基于蛾眼结构亲疏水图案化的水滴定向排列薄膜及其高透光粘附疏水特性研究

本文针对传统粘附疏水表面因微结构导致光散射和透光率下降的问题，研究人员通过结合蛾眼结构和亲疏水区域图案化技术，成功制备出兼具高透光率（~90%）与水滴定向排列功能的薄膜。该薄膜在雾滴收集实验中实现了100–750 μm亲水区域的水滴精准排列，并展现出148.4°的接触角与180°的滑动角，为高通量微滴操控技术提供了新策略。

　　

在自然界中，生物体通过漫长的进化形成了许多令人惊叹的表面特性。玫瑰花瓣能够以高达152.4度的接触角（Contact Angle, CA）排斥水滴，同时即使倒置也能将水滴牢牢吸附在表面，这种现象被称为“花瓣效应”。另一种生活在纳米布沙漠中的拟步甲虫（Tenebrionid beetle）则利用背部亲疏水交替的区域结构从雾中收集水分。这些生物灵感激发了研究人员对功能性表面材料的探索。

以往研究通过滚压技术在疏水性蛾眼结构（moth-eye structure）薄膜上加工微孔，成功模拟了玫瑰花瓣的粘附疏水性（adhesive hydrophobicity）。然而，微孔结构导致光散射现象，使薄膜在可见光范围内的透光率从91%降至80%，限制了其在光学设备中的应用。此外，传统方法难以实现水滴的精确排列与控制，而微滴技术在筛选、打印和飞升级反应器（femtoreactors）等领域具有迫切需求。

为了解决透光率与水滴操控性能之间的矛盾，日本东京科学大学的研究团队提出了一种创新策略：将蛾眼结构与亲疏水区域图案化技术相结合。他们假设，通过缩小亲水区域的尺寸，可以实现水滴在特定区域的定向排列，同时利用蛾眼结构提升表面疏水性并保持高透光率。相关研究成果发表于《Micro and Nanostructures》。

研究团队主要采用以下技术方法：

1. 1.

   使用感应耦合等离子体（ICP）系统在玻璃碳基底上制备蛾眼结构模具；

2. 2.

   通过光刻技术（photolithography）在模具上定义亲水区域图案，采用亲水性正性光刻胶（positive photoresist）；

3. 3.

   利用紫外纳米压印光刻（UV-NIL）技术，以含氟疏水性UV树脂转印图案，形成亲疏水交替的蛾眼结构薄膜；

4. 4.

   通过雾暴露实验（mist exposure）测试水滴排列性能，并使用接触角测量仪、扫描电子显微镜（SEM）和光谱仪分别表征润湿性、形貌与光学性能。

3.1. 制备的双区域结构薄膜观察

扫描电镜显示，亲水区域为柱状结构（高度177 nm），疏水区域为较高柱状结构（273 nm），蛾眼结构成功复制于薄膜表面。

3.2. 雾暴露实验（亲水区域直径≥500 μm）

在亲水区域直径为500 μm和750 μm的薄膜上，水滴均能成功排列，且倒置不脱落（滑动角SA=180°），接触角约120度，表现出粘附疏水性。水滴与薄膜的界面直径比设计值大20%，体积分别为114.2 nl和347.6 nl。

3.3. 雾暴露实验（亲水区域直径≤250 μm）

当亲水区域直径缩小至100 μm时，最小对齐水滴体积为184 pl（对应设计参数D=100 μm, P=250 μm）；而直径75 μm的亲水区域未能实现规则排列。研究表明，亲水区域面积占比（R）和局部分布对水滴行为有显著影响。

3.4. 制备薄膜的润湿性

对于亲水区域直径≤250 μm的薄膜，当水滴体积为5 μl时，部分参数组合（如D=50 μm, P=100 μm）表现出粘附性。分析表明，粘附发生的阈值条件为界面亲水区域总面积约0.04 mm2。

3.5. 薄膜的光学性能

双区域结构薄膜与纯蛾眼结构薄膜均表现出低反射率（~0.7%）和高透光率（~85%），且水滴排列位置可从薄膜背面清晰观察到，证明了其在光学应用中的潜力。

本研究成功制备出一种兼具高透光率与水滴定向排列功能的双区域结构薄膜。通过优化亲水区域尺寸与间距，实现了100–750 μm尺度下水滴的精准操控，并保持了148.4°的高接触角与180°的滑动角。光学性能测试表明，薄膜透光率达~90%，且背面可视性良好，为微滴打印、高通量筛选和光学器件表面设计提供了新技术路径。

当前研究仍面临小尺寸亲水区域水滴对齐稳定性不足的挑战。未来可通过选用表面能对比更强的材料或增加蛾眼结构高度以增强润湿性差异，进一步提升对齐精度与可靠性。该技术有望在生物医学微滴操作、光学传感器和绿色水资源收集等领域发挥重要作用。