上海交大姜学松团队ACS Nano：纳米压印技术实现动态微纳结构光学调控新突破

摘要：近年来，基于图案化表面的光学器件（如衍射光栅、光波导和分束器）在近眼显示和光学系统中发挥着关键作用。这些器件通过对光线的精确调控，推动了虚拟现实、增强现实、智能显示等领域的快速发展。然而，尽管现代纳米加工技术已能够制备高度有序的功能性纳米结构，如何实现这些结构

近年来，基于图案化表面的光学器件（如衍射光栅、光波导和分束器）在近眼显示和光学系统中发挥着关键作用。这些器件通过对光线的精确调控，推动了虚拟现实、增强现实、智能显示等领域的快速发展。然而，尽管现代纳米加工技术已能够制备高度有序的功能性纳米结构，如何实现这些结构的大规模、协调的动态重构，仍是一个亟待解决的挑战。尤其通过自上而下方法（如光刻和压印）制备的器件往往缺乏动态调节能力，限制了其在实时可调光学系统中的应用。

针对这一难题，上海交通大学姜学松研究员、李瑾助理研究员课题组开发了一种新型动态微纳光学平台，该平台通过将分层微米级皱纹结构与有序纳米阵列相结合，实现了对光衍射和反射特性的实时原位调控。该平台采用自上而下的热纳米压印与自下而上的光诱导自皱纹过程相结合的策略，基于一种掺杂石墨烯的光敏离子聚合物（MHan@G），利用其阳离子-π相互作用和光热响应特性，在近红外光照射下引发微皱纹结构的动态重构，从而实现对光学性能的非破坏性调控。相关论文以“Nanoimprinting Pattern on Responsive Microwrinkles for Dynamic Optical Diffraction and Reflection”为题，发表在ACS Nano上，论文第一作者为Xu Ruoyu。

研究中，图1展示了该平台的制备策略与光响应行为。通过紫外光诱导梯度交联，在MHan@G薄膜表面形成有序的微米级皱纹结构，并在其上方通过纳米压印技术制备出纳米阵列。在近红外光照射下，石墨烯的光热效应使得微皱纹暂时消失，纳米阵列主导的光衍射模式得以显现，从而实现从多级衍射向单级衍射的可逆切换。该过程还展示了基于结构色的图案写录与隐藏功能，为动态光学加密和显示提供了新途径。

图1. 通过结合自上而下与自下而上方法制备微纳分层表面图案的策略。（A）制备流程示意图。（B）MHan分子结构及蒽基团的紫外诱导二聚过程。（C）近红外照射下薄膜表面结构与光学性质的变化。（i）激光共聚焦显微镜图像显示近红外下皱纹形态变化（比例尺：30 μm）。（ii）扫描电子显微镜图像显示近红外照射前后乳突阵列的变化（比例尺：8 μm）。（iii）表面微结构在近红外下引起的衍射图样变化。（iv）基于结构色变化的图案写录与隐藏效果。

图2系统研究了梯度光交联诱导的自皱纹生长机制。随着紫外曝光时间延长，皱纹的波长和振幅逐渐增大并在20分钟后趋于稳定。石墨烯的引入显著增强了光吸收的梯度分布，从而在材料内部形成明显的模量梯度，这是皱纹形成的关键。通过光掩模的空间调控，研究人员成功制备出条纹、方格、圆点等多种有序微米图案，展示了该方法在图案化表面的广泛应用潜力。

图2. 梯度光交联诱导的自下而上自皱纹生长。（A）不同紫外曝光时间后MHan@G的激光共聚焦图像（比例尺：500 μm）。（B）皱纹特征振幅和波长与曝光时间的关系。（C）不同厚度MHan@G薄膜的紫外-可见透射光谱。（D）含石墨烯样品与对照组在紫外照射后的模量分布（比例尺：1 μm）。（E）沿深度方向的模量统计结果。（F）利用紫外梯度交联与光化学边界效应制备的微米级有序图案。

图3展示了通过结合自上而下纳米压印与自下而上自皱纹过程所制备的分层结构。扫描电子显微镜和原子力显微镜图像显示，纳米压印制备的阵列结构高度有序，与模板结构高度一致。在引入皱纹结构后，微纳两级结构能够协调变形，保持结构完整性，实现了从70纳米至3微米不同尺寸纳米阵列与微米皱纹的成功集成。

图3. 通过整合自上而下与自下而上方法制备的分层结构。（A）纳米压印模板表面结构，（B）压印图案的表面形貌（SEM比例尺：1.5 μm，AFM比例尺：1 μm）。（C）兼具线性皱纹与纳米阵列的MHan@G的激光共聚焦图像（比例尺：100 μm）。（D）对应区域的三维高度统计结果。（E）多种微米图案与纳米阵列的集成效果。

图4进一步揭示了材料动态响应背后的分子机制。通过核磁共振和变温红外光谱分析，研究人员证实了阳离子-π相互作用和氢键网络在温度升高时的解离行为，这是材料发生显著热膨胀和皱纹消失的原因。二维相关光谱分析表明，阳离子-π相互作用最先响应温度变化，随后是氢键的重排。石墨烯的引入使得材料具备近红外光热转换能力，实现了非接触、可逆的动态调控。

图4. 微纳分层平台的动态运动能力。（A）模型化合物M1的分子结构。（B）不同浓度下M1的核磁共振氢谱。（C）MHan@G薄膜的变温傅里叶变换红外光谱。（D）温度扰动下的二维红外相关光谱。（E）近红外照射下表面形貌的变化与恢复。

图5研究了该分层平台的光学调制行为。不同类型的微纳结构分别诱导出Ⅰ型（皱纹主导）和Ⅱ型（纳米阵列主导）衍射图案，而二者的耦合则产生了多级衍射效应。在近红外光调控下，Ⅰ型衍射随皱纹消失而减弱，Ⅱ型衍射保持不变，实现了衍射模式的可逆切换。此外，通过双模板策略调控皱纹的空间分布和取向，研究人员还实现了结构色的动态显示与隐藏，模仿了自然界中变色龙的自适应行为，为光学伪装和信息加密提供了新思路。