武大团队制备柔性超疏水微透镜阵列，攻克潮湿室外环境下成像模糊难题

WaterOff

2023-01-16 19:33:02

“鱼倾荷叶露，蝉躁柳林风”，这句诗出自晚唐诗人许浑的《泛五云溪》，描写了荷叶上的露珠被小鱼撞翻，蝉鸣随风从柳树林里传出的动人景象。

生活中，我们也能发现这样一种有趣的现象，即附着在荷叶表面的水滴，很容易从表面滑出并反弹。其实，这种良好的超疏水性，是由荷叶表面具备的微纳米复合结构提供的。

为了解决微透镜阵列（Micro-lens Array , MLA）这种光学成像设备在潮湿环境下成像模糊的问题，近日，武汉大学薛龙建教授团队联合桂成群教授团队，采用了 3D 光刻微纳制造技术和软印刷技术，成功制备了具有良好光学成像功能与疏水性能的柔性 MLA。

2022 年 11 月 30 日，相关论文以《用于潮湿室外环境的柔性超疏水微透镜阵列》（Flexible Superhydrophobic Microlens Array for Humid Outdoor Environment Applications）为题在 ACS Applied Materials & Interfaces 上发表 [1]。

图丨相关论文（来源：ACS Applied Materials & Interfaces）

武汉大学动力与机械学院博士生栾世奕为论文第一作者，武汉大学动力与机械学院薛龙建教授、微电子学院宋毅副教授、以及工业科学研究院桂成群教授担任共同通讯作者。

基于两种不同生物结构，成功制备柔性超疏水 MLA

具有传感、波束整形等功能的 MLA 成像系统，是科学家基于昆虫复眼结构发明的仿生产品，目前在虚拟现实、增强现实、医疗、摄影、护目镜等多个领域拥有广泛的应用前景。

在潮湿环境的应用中，水滴可能会粘附在 MLA 表面，进而阻碍其成像性能的发挥。模仿荷叶效应，在 MLA 表面制备疏水的微纳米复合结构有望克服水滴的粘附问题。

需要说明的是，MLA 必须拥有能保证透光度的光滑表面，但疏水性，尤其是超疏水性则需要粗糙的表面。

所以，在制备超疏水 MLA 结构时，要想满足上述两种特性的要求，需要结合多项技术并采用颇为复杂的制造工艺。但这样的工艺流程会损害 MLA 的成像性能；同时，复杂的工艺也会增加衬底材料的选择难度，不利于柔性 MLA 的制备。

为了攻克这些难题，该团队采用了工业科学研究院桂成群教授团队研发的 3D 光刻微纳制造技术，避开以往研究中的复杂工艺步骤，在一步内完成了复合有分层柱阵列的 MLA 的构建，并通过调节结构参数优化了 MLA 的功能。

此外，他们还利用软印刷技术，把超疏水 MLA 复合结构转印到有机硅橡胶聚二甲基硅氧烷上。

图丨具有疏水性微结构的柔性 MLA 的制造示意图（来源：ACS Applied Materials & Interfaces）

据介绍，采用微米-纳米复合结构，会带来如下两种后果：一是其在自然环境中比较脆弱，容易被破坏。二是纳米结构会导致透光性下降。

因此，该团队想出了一个折中的方案，即通过制备比纳米结构大的微米和亚微米结构，来保证疏水性和结构的稳定性。薛龙建表示：“虽然这种结构的疏水性没有那么高，但是对阻止液滴粘附到 MLA 上来说也已经足够。”

图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 图像（来源：ACS Applied Materials & Interfaces）

论文中提到：“对于周期为 50~100μm 的分层柱状阵列，水滴的接触角大于 151°，滚动角小于 15.6°，透射率达到 92.3%，接近普通的 MLA（无超疏水柱状阵列）。”

经过测试，在潮湿环境下，具备超疏水分层柱阵列的 MLA，不仅在防水应用中表现优异，其成像质量和视场也未受到损伤。

受生物启发产生灵感，创造新的英文单词定义仿生学

薛龙建多年来专注仿生材料领域的研究，对于他及团队来说，研究过程中最为艰难的环节，是如何成功地把自然界中观察到的现象变成一种可加工的新材料。

“因为生物体的结构和功能是复杂的、复合的，我们需要借助现有的理论知识体系和先进技术，去观察生物的结构、去理解生物结构与功能之间的映射关系。然后，再模仿这些生物的功能结构，做出仿生设计，基于先进加工技术构建仿生结构，并赋予其相关功能。”薛龙建说。

同时，他也认为这项研究非常有意思。“把仿荷叶和仿昆虫复眼这两种不同的生物结构结合起来，体现了我们课题组的一个重要研究思想，即通过融合多种生物的结构特征，尝试研发具有复合功能的仿生材料。”

基于该思想，他还创造了一个英文单词“bioinspiratics”，意为受生物启发，创造新材料、新设备的科学，这些新材料、新设备的特性与功能不一定存在于启发的自然生物中 [2]。

关于该研究的后续计划，他表示将继续向大自然学习，从材料选择、结构设计、加工技术等方面出发，继续提高透光性，实现更好的成像效果。

参考资料：

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