3D科学谷洞察
“高SA/V比的纳米/微结构材料在能源、医疗、微流体、光学和环境科学等多个领域具有广泛的应用前景，例如在能源存储方面，高SA/V比的结构能够促进快速离子传输，从而实现超高功率密度，显著提升电池等储能设备的性能。例如，在锂离子电池中，这种结构可以加快锂离子的扩散速度，缩短充电时间，提高电池的能量密度和循环稳定性。再例如，在光学应用中，高SA/V比的纳米/微结构可以显著增强材料的光学性能。例如，通过设计具有抗反射和光捕获特性的表面结构，可以减少光学器件的反射损失，提高光的透过率和吸收率。”
这篇论文的研究内容由伊利诺伊大学芝加哥分校的Ketki M. Lichade及其团队完成，发表在《Journal of Manufacturing Science and Engineering》上。该研究探讨了分层表面结构的设计与制造，特别是在增材制造（AM）领域中的应用，旨在解决高表面积/体积比（SA/V比）结构的设计和制造难题。
随着科技的进步，人工纳米/微结构因其在柔性电子、微流体和组织工程等领域的潜在应用而受到广泛关注。高SA/V比的几何结构能够促进快速离子传输和超高功率密度，进而提升设备性能。然而，设计和制造具有所需功能的高SA/V比结构仍然面临诸多挑战。本研究的灵感来源于自然界中的多种生物结构，如莲叶和蝉翼等，这些结构通常具有高度的分层性和复杂的几何形状，能够实现超疏水性和抗反射等功能。研究团队提出了一种三层分层结构设计，结合数学建模，探讨SA/V比、表面结构几何形状、功能性和可制造性之间的复杂关系。
研究团队首先建立了三层分层结构的设计框架，分别为锥形结构、覆盖锥形的表皮结构和带有皱纹的表皮结构。通过对每一层的SA/V比进行建模，研究人员能够深入理解不同设计参数对表面功能的影响。在制造过程中，采用了双光子聚合（TPP）技术，这是一种先进的增材制造方法，能够在亚微米甚至纳米尺度上直接构建复杂的三维部件。TPP技术的高分辨率（可达40纳米）使得研究团队能够实现高精度的三维分层结构制造。具体而言，研究团队使用了Nanoscribe的Photonic Professional GT设备进行TPP制造，这一设备的激光系统能够以极高的精度进行三维打印，确保了所设计结构的几何精度和表面质量。
尽管TPP技术在制造复杂结构方面具有优势，但在实际应用中仍然存在一些痛点。首先，制造过程中可能出现几何误差，导致打印的结构与设计模型之间存在差异。这种几何误差主要源于打印过程中体素的排列方式，影响了表面质量和几何精度。其次，现有的制造方法通常需要多步骤和多平台的操作，导致成本高昂且时间消耗大。此外，大多数方法只能制造二维半结构，而无法实现真正的三维结构，这限制了其在某些应用中的有效性。
通过对三层分层结构的设计与制造，研究团队成功地实现了具有不同SA/V比和层次水平的表面结构。实验结果表明，所制造的表面在润湿性和抗反射性方面表现出显著的改进。例如，研究发现，通过调整设计参数，可以将自然亲水表面转变为近乎超疏水的表面。此外，所提出的分层结构能够显著降低光反射，反射率降低超过80%。这些成果表明，所提出的分层结构在微流体、光学、能源和界面等领域具有广泛的应用潜力。
本研究的成果为未来的多种应用提供了广阔的前景，包括微流体、光学、能源和界面等领域。研究团队认为，尽管TPP技术在材料选择上受到限制，但通过开发功能复合材料作为TPP的原料，可以实现更广泛的功能性和优越的机械性能。未来的研究可以进一步扩展到多材料分层结构的设计，利用多材料制造方法制造具有空间变化材料组成的部件，以满足更广泛的先进应用需求。此外，研究团队还计划探索如何通过保护涂层等方法提高纳米/微结构表面的耐用性，以应对恶劣环境下的应用挑战。
其团队的研究为分层纳米/微结构表面的设计与制造提供了新的思路和方法。通过结合自然界的启示与先进的制造技术，研究不仅解决了高SA/V比结构的设计与制造难题，还为未来的多种应用奠定了基础。随着技术的不断进步和材料科学的发展，分层结构的应用前景将更加广阔，推动相关领域的创新与发展。
来源
MNTech微纳领航 l
基于生物启发的三层分层结构在增材制造中的应用
l 谷专栏 l
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