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自然界中许多动植物的表面，比如鲨鱼皮和无瓣海桑叶的表面，都覆盖着独特的微地貌结构（topographic structures）。研究表明， 这些微地貌结构对防止其它微生物及海洋附着生物的黏附起着重要的作用(j. r. soc. interface 15 (2018), 20170823; bioinspir. biomim. 16 (2021) 041003)。仿生微地貌结构作为一种无毒、环境友好的抗污损策略，近年来逐步受到关注，应用潜力值得期待。然而，与光滑的表面相比，具有微地貌的表面往往对入射光会产生散射作用，导致材料整体透光率(total transmittance)的降低和雾度(haze)的增加。这一缺陷限制了微地貌技术在许多光学仪器设备（例如，水下相机镜头、潜水器观察窗、太阳能光伏板）上的应用。如何在不影响材料光学透明度的前提下，最大限度地发挥出表面微地貌的抗污性能是一个值得研究探讨的问题。

受斑马鱼眼角膜纳米褶皱结构（如图1所示）的启发，香港理工大学机械工程系姚海民博士课题组和厦门大学海洋与地球学院冯丹青教授课题组合作，利用软衬底上的薄膜材料在压缩载荷下易屈曲失稳产生褶皱的力学原理，制备出了可以同时具备高透明度和抗污性能的薄膜材料。相关工作近日以“ reconciling the conflict between optical transparency and fouling resistance with nanowrinkled surface inspired by zebrafish’s cornea”为题，在线发表在《acs applied materials and interfaces》上（i.f.=9.229），相关技术已申请国家发明专利。姚海民课题组博士研究生安德烈 维尔沃克(andre e. vellwock)为论文的第一作者，姚海民博士和冯丹青教授为论文的共同通讯作者。

图1. 斑马鱼眼角膜的纳米褶皱结构

论文首先系统地研究了仿生纳米波纹状褶皱结构两大特征尺度（波长wavelength和幅值amplitude）对材料透光率和雾度的影响。研究发现，微地貌对透光率(total transmittance)的影响较小，而对雾度(haze)影响较大。与波长相比，微地貌的幅值对雾度（haze）的影响更为明显。若要实现较小的雾度(< 5%),微地貌的幅值应维持在100 nm左右或以下（如图2所示）。

图2. 仿生纳米褶皱表面的透光度和雾度表征

紧接着，文章又系统地研究了仿生纳米褶皱结构对表面抗污性能的影响。无论是细菌黏附实验还是海水中现场实验都表明，纳米褶皱结构的波长和幅值对其抗污性能都有影响（如图3所示）。比较而言，褶皱的波长对抗污性能影响较大。当褶皱的波长在800 nm左右的时候，抗污效果最为理想。此外，这种纳米褶皱结构表面对无机粉尘颗粒（水泥）也表现出相当好的抗黏性能。无论在机械振动还是水滴的冲刷下，都可以达到自清洁的效果（如图4所示）。

图3. 仿生纳米褶皱表面的抗污损性能表征

图4. （a-c）仿生纳米褶皱表面对无机粉尘颗粒（水泥）的防黏作用的演示. (d) 曲面上纳米褶皱结构及其潜在应用。

总结：受斑马鱼角膜的启发，本文研究和制备了不同尺度的纳米褶皱结构的光学和抗污性能，找到了最优的设计方案（幅值~100 nm，波长~800 nm），实现了高透明度（包括高透光率和低雾度）和高抗污性能的完美组合。相关技术在水下光学镜头、潜水器观察窗、隐形眼镜、太阳能光伏板等相关领域有着广阔的应用前景。

论文链接：

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

招聘启事：

课题组主页：

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

来源：高分子科学前沿

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