聚合物纳米突起阵列结构仿生制备及性能研究

固体材料界面光反射和灰尘粒子附着清洁难是一个普遍存在的技术问题，也是近年来纳米仿生功能材料研究领域的国际热点。申请者纳米仿生研究的最新成果表明：昆虫复眼表面透明角膜上覆盖有无数的纳米锥突起阵列结构，可以同时赋予宽光谱宽入射角减反和超疏水自清洁功能。本项目正是基于申请者的这一发现，将纳米制备技术与仿生技术有效结合，在揭示自然奥秘的基础上模拟天然生物体表层纳米结构产生奇特功能，研制集超疏水环保自清洁和宽光谱减反功能于一身的新型仿生纳米材料。本项目的核心是探索倒锥形纳米孔阵列结构和金属镍纳米锥阵列结构模板的可控制备技术，研究聚合物材料分子与纳米仿生突起阵列结构参数与形貌的协同效应对超疏水自清洁和宽光谱减反功能的影响规律，研发具有超疏水自清洁和宽光谱减反双重功能的纳米仿生结构膜及可批量制备的纳米压印技术。

本项目重点开展了可实现类蛾眼纳米乳突阵列结构低成本大面积可控制备的新型纳米锥孔模板及其纳米压印技术的研究，揭示了纳米乳突的结构参数与表面化学的协同效应对其表面宽光谱减反和自清洁功能的影响规律。研究工作主要包括以下部分：1）基于多步温和阳极氧化与化学腐蚀组合的技术实现氧化铝锥孔的定制及其形成机制的研究；2）提出了基于单层自组装纳米球预压印与循环温和阳极氧化-腐蚀扩孔相结合的技术来定制特定周期的纳米锥孔模板；3）采用一步高强度阳极氧化-剥蚀和多步温和阳极氧化-腐蚀扩孔相结合的方法实现周期在70-370nm、轮廓任意定制的自有序纳米渐变孔阳极氧化铝模板的可控制备；4）采用基于纳米锥孔氧化铝模板的电化学沉积技术实现了中空和实心镍纳米锥阵列结构硬模板的可控制备；5）提出了一种基于纳尺度扩散受限化学腐蚀的方法实现了热塑性高分子纳米锥阵列的直接力学分离；6）基于不同周期和高度任意定制的纳米锥孔氧化铝模板，采用简单易行的纳米热压印方法在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)表面实现特定周期和高度的类蛾眼人工纳米乳突阵列结构的可控制备，系统研究了纳米结构参数对宽光谱广角抗反射性能的影响规律，实现了彩色防眩光以及最优化的宽谱广角抗反射纳米膜；7）提出纳米锥孔氧化铝模板表面氟硅烷化学修饰减少固-固黏附与单体热固化形成高分子互穿网络提升高分子力学强度相结合的方法实现了超疏水和抗反射双功能PMMA纳米仿生膜的直接力学脱模；8）采用热固化单体中添加“粘结”分子的思路可实现聚合物纳米乳突阵列结构牢固黏附在玻璃表面，通过进一步调控纳米乳突表面化学的疏水和亲水特性，可以实现宽光谱抗反射纳米膜表面超疏水以及超亲水自清洁功能的集成；9）采用模板热压印实现了乙烯-聚四氟乙烯仿蛾眼纳米乳突阵列结构的可控制备及抗反射超疏水双功能。简言之，我们的研究不仅初步实现了高度有序的氧化铝纳米锥孔阵列、金属镍纳米锥阵列结构以及含氟聚合物纳米结构的可控制备，而且发展了聚合物仿生纳米乳突阵列结构制备的普适方法，揭示了聚合物纳米乳突的结构参数与表面化学的协同效应对表面特殊浸润和宽光谱广角抗反射性能的影响规律。这些研究结果为设计开发高性能抗反射自清洁功能纳米仿生膜奠定了基础。