武大團隊制備柔性超疏水微透鏡陣列，攻克潮濕室外環境下成像模糊難題

WaterOff

2023-01-16 19:33:02

“魚傾荷葉露，蟬躁柳林風”，這句詩出自晚唐詩人許渾的《泛五云溪》，描寫了荷葉上的露珠被小魚撞翻，蟬鳴隨風從柳樹林里傳出的動人景象。

生活中，我們也能發現這樣一種有趣的現象，即附著在荷葉表面的水滴，很容易從表面滑出并反彈。其實，這種良好的超疏水性，是由荷葉表面具備的微納米復合結構提供的。

為了解決微透鏡陣列（Micro-lens Array , MLA）這種光學成像設備在潮濕環境下成像模糊的問題，近日，武漢大學薛龍建教授團隊聯合桂成群教授團隊，采用了 3D 光刻微納制造技術和軟印刷技術，成功制備了具有良好光學成像功能與疏水性能的柔性 MLA。

2022 年 11 月 30 日，相關論文以《用于潮濕室外環境的柔性超疏水微透鏡陣列》（Flexible Superhydrophobic Microlens Array for Humid Outdoor Environment Applications）為題在 ACS Applied Materials & Interfaces 上發表 [1]。

圖丨相關論文（來源：ACS Applied Materials & Interfaces）

武漢大學動力與機械學院博士生欒世奕為論文第一作者，武漢大學動力與機械學院薛龍建教授、微電子學院宋毅副教授、以及工業科學研究院桂成群教授擔任共同通訊作者。

基于兩種不同生物結構，成功制備柔性超疏水 MLA

具有傳感、波束整形等功能的 MLA 成像系統，是科學家基于昆蟲復眼結構發明的仿生產品，目前在虛擬現實、增強現實、醫療、攝影、護目鏡等多個領域擁有廣泛的應用前景。

在潮濕環境的應用中，水滴可能會粘附在 MLA 表面，進而阻礙其成像性能的發揮。模仿荷葉效應，在 MLA 表面制備疏水的微納米復合結構有望克服水滴的粘附問題。

需要說明的是，MLA 必須擁有能保證透光度的光滑表面，但疏水性，尤其是超疏水性則需要粗糙的表面。

所以，在制備超疏水 MLA 結構時，要想滿足上述兩種特性的要求，需要結合多項技術并采用頗為復雜的制造工藝。但這樣的工藝流程會損害 MLA 的成像性能；同時，復雜的工藝也會增加襯底材料的選擇難度，不利于柔性 MLA 的制備。

為了攻克這些難題，該團隊采用了工業科學研究院桂成群教授團隊研發的 3D 光刻微納制造技術，避開以往研究中的復雜工藝步驟，在一步內完成了復合有分層柱陣列的 MLA 的構建，并通過調節結構參數優化了 MLA 的功能。

此外，他們還利用軟印刷技術，把超疏水 MLA 復合結構轉印到有機硅橡膠聚二甲基硅氧烷上。

圖丨具有疏水性微結構的柔性 MLA 的制造示意圖（來源：ACS Applied Materials & Interfaces）

據介紹，采用微米-納米復合結構，會帶來如下兩種后果：一是其在自然環境中比較脆弱，容易被破壞。二是納米結構會導致透光性下降。

因此，該團隊想出了一個折中的方案，即通過制備比納米結構大的微米和亞微米結構，來保證疏水性和結構的穩定性。薛龍建表示：“雖然這種結構的疏水性沒有那么高，但是對阻止液滴粘附到 MLA 上來說也已經足夠。”

圖丨聚二甲基硅氧烷制成的普通 MLA（左）、疏水 MLA（中）和超疏水 MLA （右）的 3D 圖像（來源：ACS Applied Materials & Interfaces）

論文中提到：“對于周期為 50~100μm 的分層柱狀陣列，水滴的接觸角大于 151°，滾動角小于 15.6°，透射率達到 92.3%，接近普通的 MLA（無超疏水柱狀陣列）。”

經過測試，在潮濕環境下，具備超疏水分層柱陣列的 MLA，不僅在防水應用中表現優異，其成像質量和視場也未受到損傷。

受生物啟發產生靈感，創造新的英文單詞定義仿生學

薛龍建多年來專注仿生材料領域的研究，對于他及團隊來說，研究過程中最為艱難的環節，是如何成功地把自然界中觀察到的現象變成一種可加工的新材料。

“因為生物體的結構和功能是復雜的、復合的，我們需要借助現有的理論知識體系和先進技術，去觀察生物的結構、去理解生物結構與功能之間的映射關系。然后，再模仿這些生物的功能結構，做出仿生設計，基于先進加工技術構建仿生結構，并賦予其相關功能。”薛龍建說。

同時，他也認為這項研究非常有意思。“把仿荷葉和仿昆蟲復眼這兩種不同的生物結構結合起來，體現了我們課題組的一個重要研究思想，即通過融合多種生物的結構特征，嘗試研發具有復合功能的仿生材料。”

基于該思想，他還創造了一個英文單詞“bioinspiratics”，意為受生物啟發，創造新材料、新設備的科學，這些新材料、新設備的特性與功能不一定存在于啟發的自然生物中 [2]。

關于該研究的后續計劃，他表示將繼續向大自然學習，從材料選擇、結構設計、加工技術等方面出發，繼續提高透光性，實現更好的成像效果。

參考資料：

1.S. Luan, P. Xu, Y. Zhang, L.Xue. et al. Flexible Superhydrophobic Microlens Array for Humid Outdoor Environment Applications. ACS Applied Materials & Interfaces 2022, 14 （47）, 53433-53441. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c17128

2. Q. Liu, D. Tan, Dr. F. Meng, B. Yang, et al. Adhesion Enhancement of Micropillar Array by Combining the Adhesive Design from Gecko and Tree Frog. Small，2021, 17, 2005493. https://doi.org/10.1002/smll.202005493