大规模微纳复合结构的制造与应用研究取得新进展
微纳复合结构是自然界非常重要的功能结构(如荷叶的超疏水、蜘蛛的强吸附等等)，也是超级电容等能量存储与采集器的核心结构;但如何低成本大规模可重复性地制造微纳复合结构是国际公认的难题。
针对这一挑战，北京大学信息科学技术学院张海霞教授课题组开展了大量研究(http://www.ime.pku.edu.cn /Alice)。通过机理探索、理论分析和实验验证，得到了一种低成本可重复大面积制备微纳复合结构的方法，无需纳米掩膜即可直接在微米结构上集成得到均匀的纳米结构从而形成三维微纳复合结构;结合柔性薄膜材料优异的图形转移技术，可得到具有表面功能可调控的多种复合薄膜材料(Langmuir，DOI:10.1021/la4063745，2013;Applied Physics Letters，2012, 033249APL;MEMS2013，p 331-334)。为量化分析和表征复杂的微纳复合结构，课题组研发了基于SEM成像原理的三维重建技术，能够从单张SEM照片重建出立体的纳米结构，可直接获得高度、宽度、密度、表面粗糙度等数据。2013年与国际知名软件公司Intellisense合作，共同推出了国际上第一款商用三维纳米结构重建软件工具NanoViewer1.0(Transducers2013，p2700-2703)。
基于上述制造方法，课题组不仅得到了可控的超疏水和超亲水特性、自清洁的特殊表面以及具有灵敏度增强和拉曼增强效果的微流道等，还将这些微纳复合结构用在高性能微型能量采集器的研发中。通过在PDMS薄膜表面制备微米纳米复合结构，利用三明治和层叠结构提高有效摩擦面积，从而增强电荷密度，研发了输出功率密度很高的纳米摩擦发电机(Nano Letter，DOI: 10.1021/nl3045684，2013;Nano Energy，DOI:10.1016/j.nanoen.2013.04.009，2013)以及国际上第一个透明的单表面摩擦纳米发电机，可以直接装贴于智能手机屏幕上采集使用者日常操作的能量(Energy Environment Science，DOI:10.1039/C3EE42311E，2013)，并有望进一步开发出自供能的触控面板和电子皮肤等产品。
同时，课题组将压电式与摩擦式发电机理相结合，研发出能够有效收集环境中振动能的低频宽频带复合发电机，《中国科学：技术科学》2013年第8期以封面的形式报道了相关进展(Vol. 56 (8): 1834-1841)，得到国内外同行的高度关注。
以上系列进展为大规模微纳复合结构的制造及其在微能源等领域的应用奠定了重要基础。相关研究工作得到了国家自然科学基金重大研究计划“纳米制造的基础研究”重点支持项目(项目资助号：91023045)和面上项目(项目资助号：61176103)等资助。
