作者

张东石，李铸国

机构

上海交通大学

导读

上海交通大学材料学院张东石副教授和李铸国教授课题组创新性地将飞秒激光纳米材料合成和飞秒激光微纳加工两种工艺有机融合，“师法自然”提出了飞秒激光仿生超快合成微纳加工新理念，开展了“白与黑” “印象派/写实派”等多维度光学调控，并实现了“无序纳米材料合成沉积到有序功能化”的跨越、系列成果连续发表在《极端制造（英文）》（International Journal of Extreme Manufacturing，IJEM）杂志上。

Femtosecond laser subtractive/additive-integrated biomimetic manufacturing for visible/infrared encryption and stimuli-responsive infrared decryption

DOI: 10.1088/2631-7990/adc87f

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Bionic femtosecond laser manufacturing for impressionistic camouflage infrared display

DOI: 10.1088/2631-7990/ae1209

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图文解析

图1 （a）白甲虫（Cyphochilus insulanus）和飞秒激光超快合成的白色WO₃ 气凝胶，（b）非空间限制和空间限制飞秒激光合成和沉积（吸尘器调控），（c）多色彩激光调控背景的白色气凝胶图案化。

白甲虫（Cyphochilus insulanus）具备环境伪装与辐射制冷功能（图1a）。基于黄色WO₃晶体界面，该课题组探索出利用飞秒激光仿生合成白色辐射制冷纳米材料的可行性，可实现非空间限制和空间限制调控白色WO₃气凝胶的沉积和收集（图1b），其颜色与白甲虫高度相似，并且具有相当的LWIR红外发射率。利用振镜单次/两次图案化扫描，可实现多彩背景白色上海交通大学校徽的高效微纳加工（图1c）。

图2 飞秒激光白色WO₃气凝胶图案化微纳加工、加工过程中气凝胶的梯度沉积及其辅助实现的可见光波段写实派显示和红外波段印象派显示。

飞秒激光白色图案化的过程中，合成的白色纳米颗粒会沉积到其他区域，其独特的红外发射特性和梯度沉积会导致局部模糊红外显示，很难分辨细节，与可见光波段显示效果差异明显，证实了其可辅助实现可见光波段写实派显示和红外波段印象派显示，如图2所示。

通过简化版梵高星空（绿/白）双色图案化（图3a），证实了被气凝胶覆盖的信息在红外波段可选择性激励显示。如图3b所示，无环境激励模式下红外波段无任何信息显示，加热模式下显示的效果和可见光波段显示效果类似，但在人手红外刺激下隐藏的信息可以清晰显示。调控扫描方式，构图布局和引入气凝胶去除步骤，可调控气凝胶沉积的密度和范围，实现多种差异化显示调控。

图3 气凝胶沉积可见光波段信息伪装、环境激励选择性红外显示。（a）气凝胶沉积量可调、（白绿双色）正反向简化版梵高星空飞秒激光图案化微纳加工示意，（b）所制备的样品（可见光波段）、无激励红外显示效果、手和80℃样品加热激励的红外显示效果。

图4 多材料、多色彩辐射制冷材料飞秒激光超快合成及其物相和光学特性表征。（a）利用石英玻璃，纯Zr，Al和Ti金属制备的氧化物气凝胶界面光学照片，（b）合成气凝胶的物相（XRD），（c，d）UV-NIR和MIR波段气凝胶的反射光谱，（e）合成的WO₃，ZrO₂和TiO₂气凝胶亚稳相和稳定相比例，（f）多种气凝胶不同波段吸收率（发射率）量化。

飞秒激光烧蚀石英玻璃和钛、铝、锆金属可制备不同颜色氧化物气凝胶，其辐射制冷长波红外（LWIR）波段发射率均高于95%，最高可达99.6%（图4a-d，4f）。飞秒激光加工的非平衡热动力学过程还有助于实现亚稳相锐钛矿TiO₂、四方相氧化锆（t-ZrO₂）和单斜相WO₃（Pc）纳米材料的合成（图4e），为探索亚稳态材料的光学应用提供了可行性。与WO₃一致，TiO₂气凝胶同样可实现可见光波段信息伪装、环境激励选择性红外显示的调控（图5）。

图5 TiO₂气凝胶沉积可见光波段信息伪装、环境激励选择性红外显示。

蝴蝶翅膀界面颜色和热调控与其微纳结构和成分息息相关（图6a），比如金凤蝶（Ornithoptera goliath）黑色翅翼与曲纹黛眼蝶（Rapala dioetas）的红外辐射制冷功能。通过石英玻璃辅助的空间限域飞秒激光合成加工（图6b），可实现黑色纳米材料的高效限域制备多尺度微纳增材烧结和团簇化（图6b，6d），该工艺对难熔金属展现出独特的黑色材料合成和微纳加工能力，W, Mo, Nb, Ta高熔点难熔金属均可高效表面黑化（图6c），空间限域黑化效率是非限域空气环境下的100倍，可达∼11.25 cm²/min。空间限域和非限域加工可相互融合，进行黑色图案化信息加密写入。不同结构的黑色差异小，但红外光谱差异明显，提供了广阔的红外解密空间。

图6 （a）蝴蝶翅膀黑色区域结构和红外辐射制冷功能及其梯度结构。（b）飞秒激光减材/增材一体化复合梯度结构加工，（c）非限域（空气）不同扫描间隔W 表面黑化和限域（石英）W, Mo, Nb, Ta金属表面黑化，（d）非限域和限域表面结构，（e）不同扫描间隔的黑化效率，（f）限域/非限域结合飞秒激光黑化加密图案化。

图7 （a）本征可见光/红外信息加密，（b）环境激励红外解密显示、显示增强和反向多种环境激励对应关系，（c）制备，环境激励和IR显示多元调控空间，（d）IR显示增强、擦除、反向调控，（e，f）静态和动态多种IR显示调控。

黑化信息不仅在可见光波段加密，在无环境激励条件下红外相机也无法显示，实现了双波段自加密功能。通过环境激励如手、冰块、加热和冷却样品等手段，可实现信息的红外解密，显示增强，擦除和反向调控，还可静态和动态调控（图7）。通过字母和数字的全显示以及”SJTU”和”1896” 的选择性显示、“饮水思源爱国荣校”“上海交通大学”等汉字的红外解密显示，证明了该工艺高通量信息加密录入显示的潜力，更进一步展现了该加密方式多材料（W, Mo, Nb, Ta）体系的适用性，如图8所示。

图8 （a）仿键盘环境激励全显示，”SJTU”和”1896” 选择性显示, （b）高通量汉字红外显示概念和范例，（c）多材料（W, Mo, Nb, Ta）体系可见光/红外本征加密，环境激励显示的普适性。

关于期刊

International Journal of Extreme Manufacturing (《极端制造》），简称IJEM，中国机械工程学会极端制造分会会刊，致力于发表极端制造领域相关的高质量最新研究成果。自2019年创刊至今，期刊陆续被SCIE、EI、Scopus等20余个国际数据库收录。JCR最新影响因子21.3，位列工程/制造学科领域第一。中国科学院分区工程技术1区，TOP期刊。入选中国科技期刊卓越行动计划二期英文领军期刊。

期刊网址：

https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990

http://ijemnet.com/

期刊投稿：

https://mc04.manuscriptcentral.com/ijem-caep

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