西南科技大学李国强教授团队《CEJ》:受蚊眼启发的激光织构化仿生多功用玻璃

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随着消费电子产品、中央商务区(CBD)建筑、太阳能系统和光学设备的兴起，这些领域对不同功用玻璃的需求迅速增长并对其功能提出新的要求。然而，由于空气中粉尘、雾滴、冰霜等物质的积聚，往往会削弱玻璃的光学性能及其他功能性，从而影响其使用的经济性并造成安全威胁。虽然在过去十年中超疏水玻璃的研究取得了一系列进展，但实现超疏表面必要的粗糙结构和功能化往往会破坏玻璃固有的透明性能，尤其是赋予玻璃多种功能的情况下。因此，无论是结构设计还是制备上，兼顾玻璃固有的光学性能并赋予其防水、防尘、防冰、防雾等多样功用仍存在挑战。

自然界经过几亿年进化，进化出多种多样的结构来实现不同的功能，以满足对不断变化的环境的适应。其中，由于外观完美、稳定性好、能耗低等特点，六边形结构及阵列更是被生物体广泛利用来适应生存环境。例如蜂巢的六角形结构使其具有良好的稳定性和高的空间利用率；蚊子可在雾气和黑暗的环境中保持卓越的视觉，正是得益于蚊子呈六方排布的复眼阵列。这种独特的复合结构阵列使得蚊子拥有良好的疏水防雾、高光子捕获效率、全视角等特性。有鉴于此，向自然界学习为我们设计功能结构提供了无限灵感。

近日，西南科技大学李国强教授等领衔的微纳仿生系统与智能化团队受蚊子复眼阵列的启发，借助激光微加工技术，通过在玻璃表面构筑六方微坑阵列结构，制备了一种具备高透光性的多功用玻璃。该研究以“Bioinspired Functional Glass Integrated with Multiplex Repellency Ability from Laser-Patterned Hexagonal Texturing”为题发表在国际著名期刊《Chemical Engineering Journal》上，论文第一作者为机械工程专业2018级硕士生何旭尧，通讯作者为李国强教授等。

通过表面精心设计的六方微坑结构阵列并进行疏水处理，赋予了原始玻璃（PG）卓越的拒水性（CA～165°）和超低水附着力（CAH～2°）,同时保持良好的透光性能（RT～98%）。通过优化微坑尺寸及间距，该多功能化玻璃（MIG）不仅对多种固体污染物具备优异的自清洁性能，且在浓雾及低温环境下兼具良好的防雾及延迟结冰能力。其多样、优异、稳定的功能表现使其能够成功应对多种环境，耐久性论证进一步表明其具有很大的实际应用前景。这项工作将为多功能商业玻璃的设计制备提供一个富有前景的策略。

受蚊子复眼结构及功能特性的启发，利用飞秒激光加工技术在二氧化硅玻璃表面构筑六方微坑结构阵列，实现了表面的高透光及多功能特能。

功能玻璃表面对水滴具有极低的粘附性，同时对木屑、尘土、煤灰等多种物质表现出优异的自清洁性能。

浓雾环境下，微液滴在功能玻璃表面相互合并以诱导自驱动弹跳行为，有效驱离表面液滴，从而保持表面干燥，实现表面的持续防雾特性。

低温环境下，功能玻璃表面低的表面能及微纳复合结构能够有效降低液滴在表面的热传递效率，从而达到延迟结冰的效果。

小结：综上所述，作者受蚊子复眼结构和功能的启发，设计了一种具有高透光度的超疏水多功能集成化玻璃。通过对表面微结构优化设计，所得玻璃表现出优异的透光性及防水能力。此外，该功能玻璃还具有对各种污染物展现出优异的自清洁能力，在浓雾环境中具有稳定的防雾性能，以及在低温环境下具有显著的结冰延迟效应。其多样、稳定、耐腐蚀的特点给予其应对不同应用环境的能力，在满足智能时代对新型玻璃的需求方面具有广泛的应用前景。

论文链接: 

Bioinspired Functional Glass Integrated with Multiplex Repellency Ability from Laser-Patterned Hexagonal Texturing (Chemical Engineering Journal, 2021, DOI: 10.1016/j.cej.2021.129113)

来源：高分子科学前沿

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