摘要:

研究论文 ● 开放获取阅读更多1. 文章导读

自然界中丰富的褶皱结构为材料科学提供了无尽灵感，然而如何在微纳尺度上精确、灵活地制备三维（3D）纳米褶皱结构仍是一大挑战。近期，中国科学院理化技术研究所郑美玲研究员团队提出了一种结合图灵自组织机制与飞秒激光直写技术的新方法，成功实现了水凝胶基3D仿生纳米褶皱结构的高精度制造，并应用于高灵敏分子检测。研究成果以“3D Turing nanowrinkles via anisotropic photopolymerization”为题发表在工程/制造学科领域第一的TOP期刊《极端制造（英文）》上。

2. 图文解析

本研究首次将反应-扩散系统的图灵自组织机制与飞秒激光各向异性光聚合相结合，实现了对纳米褶皱周期、方向和振幅的精确调控。通过调控激光偏振方向，可分别制备出图灵线状和图灵柱状两种3D纳米褶皱结构（图1）。

图1 飞秒激光诱导各向异性光聚合形成图灵线/柱状纳米褶皱结构。

作者进一步提出了纳米褶皱参数（Wr）理论模型，通过实验数据推出褶皱形成的临界条件公式，为可控制备提供了理论依据。该方法普适性好，适用于透明质酸（MeHA）、壳聚糖衍生物等多种离子型单体。在应用方面，团队成功制备了仿蝉翼、仿蛾眼、仿小肠绒毛等多级微纳结构（图2），并构建了SERS检测基底，实现了对罗丹明6G（R6G）的10⁻⁹ M超痕量检测，在生物传感和环境监测中的展现出巨大潜力。

图2 各向异性光聚合制备图灵褶皱图案化与仿生多级微纳结构。

3. 总结与展望本研究提出了一种基于飞秒激光与图灵自组织相结合的新型微纳制造策略，实现了高分辨率、可设计性强、材料适应性广的3D纳米褶皱结构制备。未来，该技术有望在仿生功能表面、组织工程、细胞行为调控、高灵敏传感等领域发挥重要作用。团队将继续探索更多材料体系与结构设计，推动该技术向更复杂、功能化的3D微纳器件发展。

4. 团队简介

中国科学院理化技术研究所有机纳米光子学课题组主要以化学、材料、光学、物理等学科为基础，重点开展有机光功能材料、激光微纳加工技术、功能结构与器件制备及应用等方面的研究。现有固定人员3名，含正高级1名，副高级2名，10余名在读研究生。已建成材料合成实验室和含千级超净间的光学实验室，拥有世界先进水平的飞秒激光器及放大级、纳秒激光器、连续激光器、飞秒激光双光子微纳结构加工平台、激光共聚焦显微镜、激光拉曼显微镜、傅里叶红外光谱仪等材料与结构加工与表征平台。承担国家科技部、基金委、中科院、北京市等多项重大项目，取得了一系列具有国际领先水平的成果，已在Nat. Commun.、Nano Lett.、Adv. Funct. Mater.、Chem. Soc. Rev.、Int. J. Extreme Manuf.等国内外期刊发表130多篇论文，并获20多项授权专利。