1典型生物表面变色隐身及陷光功能结构仿生原理与关键技术研究

（1）主要创新点和学术贡献

系统研究了生物体表结构色和陷光的特性，发现了高海拔地区的典型蝴蝶鳞片的特殊体表形态、分级结构与其结构色和陷光特性的关系，揭示了典型蝴蝶鳞片结构色和陷光功能的特征规律和作用机理，构建了仿生结构色和陷光功能结构的仿生技术模型，加工制造了仿生可见光变色及可见光和紫外吸光材料样品，利用生物模板法工艺制备了精确继承原始蝶翅陷光功能结构的复制品，全面完整地保留了原始蝶翅模板良好的跨尺度结构及多功能特性。

发现了具有陷光功能的蝴蝶鳞片表面分布有微纳尺度的脊和塔状多层物理结构。构建了蝴蝶鳞片凹坑形、脊纹形和栅格形三种表面形态模型，以及塔状多层膜结构和层状多层膜结构两种横截面结构模型。揭示了蝴蝶鳞片干涉光谱强度与膜层厚度、介质折射率成正比，与入射角度成反比的规律，设计出具有高反射性能的单色平行多层膜和具有高吸收性的复合平行多层膜，构建了可调角度的仿生结构和模块型仿生陷光结构，计算了3种结构尺寸4种周期层数的6种仿生多层膜结构的光学性能。运用飞秒激光加工系统和生物模板制造工艺，制备了3种仿蝴蝶鳞片结构色的可变填充介质模型材料样品。如图1所示。

图1 仿生变色陷光功能表面研究方面的创新研究结果

（2）代表性成果

牛士超教授及其团队的生物体表抗反射和变色的研究工作，相关成果分别在Progress in Materials Science、Small 、Applied Physics Letters 、Nanoscal等国际权威期刊发表22篇论文，并且被Small、Nanoscale等期刊被遴选为封面论文发表，如图2所示。

图2 相关研究论文被遴选为相关期刊的封面

2 典型生物表面防雾功能结构仿生原理与关键技术研究

（1）主要创新点和学术贡献

研究了微米尺度蜉蝣稚虫复眼的防雾行为，揭示了其微米尺度复眼结构的防雾机理，建立了四种规则的仿生微结构阵列模型，提出了防雾功能表面仿生分级结构设计原理和光刻修饰一体制造技术，研发了四种整合材料-结构-功能于一体的最优仿生复合涂层材料，具有高透明性、耐磨损性、化学稳定性、隔热等特性，开发了可水下书写的仿生防水纸，另外，该涂层也在医用防护眼罩上做了对比测试，防雾效果良好。

图3 在仿生防雾功能表面结构研究方面的创新研究结果

受蜉蝣复眼微结构阵列的启发，建立了四种规则的仿生微结构阵列模型，得出了表面浸润性与仿生微结构和材料表面能之间的耦合作用规律，结合不同的仿生微结构、形态以及材料，得到了三种浸润性不同、性能优异的耦合仿生防雾表面，如图3所示。开发了具有仿生表面微/纳层级结构的无氟、透明多功能涂层，采用两步喷涂沉积工艺制备了仿生超疏水纸，实现打印纸的水下书写能力，这种仿生疏水纸同时表现出了高透明性、良好的水基拒液性、耐磨损性、化学稳定性、隔热性和水下可书写特性，图4所示。将该图层用于防护服的防护眼罩，防雾性能优异，增加了冠状病毒防疫人员的护目镜的透过率。这种仿生防雾微结构和防雾涂层材料将为新型高效防雾表面的研究提供新的设计思路。

（2）代表性成果

牛士超教授及其团队在生物防雾功能表面结构仿生研究方面的创新工作，相关成果在Advanced Materials、ACS Nano、Small、Nanoscale、ACS Applied Materials & Interfaces 、Advances in Colloidand Interface Science等国际刊物发表SCI检索论文15篇。ESI高被引论文1篇，应邀发表在《Journal of Bionic Engineering》的综述论文引用次数达100多次。申请/授权国家发明专利10余件。

图4 防雾涂层用于水下可书写打印纸以及防护眼罩防雾测试

3 典型生物表面感知功能结构仿生传感原理与关键技术研究

（1）主要创新点和学术贡献

牛士超教授及其团队发现了蝴蝶样本对不同种类和不同浓度的混合气体介质中单一组分的光谱响应特性，搭建了单变量和多变量环境敏感光谱响应测试试验台，揭示蝴蝶鳞片单梯度结构对混合气体的多变量敏感特性机理，设计了仿蝴蝶鳞片单梯度结构的多变量仿生气敏元件，提出基于典型蝴蝶鳞片多变量气敏机理的新型仿生多变量气敏元件的设计原则和制造方法，采用生物模板法等多种制造方法对典型蝶翅优异感知功能表面实现了仿生微纳制造。

测试了4种200余只蝴蝶鳞片表面微结构，设计并搭建了气体敏感性试验装置和模拟喷雾装置，完成了2种液体4种气体敏感性测试，确定了大蓝闪蝶翅膀鳞片对气体的最强敏感性，获得了大蓝闪蝶的结构特征参数，分析了其对乙醇、乙醚、水蒸气、乙醇气体、乙醚气体、二氧化碳气体的敏感特性机理。从光子晶体及衍射光栅等光学理论出发，建立大蓝闪蝶翅膀鳞片的结构模型，采用多层薄膜干涉理论计算分析了其敏感机理，利用理论计算以及Translight光学模拟，获得了模拟结果，通过对比分析生物样本的试验结果，多层薄膜干涉理论计算结果以及模拟结果，揭示了大蓝闪蝶翅膀鳞片对气体的敏感特性。利用单次生物模板法对其进行仿生制造，并对其显微形貌进行了多尺度表征。采用溶胶凝胶和选择性腐蚀相结合的方法，成功地制造出两种仿生复杂感知功能表面，其特征尺寸与生物原型在同一尺度范围，是多尺度复杂微纳结构仿生制造的可行方案。提出了仿生全角度光学自稳定反射传感器的设计方法，以小天使凤蝶绿色翅鳞为原始生物模板，通过对投料比和煅烧温度等工艺参数的调控，实现了对全角度光学自稳定反射传感器的仿生制造，得到具有凹面弧度的凸包结构，增加了仿生传感器的受光面积和反射角度（如图5）。有望为新型仿生光学传感器的设计和研制提供一套可行的方案。

图5 在生物感知功能表面仿生研究方面的创新性研究结果

（2）代表性成果

牛士超教授团队及其团队在生物多功能表面仿生研究方面的工作，相关研究成果在ACS Applied Materials & Interfaces、Nanoscale 、Journal of Materials Chemistry C等国际刊物发表SCI检索论文17篇，研究成果在期刊Nanoscale上以封面论文发表，部分技术作为发明点获得吉林省技术发明一等奖、申请/授权国家发明专利10余件。

应邀于2017年7月28-31日在The 1st International Youth Conference of Bionic Science and Engineering, Lanzhou国际学术会议上做了题为“Design, Manufacture and Properties of the Bionic Light Trapping Functional Surface”的邀请报告并担任了分会场主席，受到与会学者关注。