模仿自然：科学家实现蝉翼纳米结构高保真复制并重现其抗菌功能

蝉翼表面精妙的纳米结构赋予其高透明度、超疏水性和抗菌活性，然而，由于蝉翼具有高深宽比、紧密排列的锥形纳米柱，传统制造技术在复制时面临拉普拉斯压力导致的填充不充分难题。尽管纳米压印光刻等技术曾探索施加 10 ⁶– 10 ⁷ Pa 量级的机械压力，但迄今仍未能证明可准确复制蝉翼纳米结构，其脆弱的高深宽比结构易因剪切或屈曲效应而变形，蝉翼纳米结构的精确复制因此成为一项亟待突破的挑战。

针对这一难题，成均馆大学Dae Joon Kang 教授、Sungsu Park 教授合作，提出了一种基于电流体动力学不稳定性图案化（EHIP）的复制方案。研究者利用聚合物薄膜在电场下的失稳行为，在扩展复制模式下快速诱导电流体动力学不稳定性，驱动薄膜流体彻底渗入蝉翼纳米结构，形成忠实的母模与正复制品。所得复制品在厘米级区域内高度均匀，并成功重现了天然蝉翼的抗菌响应，证明了该方法在结构与功能两个层面上的复制能力。相关论文以 "Mirroring Nature: A Method for Replicating Cicada Wing Nanostructures and Their Antibacterial Properties" 为题，发表在ACS Nano 上。

研究选取 Oncotympana fuscata 蝉为模型（图 1a），其翼面锥形纳米柱间距约 180 nm、高度 350 – 450 nm，排列规整，便于定量评估。复制流程分为两步：首先将天然翼膜置于顶部电极，面对底部的水溶性聚合物薄膜，施加电压后薄膜向场强最高的纳米柱生长并填充其周围空间，从而在薄膜上形成密集纳米孔阵列，得到母模（图 1b）；随后以该母模为模板，再次通过扩展复制模式获得正复制品（图 1c）。由于两电极间的静电吸引力可实现模具与薄膜的保形接触，整个过程无需大机械压力。最终，水溶性模具溶解后即可获得无严重结构损伤的翅膀复制品（图 1d）。

图 1. 蝉翼纳米结构复制方案。 ( a ) 蝉（Oncotympanafuscata）及其翼膜的数字照片（左和中）。翼膜表面的 SEM 图像（右）。 ( b ) 在 EHIP 过程的扩展复制模式中，天然翼表面被反向复制，在水溶性薄膜上产生纳米孔阵列。 ( c ) 利用所制母模，通过扩展模式形成蝉翼纳米结构的正复制品。 ( d ) EHIP 过程后，由正复制品和母模组成的组件浸入水中。因此，正翅膀复制品被获得而无结构损伤。

母模制备的关键在于调控结构生长速率 1/ τ m。增大该值可加速 EHD 驱动结构的时空演化，使薄膜迅速接触蝉翼纳米柱并触发扩展复制模式（图 2a）。实验显示，随着 τ ₀ / τ m 从 1 增至 6.60，纳米孔结构面积在横向扩大（图 2b），孔深近 400 nm，与蝉翼纳米柱高度一致，锥形特征被精确复制（图 2c）；浸水后水溶性模具即可去除（图 2d）。

图 2. 通过高速扩展复制模式制备水溶性母模。 ( a ) 反向复制天然蝉翼纳米结构的示意图。通过面内和面外生长，获得均匀的大规模模具结构。 ( b ) 随着 τ ₀ / τ m 值从 1 增至 6.60，紧密排列的纳米孔结构面积在横向维度上扩大。 ( c ) 纳米孔特征与蝉翼的锥形纳米结构一致。如每个孔特征上两个蓝圈所标记，锥形形状被精确复制。此外，近 400 nm 的孔深度与蝉翼纳米柱高度一致。 ( d ) 所制模具浸入水中后，模具结构（黑色区域）被去除。

然而，复制过程中存在两种 EHD 不稳定性：除空气 - 薄膜界面外，模具与薄膜接触还会诱发薄膜 - 薄膜界面失稳（图 3a），导致纳米柱之间出现数十纳米的不良特征，并造成模具变形（图 3c）。研究者在母模表面沉积 10 nm 厚 Pt 层，该层局限于模具结构化区域且与两电极电隔离，作为浮动导体而非偏置电极，在维持腔内 EHD 驱动力的同时有效抑制了薄膜 - 薄膜不稳定性（图 3b）。结果表明，未涂 Pt 时模具与复制品质量显著退化，而涂覆后纳米孔与纳米柱特征均清晰保持，无额外杂散结构（图 3d）。这一策略被证明是高保真 EHD 纳米复制的通用方法。

图 3. 通过降低模具 - 薄膜界面处特征生长速率选择性控制 EHD 不稳定性。 ( a ) 复制方案中两种 EHD 不稳定性的示意图。由于模具与薄膜接触，电场使薄膜（模具）- 薄膜界面以及空气 - 薄膜界面均失稳。 ( b ) 薄膜 - 薄膜界面处特征生长速率（1/ τ mf-f）随粘度比（R）和厚度比（S）的变化关系图，分别在 S = 1 和 R = 1 时。随着 R 和 S 从 0 增至 100，1/ τ mf-f 逐渐趋近于零。 ( c ) 未涂覆薄金属层（10 nm 厚 Pt 层）时，模具结构在 EHIP 过程后发生不良变形（左）。在正复制品表面，纳米柱之间观察到微小特征（中和右），这些特征源于薄膜 - 薄膜界面处的 EHD 不稳定性。 ( d ) 相比之下，通过模具表面的 Pt 涂层，模具（左）和正复制品（中和右）的质量得到显著保持。

复制品的质量取决于面内与面外两种生长模式的协同控制。面内生长决定复制面积与均匀性（图 4a）：降低薄膜粘度以提高 τ ₀ / τ m，可使复制区域从 1 – 4 μ m 的孤立岛状结构扩展至连续薄膜（图 4b）；当 τ ₀ / τ m 达到 19.45 时，特征被均匀复制而无未图案化区域，原始翼膜面积（2 × 12 mm ²）可被完整复制；τ ₀ / τ m > 25 时，复制面积近 1 × 1 cm ²，在厘米尺度上保持优异的纳米级均匀性（图 4d），其锥形形貌与天然蝉翼高度吻合（图 4c）。面外生长则决定纳米柱的深宽比（图 5a）：场强不足时仅部分形成极低深宽比（< 0.3）的柱孔混合结构，随着 Ep/E ₀从 154.39 增至 472.82，柱高增至 380 – 500 nm，深宽比达 3.17 – 4.17，锥形形貌与天然蝉翼在高度和形状上完全一致（图 5b、图 5c）。原子力显微镜统计显示，天然翼与复制品的平均纳米柱高度分别为 401 ± 5 nm 和 396 ± 4 nm，无统计学显著差异（图 5d）；基底直径、尖端直径、间距、锥度和深宽比等六项结构参数的偏差均低于 2.5%，高度分布也高度吻合（图 5e），证实了复制过程的高保真度。

图 4. 蝉翼纳米结构的高速面内复制。 ( a ) 正翅膀复制品面内生长的示意图。 ( b ) 随着薄膜粘度降低（η ₀ / η = 1 – 13.22）以增加 EHD 驱动结构的特征生长速率（τ ₀ / τ m = 1.38 – 19.45），复制面积在横向扩展。 ( c ) 比较高分辨率 SEM 图像以对比翅膀复制品（4）（τ ₀ / τ m = 19.45）与原始翼表面。两张 SEM 图像代表原始翼表面和复制品表面的不同但具代表性的区域。 ( d ) 在 τ ₀ / τ m > 20 时获得的翅膀复制品表面的照片（左）、光学显微照片（中）和 SEM 图像（右）。为可视化，复制表面在复制过程完成后涂覆了 10 nm Pt 层。复制区域（近 1 × 1 cm ²）具有均匀分布的特征，由光吸收产生的黑色区域确认。

图 5. 蝉翼纳米结构的高速面外复制。 ( a ) 不同场强（Ep/E ₀ = 154.39 – 472.82）下的截面形貌。增加场强促进面外生长和母模腔的完全填充。样品倾斜 45 ° 进行 SEM 观察，除 ( 1 ) 外。 ( b ) τ ₀ / τ m、Ep/E ₀与所得形貌之间的关系。蓝色区域表示按复制品深宽比分类的适宜条件（< 1.3、1.3 – 2.5 和 2.5 – 4.17），橙色区域表示不适宜条件。蓝色和黑色空心圆圈分别表示实验 ( a ) 和模拟 ( c ) 结果。 ( c ) 模拟表面形貌（5）（8）显示复制品深宽比的场依赖性；色标表示薄膜高度。 ( d ) 天然蝉翼和正翅膀复制品（4）的 AFM 图像。 ( e ) 原始翼和正翅膀复制品的纳米柱高度分布。误差棒表示标准差。

结构的高保真复制也带来了功能的忠实重现。复制品表现出显著降低的反射率和超疏水接触角，更重要的是，其抗菌活性与天然蝉翼一致。以革兰氏阴性菌 Escherichia coli 为对象，活死染色显示：孵育 20 分钟时出现死细胞，60 分钟时活死混合，90 分钟时绝大多数细菌被染成红色（图 6a）。定量分析表明，复制品表面细菌活力从 0 分钟的 95.4% 降至 90 分钟的 14.4%，而对照平坦 PS 薄膜仍保持 90.8%（图 6b、图 6c）。菌落形成单位测试中，复制品的 CFU 值与原始蝉翼密切匹配；SEM 观察进一步显示细菌细胞在纳米柱接触区域发生局部包膜变形，与物理性机械杀菌机制一致（图 6d）。重复暴露 - 洗涤循环后，抗菌响应依然稳定。

图 6. 蝉翼复制表面的抗菌活性。 ( a ) 在 Ep/E ₀ = 472.82（τ ₀ / τ m = 24.58）制备的 PS 翅膀复制品上革兰氏阴性菌（Escherichia coli）的时间推移荧光显微图像。对于活死染色，细菌用荧光试剂染色（绿色：活细胞，红色：死细胞）。 ( b ) 不同孵育时间（0 – 90 分钟）下对照（PS 薄膜）和 PS 翅膀复制品表面上活细菌细胞的百分比。误差棒表示每个活细胞值的标准差。 ( c ) 90 分钟内，大多数细菌在对照表面（右）保持活力。 ( d ) SEM 图像显示在纳米柱接触区域观察到局部细菌包膜变形。样品在 SEM 分析期间倾斜 45 ° 角。

该研究通过 EHIP 过程的高速扩展复制模式，在厘米级区域实现了蝉翼纳米结构及其抗菌功能的高保真复制。与传统方法依赖大机械压力不同，EHIP 利用 EHD 力驱动薄膜流体，简化了工艺并降低了对复杂设备的依赖；从柔性生物表面成功复制也展示了其在柔性材料大面积图案化方面的潜力。研究者指出，未来需进一步改进工艺放大与批次一致性，并评估对更不规则、多尺度生物结构的复制能力。这项成果为抗菌、防水和抗反射表面的制备提供了新思路，也拓展了自然启发功能表面在材料科学与生物医学领域的应用前景。