东南大学Adv. Funct. Mater.：利用蜂窝状薄膜为模板制备仿生分级功能结构

【引言】

自然界中的分级结构，如昆虫眼睛、蝴蝶翅膀、壁虎脚和荷叶等，能够实现诸如控制光传播和表面润湿性的界面功能。目前，通过热压印、电沉积、静电喷涂和近场光刻等方法已经成功制备了多种仿生结构，但是这些方法过程繁琐且比较耗时，还要依赖特殊的实验装置。蜂窝状薄膜的出现和发展为快速、简便地制备仿生分级结构开辟了新的途径，然而近年来研究焦点主要集中在利用呼吸图案法制备微孔形貌可控的蜂窝状薄膜，利用这些有序结构来构建仿生分级结构并用于实际的光学和功能表面应用还鲜有报道。

【成果简介】

近日，东南大学顾忠泽教授课题组利用呼吸图案法获得了一种蜂窝状薄膜，并将其作为模板实现了仿生分级功能结构的制备。研究还发现，二氧化硅纳米粒子能够在薄膜微孔内进行限域自组装得到复合薄膜，该复合薄膜具有可控的光学性质。将薄膜模板除去后即可得到二氧化硅纳米粒子阵列，该阵列具有疏水表面和可控的润湿性能。该成果以题为"Fabrication of Bioinspired Hierarchical Functional Structures by Using Honeycomb Films as Templates"发表在材料领域著名期刊Advanced Functional Material上。

【图文导读】

图1 蜂窝状薄膜的SEM表征

(A) 在连续的潮湿氮气流条件下制备的蜂窝状薄膜的SEM图像；

(B) 蜂窝状薄膜横截面的SEM图像。

图2 复合蜂窝状薄膜的光学性质

(A) 填充尺寸为304纳米的单分散二氧化硅纳米粒子后蜂窝状薄膜表面的SEM图像；

(B) 填充尺寸为304纳米的单分散二氧化硅纳米粒子后蜂窝状薄膜横截面的SEM图像；

(C) 复合薄膜不同角度下的归一化反射光谱和对应的照片（插图）。

图3 二氧化硅点阵SEM表征

球形二氧化硅粒子点阵以及点阵中单个粒子的SEM图像，该二氧化硅粒子点阵可以通过煅烧的方法除去复合薄膜上的聚合物支架材料来方便地获得。

图4 二氧化硅点阵的润湿行为

具有不同几何形状的二氧化硅粒子点阵上水滴的润湿行为，可以发现该点阵是疏水性的，而且随着二氧化硅粒子的球形度增大疏水性也在增加。

图5 仿生柔性薄膜的SEM表征

(A) 仿生柔性薄膜的数码照片；

(B) 仿生柔性薄膜的SEM图片；

(C) 仿生柔性薄膜上单个粒子的SEM图片；

(D) 仿生柔性薄膜上单个粒子表面纳米结构的SEM图片。

图6 拉伸后蜂窝状薄膜以及相应二氧化硅粒子阵列的SEM表征

(A) 控制伸长率在1.25时获得的拉伸蜂窝状薄膜的SEM图片；

(B) 控制伸长率在2时获得的拉伸蜂窝状薄膜的SEM图片；

(C) 控制伸长率在3时获得的拉伸蜂窝状薄膜的SEM图片；

(D) 控制伸长率在4时获得的拉伸蜂窝状薄膜的SEM图片；

(E) 利用伸长率为1.25的拉伸蜂窝状薄膜作为模板获得二氧化硅粒子阵列的SEM图片；

(F) 利用伸长率为2的拉伸蜂窝状薄膜作为模板获得二氧化硅粒子阵列的SEM图片;

(G) 利用伸长率为3的拉伸蜂窝状薄膜作为模板获得二氧化硅粒子阵列的SEM图片；

(H) 利用伸长率为4的拉伸蜂窝状薄膜作为模板获得二氧化硅粒子阵列的SEM图片。

图7 纺锤形二氧化硅粒子阵列的各向异性润湿性能

(A) 纺锤形二氧化硅粒子阵列上沿长轴方向水滴的润湿行为；

(B) 纺锤形二氧化硅粒子阵列上沿长轴方向水滴的滑动行为；

(C) 纺锤形二氧化硅粒子阵列上沿短轴方向水滴的润湿行为；

(D) 纺锤形二氧化硅粒子阵列上沿短轴方向水滴的滑动行为。

图8 利用蜂窝状薄膜作为模板制备分级功能结构的示意图

(A) 利用呼吸图案法制备蜂窝状薄膜的示意图；

(B) 在蜂窝状薄膜模板的微孔内通过单分散二氧化硅纳米粒子的限域自组装制备复合蜂窝状薄膜的示意图；

(C) 在拉伸的蜂窝状薄膜内自组装二氧化硅纳米粒子然后除去蜂窝状模板制备纺锤形分级结构的示意图。

【小结】

本文报道了在呼吸图案法制得的可控蜂窝微孔内实现二氧化硅纳米粒子的限域自组装，构建了一系列具有仿生分级结构的功能二氧化硅阵列。该结构不仅可以模拟昆虫复眼，还具有独特的光学特性和润湿性能。此外，该研究还能提供一种制备具有有序排列和可控几何形貌的分级结构的有效方法，此类分级结构在新型光学器件和疏水表面等方面具有潜在应用。

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

【团队简介】

顾忠泽教授现任东南大学生物科学与医学工程学院院长、江苏省产业技术研究院生物材料与医疗器械研究所所长，“长江学者”特聘教授、国家杰出青年基金获得者、教育部创新团队及111学科创新引智基地负责人。团队主要研究方向有生物电子器件、纳米仿生材料，光子晶体，生物传感等，在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Phys. Rev. Lett.等国际核心刊物上发表一百余篇论文，并拥有多项专利。

本文由材料人生物学术组biotech供稿，材料牛审核整理。

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