEM圖片；

(D) 控制伸長率在4時獲得的拉伸蜂窩狀薄膜的SEM圖片；

(E) 利用伸長率為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濕性能

(A) 紡錘形二氧化硅粒子陣列上沿長軸方向水滴的潤濕行為；

(B) 紡錘形二氧化硅粒子陣列上沿長軸方向水滴的滑動行為；

(C) 紡錘形二氧化硅粒子陣列上沿短軸方向水滴的潤濕行為；

(D) 紡錘形二氧化硅粒子陣列上沿短軸方向水滴的滑動行為。

圖8 利用蜂窩狀薄膜作為模板制備分級功能結構的示意圖

(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通過單分散二氧化硅納米粒子的限域自組裝制備復合蜂窩狀薄膜的示意圖；

(C) 在拉伸的蜂窩狀薄膜內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結構的示意圖。

【小結】

本文報道了在呼吸圖案法制得的可控蜂窩微孔內實現二氧化硅納米粒子的限域自組裝，構建了一系列具有仿生分級結構的功能二氧化硅陣列。該結構不僅可以模擬昆蟲復眼，還具有獨特的光學特性和潤濕性能。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結構的有效方法，此類分級結構在新型光學器件和疏水表面等方面具有潛在應用。

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

【團隊簡介】

顧忠澤教授現任東南大學生物科學與醫學工程學院院長、江蘇省產業技術研究院生物材料與醫療器械研究所所長，“長江學者”特聘教授、國家杰出青年基金獲得者、教育部創新團隊及111學科創新引智基地負責人。團隊主要研究方向有生物電子器件、納米仿生材料，光子晶體，生物傳感等，在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Phys. Rev. Lett.等國際核心刊物上發表一百余篇論文，并擁有多項專利。

本文由材料人生物學術組biotech供稿，材料牛審核整理。

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