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自然界中許多動植物的表面，比如鯊魚皮和無瓣海桑葉的表面，都覆蓋著獨特的微地貌結(jié)構(gòu)（topographic structures）。研究表明， 這些微地貌結(jié)構(gòu)對防止其它微生物及海洋附著生物的黏附起著重要的作用(j. r. soc. interface 15 (2018), 20170823; bioinspir. biomim. 16 (2021) 041003)。仿生微地貌結(jié)構(gòu)作為一種無毒、環(huán)境友好的抗污損策略，近年來逐步受到關(guān)注，應(yīng)用潛力值得期待。然而，與光滑的表面相比，具有微地貌的表面往往對入射光會產(chǎn)生散射作用，導(dǎo)致材料整體透光率(total transmittance)的降低和霧度(haze)的增加。這一缺陷限制了微地貌技術(shù)在許多光學(xué)儀器設(shè)備（例如，水下相機(jī)鏡頭、潛水器觀察窗、太陽能光伏板）上的應(yīng)用。如何在不影響材料光學(xué)透明度的前提下，最大限度地發(fā)揮出表面微地貌的抗污性能是一個值得研究探討的問題。

受斑馬魚眼角膜納米褶皺結(jié)構(gòu)（如圖1所示）的啟發(fā)，香港理工大學(xué)機(jī)械工程系姚海民博士課題組和廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院馮丹青教授課題組合作，利用軟襯底上的薄膜材料在壓縮載荷下易屈曲失穩(wěn)產(chǎn)生褶皺的力學(xué)原理，制備出了可以同時具備高透明度和抗污性能的薄膜材料。相關(guān)工作近日以“ reconciling the conflict between optical transparency and fouling resistance with nanowrinkled surface inspired by zebrafish’s cornea”為題，在線發(fā)表在《acs applied materials and interfaces》上（i.f.=9.229），相關(guān)技術(shù)已申請國家發(fā)明專利。姚海民課題組博士研究生安德烈 維爾沃克(andre e. vellwock)為論文的第一作者，姚海民博士和馮丹青教授為論文的共同通訊作者。

圖1. 斑馬魚眼角膜的納米褶皺結(jié)構(gòu)

論文首先系統(tǒng)地研究了仿生納米波紋狀褶皺結(jié)構(gòu)兩大特征尺度（波長wavelength和幅值amplitude）對材料透光率和霧度的影響。研究發(fā)現(xiàn)，微地貌對透光率(total transmittance)的影響較小，而對霧度(haze)影響較大。與波長相比，微地貌的幅值對霧度（haze）的影響更為明顯。若要實現(xiàn)較小的霧度(< 5%),微地貌的幅值應(yīng)維持在100 nm左右或以下（如圖2所示）。

圖2. 仿生納米褶皺表面的透光度和霧度表征

緊接著，文章又系統(tǒng)地研究了仿生納米褶皺結(jié)構(gòu)對表面抗污性能的影響。無論是細(xì)菌黏附實驗還是海水中現(xiàn)場實驗都表明，納米褶皺結(jié)構(gòu)的波長和幅值對其抗污性能都有影響（如圖3所示）。比較而言，褶皺的波長對抗污性能影響較大。當(dāng)褶皺的波長在800 nm左右的時候，抗污效果最為理想。此外，這種納米褶皺結(jié)構(gòu)表面對無機(jī)粉塵顆粒（水泥）也表現(xiàn)出相當(dāng)好的抗黏性能。無論在機(jī)械振動還是水滴的沖刷下，都可以達(dá)到自清潔的效果（如圖4所示）。

圖3. 仿生納米褶皺表面的抗污損性能表征

圖4. （a-c）仿生納米褶皺表面對無機(jī)粉塵顆粒（水泥）的防黏作用的演示. (d) 曲面上納米褶皺結(jié)構(gòu)及其潛在應(yīng)用。

總結(jié)：受斑馬魚角膜的啟發(fā)，本文研究和制備了不同尺度的納米褶皺結(jié)構(gòu)的光學(xué)和抗污性能，找到了最優(yōu)的設(shè)計方案（幅值~100 nm，波長~800 nm），實現(xiàn)了高透明度（包括高透光率和低霧度）和高抗污性能的完美組合。相關(guān)技術(shù)在水下光學(xué)鏡頭、潛水器觀察窗、隱形眼鏡、太陽能光伏板等相關(guān)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1021/acsami.1c22205

招聘啟事：

課題組主頁：

https://sites.google.com/site/haiminyao/home

來源：高分子科學(xué)前沿

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