作 者

陈超、郭思佳、张龙、姚浩、刘炳瑞、张晨初、张亚超、劳召欣、吴思竹、吴东

机 构

合肥工业大学、安徽农业大学、中国科学技术大学

Citation

Chen C, Guo S J, Zhang L,Yao H, Liu B R, Zhang C C, Zhang Y C, Lao Z X, Wu S Z, Wu D. 2025. Multifunctional shape-memory smart window based on femtosecond-laser-printed photothermal microwalls. Int. J. Extrem. Manuf. 7 015504.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad8710

撰稿 | 文章作者

1. 文章导读

耐久防水光学智能膜是一种兼具光学性能操纵和界面浸润特性调控的新型器件，在防尘、防污、自清洁、节能建筑、隐私防护、光电子器件、光学传感摄像头、飞机玻璃抗除冰等众多领域具有一定的应用前景。近年来，人们通过打破传统窗口二维设计的束缚，提出3D多层级超疏水智能窗，通过引入更多的三相接触线，实现智能窗调光性能以及服役稳定性的大幅提升。然而，如何构建3D可重构、无绳驱动、低能制动的光控系统，仍是当前挑战。

鉴于此，合肥工业大学材料学院陈超副教授携团队在《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上发表了《基于飞秒激光打印光热微壁的多功能形状记忆智能窗》文章，提出了一种光敏型微壁阵列的高效精密制造方法，制备出近红外光驱动智能窗（Near-infrared-actuated smart window, NIR-SW），赋能抗冰、防雨、调光、控热等多功能应用。

 关键词

飞秒激光；超滑表面；光热微壁；浸润性调控；透光度切换

 亮点

• 激光使能可视度/润湿性协同调控的多功能智能表面；

• 基于近红外光无绳驱动，实现节能智能窗多像素化限域操纵；

• 光热效应协同形状记忆效应，实现全液滴粘附行为的动态控制。

2. 研究背景

赤水调光膜能够被动除尘除污、亦可主动调光调热，在节能建筑、膜科技、防尘光学系统、汽车安全驾驶、飞机玻璃抗除冰等领域具有重要应用前景。全固态调光膜是近年来兴起的具有超稳定服役特性的新型器件，其设计原理遵循了Cassie接触模型，在微栅阵列之间引入更多的空气界面，形成更多的3D多层级三相接触界面，在不严重影响透光率的同时，增强了其界面憎水特性。与此同时，对微栅结构长宽比有着严格的要求，微结构的长宽比制约着其界面反射及光透射，因此研究者凭借飞秒激光的超高峰值功率、超低热效应、近似冷加工独特优势，制备了一系列热驱动、电驱动、磁驱动的赤水调光膜。然而，这些前期的制动系统存在能耗高、成型差、按需调光能力弱等问题，制约着其在特定场景下的应用。

在本文中，研究人员结合飞秒激光高速打印技术与软光刻复合工艺，设计制备了光敏微壁阵列形状记忆调光膜，研究了NIR-SW光热动力学机制，并展示了多模态制动性能（图1）。

图1 光热微壁形状记忆调光膜的加工策略及表征。

NIR-SW调光膜的热/力协同机制类似于百叶窗，具体包括以下步骤（图2）。直立态的微壁在近红外光远程驱动下升温至玻璃化转变温度后，施加一定压力后，移除刺激源并冷却至室温，此时微结构转变为临时弯曲态，此种模态下的NIR-SW表现为不透明；若再次施加光源，光热效应协同形状记忆效应制动弯曲的微结构重构至原始的直立态，此时为透明态。光谱探测技术进一步量化了这一调光过程（图3）。

图2 光热微壁形状记忆调光膜的加工策略及表征。

图3 光热微壁形状记忆调光膜的光谱量化表征。

基于以上的协同效应，微结构在两种模态下，液体与微结构的接触线差距巨大，基于自制的微液滴粘附力测量仪，结果显示弯曲态下界面粘附力约为直立态下的3倍。除此之外，研究人员通过高速摄像技术及CCD原位表征平台，进一步揭示了全液滴粘附行为动态操纵的流体动力学过程（图4）。

图4 光热微壁形状记忆调光膜的流体动力学表征。

最后，为了证明NIR-SW调光膜服役的多功能性和稳定性，研究者利用热红外成像技术和光谱探测技术分别定性/定量展示了器件在节能建筑热管理、防窥屏、被动防冰以及光学编程方面的潜在应用（图5）。本文研发的多功能膜为应对多场景应用提供技术与理论参考。

图5 光热微壁形状记忆调光膜的应用展示。

3. 未来展望

飞秒激光打印技术是一种面向未来多层级、多功能、多联动光电子器件精密制造的有效途径，势必在微纳制造领域发挥越来越重要的作用。这项工作基于激光使能技术，通过光热效应与形状记忆效应协同控制微结构拓扑形貌，所研究的光热动力学、流体动力学过程揭示了调光膜的热/力耦合重构机制，调光膜的独特拓扑设计将助力拓展其在自清洁光电子器件、车载天窗、节能建筑、防冰系统等更多领域的应用。

4. 作者简介

陈超，合肥工业大学

陈超，副教授，本科毕业于合肥工业大学，随后在合肥工业大学、中国科学技术大学取得硕士、博士学位。2018-2021年于中科大吴东教授课题组从事博士后/特任副研科研工作。2021年-至今人才引进合肥工业大学材料学院工作。从事飞秒激光精密制造、光电子器件开发等，主持国家自然科学基金等项目。在《Nat. Commun.》《Nat. Sci. Rev.》《Nano Lett.》《ACS Nano》《Adv. Funct. Mater.》《Adv. Sci.》《IJEM》等国际知名期刊上发表SCI论文40余篇，《Journal of Bionic Engineering》青年编委，《Biomimetics》客编。《Nano Lett.》《Adv. Funct. Mater.》《Device》《ACS Appl. Mater. Interfaces》等国际期刊审稿人。

郭思佳，合肥工业大学

郭思佳，2022级材料学院硕士研究生，从事微纳结构激光制造，水凝胶智能调光膜开发等研究工作，相关成果发表在《Adv. Funct. Mater.》《IJEM》国际期刊上。

刘炳瑞，安徽农业大学

刘炳瑞，理学博士，毕业于中国科学技术大学化学生物学专业，2023年受聘于安徽农业大学资源与环境学院，主要从事响应性水凝胶的纳米农药开发、非均相催化农药分子合成以及光、电催化材料的合成等研究工作。主持国家自然科学基金等课题，近年以第一作者/通讯作者身份在国际顶级学术期刊发表SCI论文10余篇，包括《Angew. Chem. Int. Edit.》 (封面论文), 《Small》《Nano Lett.》《J. Mater. Chem. A》和《IJEM》等。

吴思竹，合肥工业大学

吴思竹，教授，于2014年吉林大学物理电子专业获得博士学位。2012年-2014年获得日本理化学研究所International Program Associate(IPA)奖学金，在日本理化学研究所Laser Technology Laboratory实验室博士联合培养。2014年9月至今，于合肥工业大学仪器科学与光电工程学院任教。主要从事激光微纳加工、微纳米技术、先进精密制造、激光干涉技术、微光学器件、仿生功能结构等相关工作。近年来主持国家自然科学基金等十余项。发表论文50余篇，申请发明专利5项。