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  近期，華中科技大學機械學院/智能制造裝備與技術全國重點實驗室黃永安教授團隊在頂級期刊《Science Advances》上發表了題為“通過界面激光剝離策略實現多功能昆蟲翅膜的可擴展制造”的突破性研究。該工作首創了一種簡單、可擴展的界面激光剝離（Lase-and-Peel）技術，成功在超薄聚酰亞胺基底上，實現了形態與功能均與天然昆蟲（蜻蜓）翅膀高度一致的人工翅膜的大規模、高保真制造。

  昆蟲翅膀表面的不規則納米結構集自清潔、高透光與抗菌等多重優異特性于一體，是仿生功能表面的理想原型。然而，現有納米制造技術主要依賴復雜且昂貴的“自上而下”表面加工，對基底平整度與加工深度精度要求極為苛刻，難以在亞微米級超薄柔性基底上實現大規模復制，更無法兼顧“形”（極薄且強韌）與“神”（納米結構及其多功能）的仿生統一。

  針對這一挑戰，研究團隊獨辟蹊徑，將制造思路從“表面”轉向“界面”。他們首先利用激光在聚酰亞胺-玻璃界面誘導納米氣泡進行可控自組裝，形成界面納米結構；繼而通過機械剝離，將界面結構瞬間轉化為表面納米柱陣列。該過程巧妙利用了納米氣泡聚合與機械斷裂的物理機制，極大地簡化了傳統不規則納米柱的制造流程，并天然適用于亞微米級超薄膜的加工。所獲得的人工翅膜厚度不足500納米，其表面納米結構在高深寬比、隨機分布等精細形貌特征上與天然昆蟲翅膀高度一致。

  此項技術具有多方面顯著優勢：

  高保真仿生：首次在超薄耐用基底上，同步復刻了昆蟲翅膀的膜體與納米結構，仿生精度達到了“真假難分”的水平。

  多功能集成：人工翅膜展現出顯著的親水改性、高效抗菌性能、卓越的抗反射能力（使聚酰亞胺薄膜反射率降低約7%）以及良好的機械化學穩定性。

  超薄易集成：超薄特性使其無需粘合劑即可無縫貼附于任意平面或曲面。團隊已成功將其集成于隱形眼鏡，驗證了其在提升光學性能（減少眩光）與增強抗菌能力方面的應用潛力。

  工藝簡單、可擴展：全過程無需潔凈室、真空環境或化學試劑，也無需掩模，可直接利用商用工業激光加工系統進行規模化生產，理論加工效率有望超過100 cm2/s。

圖1 Lase-and-Peel工藝過程及制造能力

  研究團隊對界面發泡空化的演變機理與微觀過程進行了系統探究。采用準分子激光器的平頂光束，使激光誘導反應主要集中于垂直方向。聚酰亞胺（PI）對308 nm紫外激光的強烈吸收，導致界面溫度在幾十納秒內迅速超過其分解閾值。在中等激光能量（如略高于燒蝕閾值的100 mJ/cm2）下，界面極薄層發生分解并產生氣體產物，這些氣體可重塑熔融PI的形態。激光能量過高或過低則分別會引起碳化或不分解，均無法形成所需納米柱。

  隨著累積脈沖數（APN）增加，納米級氣體在熔融聚合物中逐漸積聚，這一獨特現象得益于PI的強紫外吸收、玻璃基底的高效導熱以及封閉的界面環境。該機制既保證了納米尺度的高度局域化加工（與天然結構匹配），又通過逐脈沖的微量氣體積累避免了超薄膜的機械損傷。界面發泡依次經歷成核、生長、團聚等階段，氣泡在極薄平面內排列，隨后經破裂與收縮，最終形成納米柱。（圖2）

圖2 氣體誘導界面發泡的過程機理

  圖3的研究直觀展示了同一區域隨激光脈沖次數增加的光學圖像與表面輪廓演變，并同步測量了界面結合強度的變化。初期輻照后無明顯形變，表明尚未成核；當APN達到20時，區域變暗并出現約50 nm的輕微膨脹，提示高密度納米氣泡開始形成；繼續增加輻照次數，膨脹幅度呈階梯式增長，同時界面結合強度急劇下降，這標志著界面納米柱的逐步形成。后續輻照促使納米柱繼續生長直至自發斷裂，實現界面完全分離。結果表明，納米柱的逐漸形成同步削弱了界面粘附力，從而確保了后續機械剝離的可行性。剝離路徑受發泡程度精確調控：在固定激光能量下，僅在一定APN范圍內才能均勻生成表面納米結構；輻照不足或過度，均可能導致剝離后表面光滑、無納米結構生成。（圖3）。

圖3 路徑選擇界面分離

  研究進一步表明，納米結構的形貌可通過調節激光掃描參數進行精準、靈活的調控。單向掃描可得到各向異性、垂直于掃描方向排列的納米片簇；而交叉掃描則能獲得各向同性、均勻分布的納米柱陣列。這一現象可能與激光誘導周期性表面結構有關，交叉掃描實現了能量分布的均勻化。隨著APN增加，納米結構覆蓋率下降、間距增大，反映了納米氣泡的凝聚過程；同時，納米柱高度隨APN增加而增加，其最大高度由所施加的激光通量調控（圖4）。

圖4 IWNs形態特征調控

  得益于與天然昆蟲翅膀納米結構的高度形似，人造仿生翅膜展現出與之相媲美的多功能特性。在光學性能方面，修飾后的PI膜透射率提升約7%，玻璃透射率提升約3.7%，且在寬入射角范圍內保持穩定，表現出優異的全向減反射特性；在黃-紅光波段，其性能與天然翅膀相當。超薄涂層（<500 nm）可直接應用于透明聚合物薄膜（如無色PI），在幾乎不影響透光度的同時實現高效減反射。在耐久性方面，該結構能承受一定外力而性能不失效；在化學穩定性層面，則具備優異的耐熱性與有機溶劑耐受性。（圖5）。

圖5 多功能表面特性展示

  研究團隊還前瞻性地展示了該技術在混合現實（MR）設備眼動追蹤領域的應用潛力。當前，商用眼動追蹤系統易受隱形眼鏡表面反射光干擾，影響瞳孔檢測精度，且長期佩戴隱形眼鏡存在細菌感染風險。本研究開發的仿生翅膜厚度僅亞微米級，可利用水面張力實現無粘合劑的自適應貼合，甚至能共形附著于曲率半徑小于500 nm的皺褶表面。基于此，團隊成功研制出具備增強光學性能、抗菌與紫外線阻隔功能的仿生隱形眼鏡，為提升眼動追蹤系統的穩定性與佩戴者的健康安全提供了創新解決方案。（圖6）。

圖6 昆蟲翅膜啟發的多功能隱形眼鏡

  該研究不僅為在高性能工程塑料上制造功能性納米結構開辟了一條全新路徑，更提供了一種普適、高效的表面改性新策略。這種超薄、多功能、易貼合的人工仿生翅膜，在柔性顯示、醫療器械與植入物、生物集成光學器件、柔性可貼合電子設備等諸多前沿領域展現出廣闊的應用前景，有力推動了昆蟲翅仿生納米結構制造向更高效、更實用、可共形集成的方向發展。

  華中科技大學機械學院2020屆博士生卞敬、2023級碩士生馬宇行、2020級碩士生凌紅為論文共同第一作者，華中科技大學黃永安教授為通訊作者。研究得到了國家自然科學基金與湖北省中央引導地方發展專項的資助。

  論文鏈接：Jing Bian et al., Scalable manufacturing of multifunctional insect wing membrane via interfacial lase-and-peel strategy. Sci. Adv. 11, eaea6934 (2025).

  https://doi.org/10.1126/sciadv.aea6934