一种兼具结构色与超疏水功能的微纳复合结构

1.本发明涉及表面改性领域，特别涉及一种兼具结构色与超疏水功能的微纳复合结构。本发明能够使材料表面同时具有可调控的结构色和超疏水特性，在纳米光学、防伪标志、表面自清洁、防结冰等方面具有较大的应用前景。背景技术：2.在材料表面仿照生物表面微结构进行加工，可以使材料表面具有超亲水、超疏水、自清洁、结构色、结构减阻等特性，这极大地增加了材料的工程应用。但目前的微结构大多只能实现单一的功能性，无法满足对材料功能多样性的要求。中国科学技术大学的wu等人设计了一种具有结构色且可以调控润湿性的微结构，实现了表面的功能多样化，但其可实现最大接触角为113°，无法实现超疏水(文献nanoscale,2019,11,4803–4810)。目前单一微结构实现材料表面功能多样化较为困难，而可预见的微纳复合结构比单一微纳结构具有更多的表面功能特性。为此，探索微纳复合结构实现材料表面功能多样化，对于丰富材料表面的功能与应用具有重要意义。技术实现要素：3.本发明的目的在于提供一种兼具结构色与超疏水功能的微纳复合结构，解决了现有技术存在的上述问题。本发明实现了表面微结构由单一功能化向多功能化的转变，同时其结构色和疏水性的功能易于调控。4.本发明的上述目的通过以下技术方案实现：5.一种兼具结构色与超疏水功能的微纳复合结构，其特征在于：该种微纳复合结构由微米尺度的v型沟槽结构与分布在v型沟槽表面的周期纳米栅状结构构成，其同时具有表面结构色与超疏水性，且结构色和疏水性可以通过改变微纳复合结构的尺寸进行调控，具体包括以下步骤：6.步骤一、确定射入表面光线的入射角α、观测角β和所需的结构色；7.步骤二、根据公式1计算所需周期纳米栅状结构的周期，得到所需的结构色；8.步骤三、设计微米尺度的v型沟槽结构的宽度、间距和开角，使其表面具有疏水性；9.mλ＝d(sinα+sinβ) (1)10.式中，m为衍射级数(取第1级)，λ为衍射光的波长，d为光栅的周期，α为光线的入射角，β为观测角。11.步骤二中所述周期纳米栅状结构用来调控表面的光学特性，通过改变其周期可以使表面获得不同的结构色，其周期与可见光波长相当，在400nm-1500nm之间，其高度在10nm-1000nm之间。12.步骤三中所述的微米尺度的v型沟槽结构用来调控表面的疏水性，通过改变v型沟槽结构的宽度、间距和开角来实现表面的超疏水，其宽度范围为10μm-100μm，其间距为宽度的1-2倍，其开角范围为20°‑160°。13.本发明的有益效果在于：本发明设计的微纳复合结构同时具有结构色和超疏水的特性，实现了材料表面的多功能性，且结构色和疏水性可以通过改变微纳复合结构尺寸进行调节，在纳米光学、防伪标志、表面自清洁、防结冰等方面具有较大的应用前景。附图说明14.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。15.图1为本发明的微纳复合结构及其功能性的示意图；16.图2为本发明的应用实例加工图案；17.图3为不同颜色光线对应波长；18.图4为本发明的微纳复合结构的光学显微形貌。19.图5为本发明的微纳复合结构的接触角示意图。具体实施方式20.下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。21.参见图1至图5所示，一种兼具结构色与超疏水功能的微纳复合结构，其特征在于：该种微纳复合结构由微米尺度的v型沟槽结构与分布在v型沟槽表面的周期纳米栅状结构构成，其同时具有表面结构色与超疏水性，且结构色和疏水性可以通过改变微纳复合结构的尺寸进行调控，具体包括以下步骤：22.步骤一、确定射入表面光线的入射角α、观测角β和所需的结构色；23.步骤二、根据公式1计算所需周期纳米栅状结构的周期，得到所需的结构色；24.步骤三、设计微米尺度的v型沟槽结构的宽度、间距和开角，使其表面具有疏水性；25.mλ＝d(sinα+sinβ) (1)26.式中，m为衍射级数(取第1级)，λ为衍射光的波长，d为光栅的周期，α为光线的入射角，β为观测角。27.进一步地，步骤二中所述周期纳米栅状结构用来调控表面的光学特性，通过改变其周期可以使表面获得不同的结构色，其周期与可见光波长相当，在400nm-1500nm之间，其高度在10nm-1000nm之间。28.进一步地，步骤三中所述的微米尺度的v型沟槽结构用来调控表面的疏水性，通过改变v型沟槽结构的宽度、间距和开角来实现表面的超疏水，其宽度范围为10μm-100μm，其间距为宽度的1-2倍，其开角范围为20°‑160°。29.实施例：30.利用本发明提出的方法在1050铝合金表面验证复合结构对表面结构色和润湿性的调控，结合以下实施例进一步对比说明本发明的实施过程和有益效果。31.此处设计如图2所示的“jlu”图案，其中存在蓝色、绿色、红色和紫色的结构色，试验中光线的入射角为90°，观测角度为65°，对照图3所示的不同颜色对应的波长，再通过公式1计算得蓝色区域所对应的光栅周期为500nm，绿色区域所对应的光栅周期为600nm，红色区域所对应的光栅周期为800nm，紫色区域所对应的光栅周期为420nm，设计v型微沟槽的宽度为70微米(存在加工误差)，间距为100微米，开角为145°。通过加工得到微纳复合结构，其中绿色区域的光学显微形貌如图4所示。进一步测量微纳复合结构的润湿性，结果如图5所示，在沿v型沟槽方向接触角由原始表面的85.8°提升至151.7°，实现超疏水。32.从实例结果可以看出，一种兼具结构色与超疏水功能的微纳复合结构，能够使材料表面同时具有易于调控的结构色和超疏水特性。且该种微纳复合结构具有加工简单、尺寸易于调节，可进行大面积加工等优点。33.以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。技术特征：1.一种兼具结构色与超疏水功能的微纳复合结构，其特征在于：该种微纳复合结构由微米尺度的v型沟槽结构与分布在v型沟槽表面的周期纳米栅状结构构成，其同时具有表面结构色与超疏水性，且结构色和疏水性可以通过改变微纳复合结构的尺寸进行调控，具体包括以下步骤：步骤一、确定射入表面光线的入射角α、观测角β和所需的结构色；步骤二、根据公式1计算所需周期纳米栅状结构的周期，得到所需的结构色；步骤三、设计微米尺度的v型沟槽结构的宽度、间距和开角，使其表面具有疏水性；mλ＝d(sinα+sinβ)ꢀꢀꢀꢀ(1)式中，m为衍射级数(取第1级)，λ为衍射光的波长，d为光栅的周期，α为光线的入射角，β为观测角。2.根据权利要求1所述的一种兼具结构色与超疏水功能的微纳复合结构，其特征在于：所述周期纳米栅状结构用来调控表面的光学特性，通过改变其周期可以使表面获得不同的结构色，其周期与可见光波长相当，在400nm-1500nm之间，其高度在10nm-1000nm之间。3.根据权利要求1所述的一种兼具结构色与超疏水功能的微纳复合结构，其特征在于：所述的微米尺度的v型沟槽结构用来调控表面的疏水性，通过改变v型沟槽结构的宽度、间距和开角来实现表面的超疏水，其宽度范围为10μm-100μm，其间距为宽度的1-2倍，其开角范围为20°‑160°。技术总结本发明涉及一种兼具结构色与超疏水功能的微纳复合结构，属于表面改性领域。本发明提出了一种由微米尺度的V型沟槽结构与分布在V型沟槽表面的周期纳米栅状结构构成的微纳复合结构，该种微纳复合结构同时具有结构色与超疏水两种表面特性。在微纳复合结构中，可以通过调节周期纳米栅状结构的周期来调控表面结构色，使表面产生所需的结构色；通过调节V型沟槽的宽度、间距和开角来调控表面疏水性，可使表面具有超疏水的特性。本发明中的微纳复合结构使表面同时具有结构色与超疏水两种特性，且两种特性可以通过改变微纳复合结构尺寸进行调节，其在纳米光学、防伪标志、表面自清洁、防结冰等方面具有较大的应用前景。结冰等方面具有较大的应用前景。结冰等方面具有较大的应用前景。技术研发人员：黄虎 吴浩翔 赵宏伟 魏大禹 张洪洋 王超受保护的技术使用者：吉林大学技术研发日：2022.05.13技术公布日：2022/8/5