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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構（topographic structures）。研究表明， 這些微地貌結構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)。仿生微地貌結構作為一種無毒、環境友好的抗污損策略，近年來逐步受到關注，應用潛力值得期待。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生散射作用，導致材料整體透光率(total transmittance)的降低和霧度(haze)的增加。這一缺陷限制了微地貌技術在許多光學儀器設備（例如，水下相機鏡頭、潛水器觀察窗、太陽能光伏板）上的應用。如何在不影響材料光學透明度的前提下，最大限度地發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構（如圖1所示）的啟發，香港理工大學機械工程系姚海民博士課題組和廈門大學海洋與地球學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產生褶皺的力學原理，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，在線發表在《acs applied materials and interfaces》上（i.f.=9.229），相關技術已申請國家發明專利。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構

論文首先系統地研究了仿生納米波紋狀褶皺結構兩大特征尺度（波長wavelength和幅值amplitude）對材料透光率和霧度的影響。研究發現，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。若要實現較小的霧度(< 5%),微地貌的幅值應維持在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，文章又系統地研究了仿生納米褶皺結構對表面抗污性能的影響。無論是細菌黏附實驗還是海水中現場實驗都表明，納米褶皺結構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，這種納米褶皺結構表面對無機粉塵顆粒（水泥）也表現出相當好的抗黏性能。無論在機械振動還是水滴的沖刷下，都可以達到自清潔的效果（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粉塵顆粒（水泥）的防黏作用的演示. (d) 曲面上納米褶皺結構及其潛在應用。

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

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：高分子科學前沿

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