仿生产品不断涌现，纳米技术成为助推剂 - 功能材料 - 设计与制备

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11楼2012-05-31 17:25:58

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yexuqing

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飞蛾与防反射膜：模仿不反光蛾眼中的微细凹凸，利用自组织化制造压辊模具

　【日经BP社报道】三菱丽阳最近开始全面销售防反射膜“蛾眼薄膜”。以往防反射膜的光透射率只有92％，而蛾眼薄膜则达到了99％以上。除可用作显示器等的防反射膜之外，贴到太阳能电池面板上时，还有望减少太阳光的反射光，提高转换效率。

　　蛾眼薄膜在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜表面用光硬化性树脂（光聚合物）规则地形成高约200nm、底面直径约100nm的微小圆锥状突起。由于构造与飞蛾的眼睛相似，因此称为蛾眼（图1）。

图1：蛾眼薄膜的效果
（a）为有无蛾眼的样品比较。左侧样品有周围光的反射，而有蛾眼的右侧样品则几乎没有反射。（b ）为蛾眼薄膜表面的电子显微镜照片。排列有小的突起。

突起使光学界面模糊

　　一般说来，动物的眼睛都容易反射光。猫的眼睛之所以会在黑暗环境中发光，就是因为光聚集在眼底反射了出去。但飞蛾的眼睛不同，它是由数十μm左右的微细六角形构成的集合体，而且这些六角形的表面还带有直径为100n～200nm左右的微细凹凸，因此不易反射光＊1。夜行性的飞蛾拥有这种“无反射”特点的原因一是为了防止眼底的反射使天敌及猎物发现自己，二是为了高效聚集夜晚中较少的光线。

＊1 1980年代的研究查明了这一功能和基本原理。

　　反射被抑制的秘密就隐藏在上述圆锥构造中。光的反射通常发生在折射率不同的物质之间的界面上，而如果像蛾眼这样竖有圆锥状聚合物，就会像梯度材料一样，在其高度中，空气与光聚合物的比例会逐渐变化。也就是说，不存在光学界面，所以不会发生反射（图2）＊2。

＊2 研究表明，从理论上说，用光的波长除以折射率得到的值大于凹凸的间距时就会形成无反射效果。

图2：蛾眼模具的形成
实施阳极氧化处理时，随着自组织化，铝表面就会出现中央带细孔的6角形晶胞的排列，从而形成氧化皮膜（a）。通过反复利用阳极氧化和蚀刻实施扩大孔径的处理，便可形成接近圆锥形状的孔（b）。

自然形成的精细图案

随着蛾眼构造及其特性被查明，有大量企业及研究人员展开了将蛾眼构造应用于工业产品的技术开发＊3。其课题在于如何实现工业性量产。

＊3 其实，三菱丽阳并非一开始就想到要制造蛾眼薄膜，而是在考虑投放低反射膜，打算将其作为主力商品即棱镜膜的新一代主力商品的过程中，蛾眼薄膜才逐渐浮出水面的。

　　蛾眼薄膜只要准备具有微细凹凸构造的模具，并使用向树脂薄膜等转印的纳米压印技术即可制造。不过，要想形成nm级的微细凹凸构造，必须利用电子束来加工。这样一来，不但需要很长时间，而且仅数mm见方的模具，其价格也要高达数百万日元，因此很难以工业方式实现。另外，在曲面上加工时也有很大难度＊4。

＊4　尽管还有研究通过利用蓝色激光的干渉曝光法来成型，但凹凸的间距只能减小至300n～350nm左右，无法充分抑制反射。

　　为了解决这些课题，三菱丽阳研究企划推进部研究员鱼津吉弘将目光放在了被称为自组织化的仿生技术上。自组织化是指雪的结晶生长及心脏的跳动等有序的规则几何学形状或机理自然形成的现象。

　　鱼津从一开始就打算开发能够对宽1m左右的薄膜实施量产的大型压辊模具。“要想低成本地雕出图案，就必须利用自组织化现象”（鱼津）。其实，鱼津过去曾开发过一种叫做“水蒸汽铸造法”的自组织化技术，这种技术可形成具有蜂窝微细构造的薄膜。因此，他平时总是在考虑自组织化技术能够应用之处。

利用已有技术

鱼津与神奈川科学技术研究院教授益田秀树等共同开发了利用经阳极氧化而成的铝纳米孔阵列来制造模具的技术。铝纳米孔阵列是指向浸在稀硝酸及草酸等电解液中的铝（阳极）和碳棒（阴极）流过电流时铝表面上形成的氧化皮膜。该皮膜是一层由6角形的氧化铝（Alumina）晶胞排列而成的薄膜，各晶胞的中央有细孔（纳米孔）（图2）。晶胞的大小可通过改变电压等手段控制在20n～200nm之间。

　　阳极氧化之前曾广泛应用于铝门窗框的表面硬化处理等用途。不过，形成的细孔当时并未引起重视。而益田等开发的方法，其特点就在于将这些细孔用作了铸造模具。

　　阳极氧化所形成的细孔如不加干预的话，只会形成长孔。因此，通过蚀刻扩大了这些细孔。然后再经过阳极氧化处理使孔的尖端析出拌有细孔的氧化铝。通过反复实施这一操作，便可形成圆锥状的孔，成为制造蛾眼薄膜的压辊模具（图3）。

图3：蛾眼薄膜使用的模具
（a）为压辊模具。模具表面排列着经阳极氧化形成的圆锥状的孔（b）。

允许存在些许不完善之处

　　作为自然现象的自组织化无需高温及高压等特殊条件，因此是一种高效、节能的制造技术。

　　不过，利用自组织化的构造来成型，其规则性多少会存在不完善之处。不过，即便存在些许不完善的部分，动植物拥有的微细构造也会充分发挥功能。蛾眼薄膜也是如此，虽然构造上还存在不完善之处，比如局部突起排列不齐等，但对整体特性几乎没有影响。可以说，正是对大自然创造的自组织化加以工业化利用，才获得了不反光的蛾眼薄膜。

■日文原文：光らない目を実現する微細な凹凸,ロール金型の製造に自己組織化利用

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