“高SA/V比的納米/微結(jié)構(gòu)材料在能源、醫(yī)療、微流體、光學(xué)和環(huán)境科學(xué)等多個領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，例如在能源存儲方面，高SA/V比的結(jié)構(gòu)能夠促進(jìn)快速離子傳輸，從而實現(xiàn)超高功率密度，顯著提升電池等儲能設(shè)備的性能。例如，在鋰離子電池中，這種結(jié)構(gòu)可以加快鋰離子的擴(kuò)散速度，縮短充電時間，提高電池的能量密度和循環(huán)穩(wěn)定性。再例如，在光學(xué)應(yīng)用中，高SA/V比的納米/微結(jié)構(gòu)可以顯著增強(qiáng)材料的光學(xué)性能。例如，通過設(shè)計具有抗反射和光捕獲特性的表面結(jié)構(gòu)，可以減少光學(xué)器件的反射損失，提高光的透過率和吸收率?！?/span>

這篇論文的研究內(nèi)容由伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校的Ketki M. Lichade及其團(tuán)隊完成，發(fā)表在《Journal of Manufacturing Science and Engineering》上。該研究探討了分層表面結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制造，特別是在增材制造（AM）領(lǐng)域中的應(yīng)用，旨在解決高表面積/體積比（SA/V比）結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造難題。

隨著科技的進(jìn)步，人工納米/微結(jié)構(gòu)因其在柔性電子、微流體和組織工程等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用而受到廣泛關(guān)注。高SA/V比的幾何結(jié)構(gòu)能夠促進(jìn)快速離子傳輸和超高功率密度，進(jìn)而提升設(shè)備性能。然而，設(shè)計和制造具有所需功能的高SA/V比結(jié)構(gòu)仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。本研究的靈感來源于自然界中的多種生物結(jié)構(gòu)，如蓮葉和蟬翼等，這些結(jié)構(gòu)通常具有高度的分層性和復(fù)雜的幾何形狀，能夠?qū)崿F(xiàn)超疏水性和抗反射等功能。研究團(tuán)隊提出了一種三層分層結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)合數(shù)學(xué)建模，探討SA/V比、表面結(jié)構(gòu)幾何形狀、功能性和可制造性之間的復(fù)雜關(guān)系。

研究團(tuán)隊首先建立了三層分層結(jié)構(gòu)的設(shè)計框架，分別為錐形結(jié)構(gòu)、覆蓋錐形的表皮結(jié)構(gòu)和帶有皺紋的表皮結(jié)構(gòu)。通過對每一層的SA/V比進(jìn)行建模，研究人員能夠深入理解不同設(shè)計參數(shù)對表面功能的影響。在制造過程中，采用了雙光子聚合（TPP）技術(shù)，這是一種先進(jìn)的增材制造方法，能夠在亞微米甚至納米尺度上直接構(gòu)建復(fù)雜的三維部件。TPP技術(shù)的高分辨率（可達(dá)40納米）使得研究團(tuán)隊能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的三維分層結(jié)構(gòu)制造。具體而言，研究團(tuán)隊使用了Nanoscribe的Photonic Professional GT設(shè)備進(jìn)行TPP制造，這一設(shè)備的激光系統(tǒng)能夠以極高的精度進(jìn)行三維打印，確保了所設(shè)計結(jié)構(gòu)的幾何精度和表面質(zhì)量。

盡管TPP技術(shù)在制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)方面具有優(yōu)勢，但在實際應(yīng)用中仍然存在一些痛點。首先，制造過程中可能出現(xiàn)幾何誤差，導(dǎo)致打印的結(jié)構(gòu)與設(shè)計模型之間存在差異。這種幾何誤差主要源于打印過程中體素的排列方式，影響了表面質(zhì)量和幾何精度。其次，現(xiàn)有的制造方法通常需要多步驟和多平臺的操作，導(dǎo)致成本高昂且時間消耗大。此外，大多數(shù)方法只能制造二維半結(jié)構(gòu)，而無法實現(xiàn)真正的三維結(jié)構(gòu)，這限制了其在某些應(yīng)用中的有效性。

通過對三層分層結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制造，研究團(tuán)隊成功地實現(xiàn)了具有不同SA/V比和層次水平的表面結(jié)構(gòu)。實驗結(jié)果表明，所制造的表面在潤濕性和抗反射性方面表現(xiàn)出顯著的改進(jìn)。例如，研究發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整設(shè)計參數(shù)，可以將自然親水表面轉(zhuǎn)變?yōu)榻醭杷谋砻?。此外，所提出的分層結(jié)構(gòu)能夠顯著降低光反射，反射率降低超過80%。這些成果表明，所提出的分層結(jié)構(gòu)在微流體、光學(xué)、能源和界面等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。

本研究的成果為未來的多種應(yīng)用提供了廣闊的前景，包括微流體、光學(xué)、能源和界面等領(lǐng)域。研究團(tuán)隊認(rèn)為，盡管TPP技術(shù)在材料選擇上受到限制，但通過開發(fā)功能復(fù)合材料作為TPP的原料，可以實現(xiàn)更廣泛的功能性和優(yōu)越的機(jī)械性能。未來的研究可以進(jìn)一步擴(kuò)展到多材料分層結(jié)構(gòu)的設(shè)計，利用多材料制造方法制造具有空間變化材料組成的部件，以滿足更廣泛的先進(jìn)應(yīng)用需求。此外，研究團(tuán)隊還計劃探索如何通過保護(hù)涂層等方法提高納米/微結(jié)構(gòu)表面的耐用性，以應(yīng)對惡劣環(huán)境下的應(yīng)用挑戰(zhàn)。

其團(tuán)隊的研究為分層納米/微結(jié)構(gòu)表面的設(shè)計與制造提供了新的思路和方法。通過結(jié)合自然界的啟示與先進(jìn)的制造技術(shù)，研究不僅解決了高SA/V比結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制造難題，還為未來的多種應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和材料科學(xué)的發(fā)展，分層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用前景將更加廣闊，推動相關(guān)領(lǐng)域的創(chuàng)新與發(fā)展。