“高SA/V比的納米/微結構材料在能源、醫(yī)療、微流體、光學和環(huán)境科學等多個領域具有廣泛的應用前景，例如在能源存儲方面，高SA/V比的結構能夠促進快速離子傳輸，從而實現超高功率密度，顯著提升電池等儲能設備的性能。例如，在鋰離子電池中，這種結構可以加快鋰離子的擴散速度，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，在光學應用中，高SA/V比的納米/微結構可以顯著增強材料的光學性能。例如，通過設計具有抗反射和光捕獲特性的表面結構，可以減少光學器件的反射損失，提高光的透過率和吸收率。”

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

隨著科技的進步，人工納米/微結構因其在柔性電子、微流體和組織工程等領域的潛在應用而受到廣泛關注。高SA/V比的幾何結構能夠促進快速離子傳輸和超高功率密度，進而提升設備性能。然而，設計和制造具有所需功能的高SA/V比結構仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。本研究的靈感來源于自然界中的多種生物結構，如蓮葉和蟬翼等，這些結構通常具有高度的分層性和復雜的幾何形狀，能夠實現超疏水性和抗反射等功能。研究團隊提出了一種三層分層結構設計，結合數學建模，探討SA/V比、表面結構幾何形狀、功能性和可制造性之間的復雜關系。

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

盡管TPP技術在制造復雜結構方面具有優(yōu)勢，但在實際應用中仍然存在一些痛點。首先，制造過程中可能出現幾何誤差，導致打印的結構與設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，影響了表面質量和幾何精度。其次，現有的制造方法通常需要多步驟和多平臺的操作，導致成本高昂且時間消耗大。此外，大多數方法只能制造二維半結構，而無法實現真正的三維結構，這限制了其在某些應用中的有效性。

通過對三層分層結構的設計與制造，研究團隊成功地實現了具有不同SA/V比和層次水平的表面結構。實驗結果表明，所制造的表面在潤濕性和抗反射性方面表現出顯著的改進。例如，研究發(fā)現，通過調整設計參數，可以將自然親水表面轉變?yōu)榻醭杷谋砻妗４送猓岢龅姆謱咏Y構能夠顯著降低光反射，反射率降低超過80%。這些成果表明，所提出的分層結構在微流體、光學、能源和界面等領域具有廣泛的應用潛力。

本研究的成果為未來的多種應用提供了廣闊的前景，包括微流體、光學、能源和界面等領域。研究團隊認為，盡管TPP技術在材料選擇上受到限制，但通過開發(fā)功能復合材料作為TPP的原料，可以實現更廣泛的功能性和優(yōu)越的機械性能。未來的研究可以進一步擴展到多材料分層結構的設計，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應用需求。此外，研究團隊還計劃探索如何通過保護涂層等方法提高納米/微結構表面的耐用性，以應對惡劣環(huán)境下的應用挑戰(zhàn)。

其團隊的研究為分層納米/微結構表面的設計與制造提供了新的思路和方法。通過結合自然界的啟示與先進的制造技術，研究不僅解決了高SA/V比結構的設計與制造難題，還為未來的多種應用奠定了基礎。隨著技術的不斷進步和材料科學的發(fā)展，分層結構的應用前景將更加廣闊，推動相關領域的創(chuàng)新與發(fā)展。