五度妙笔
企业透视镜
API商城
数据库微透镜阵列为光催化“提效”，甬江实验室邓必为团队研究成果入选LPR封面论文
黄昏时分，微光洒落湖面，一只蜻蜓掠过。它头部的复眼由无数小眼构成——每个小眼独立采光，汇聚成宽广灵敏的视野。
这份大自然的精妙设计给了科研人员启示：能否用无数微小的光学单元分工采光、协同聚光，把微弱分散的光线“重新分配”到纳米催化位点，让不足以驱动反应的微光也物尽其用？
论文链接：https://doi.org/10.1002/lpor.71387
近日，国际知名期刊 Laser & Photonics Reviews 发表甬江实验室激光微纳制造与测量研究组邓必为研究员团队与合肥工业大学李毅教授团队的最新合作成果：Scalable Photocatalytic Microlens Arrays Imprinted in Carbon Dot-Based Photoresists，并选为封面论文。
这项研究将微透镜阵列的结构设计与功能材料制备相结合，用精密微纳加工技术“指挥”光线走向，并将其集成到连续流反应器中，实现了光学元件与功能器件的微尺度一体化集成。
眼镜、相机镜头、放大镜等是生活中常见的透镜。这些光学器件都有一个共同特点：借助特定的表面形状改变光线的传播方向。
微透镜是尺寸更小的透镜，通常只有几十到几百微米大小。如果将许多微透镜按一定规律排列起来，便形成了微透镜阵列，让入射光线沿设计方向传播，并在特定区域汇聚。
研究团队采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）软模板，结合压印与紫外固化工艺，把设计好的微透镜结构复制到功能材料上，最终获得柔性光催化微透镜阵列。相比逐个加工独立微型透镜，该模板压印技术可在一次成形过程中复制大量微结构，从而提高制备效率，也为后续器件集成和规模化制造提供了便利。
图1. CDs@微透镜阵列的制备路线与应用场景。（a）CDs合成、转移至TA-PR光刻胶、PDMS模板压印固化的制备流程；（b）在间歇式与连续流光催化反应器中的应用。
为寻找更合适的光学结构参数，研究团队进一步考察了微透镜厚度、焦点位置与催化性能之间的关系。实验表明，当微透镜厚度约为100微米时，光催化效果达到最优。
同时，研究团队还借助三维共聚焦显微成像等手段，对微透镜的三维形貌与尺寸进行精密表征，确保实际制备的结构与设计相符。
从功能材料制备到微透镜结构设计，再到微纳结构的精准复制，该技术路径为光学功能与光催化材料的一体化集成奠定了制造基础。
跨团队协同：从聚光到连续流反应
起初，研究团队曾将薄膜、微透镜及其组合分别应用于光催化体系，但效果均不理想。
为突破这一瓶颈，研究团队博士后马致远主动联系了同一楼层流动与智能化合成研究组的助理研究员孙丹丹，希望从流动化学的角度寻找突破口。
图2. 盘管式流动反应装置。
交流中，孙丹丹展示了一个盘管式流动反应装置，并提出将微透镜阵列与流动化学技术结合起来。她认为，连续流反应不仅要让光线得到有效利用，还要让反应物能够均匀、持续地流经催化区域。因此，团队在设计过程中同时兼顾液体流动状态和反应物分布，尽可能让反应过程更加稳定。
一方发挥在微纳制造、微结构设计和精密表征方面的技术优势，为功能微结构的设计与制备提供支撑；另一方则从反应器设计和流体输运角度出发，优化反应物在微通道内的流动与接触过程。
图3. 连续流光化学反应器。（a）集成微透镜阵列的连续流系统示意；（b）流式反应器示意与实物；（c）含蠕动泵、储液罐、流式反应器与370 nm Kessil光源的实验装置全景；（d）流动条件下反应物的UV-vis衰减谱；（e）准一级动力学拟合（k = 0.68 min⁻¹）；（f）间歇式与流动模式的对比。
最终，研究团队将柔性微透镜阵列集成到管式微通道内壁，构建了一套连续流光化学反应器。实验结果显示，在相应测试条件下，连续流体系的污染物去除效率相比间歇式体系提升了78倍。
除了反应器结构的创新，研究团队还进一步剖析了材料内部的相互作用机制。研究发现，碳点与光刻胶基体之间形成了氢键相互作用，这有助于改善复合材料体系的光学性质。与此同时，微透镜的聚光效应进一步增强了体系的光吸收能力。实验表明，微透镜阵列的峰值吸收增强因子达到约8.7倍。
结构改变光场：微纳制造带来性能提升
研究团队选用曙红Y（Eosin Y）作为模型污染物，进行了光催化降解实验。
实验中，研究人员观察到一个值得关注的现象：普通薄膜催化剂在较弱光照条件下难以启动明显反应，而引入微透镜阵列后，即使光强较低，体系仍能保持明显的光催化活性。普通薄膜催化剂的反应启动阈值约为18 mW/cm²，而微透镜阵列将这一阈值降至6.5 mW/cm²。
图4. 弱光驱动的光催化增强。（a）300 W氙灯光源光催化装置示意；（b）微透镜聚光促进CDs-TA-PR中HOMO-LUMO跃迁与氧化还原反应的机理；（c）染料浓度随时间的UV-vis谱图；（d）准一级动力学拟合（k = 0.0129 min⁻¹）；（e）微透镜阵列与薄膜催化剂反应速率随光强的对比；（f）相同光强下反应速率随微透镜厚度的变化；（g）不同厚度下焦点位置的示意。
从传统薄膜催化剂到光催化微透镜阵列，研究团队不仅探索了新型功能器件的设计方法，也展示了微纳结构在改善光催化弱光响应方面的潜力。
一枚微透镜改变了光线的传播方式；一次跨学科合作拓展了精密制造技术与功能应用结合的新空间。
这项研究展示了精密微纳制造技术在功能器件开发中的独特价值：通过微观结构的精准设计与制造，调控光、材料与物质之间的相互作用，让微纳结构从简单的几何形态转变为能够调控器件性能的功能单元。这也是一条以精密微纳制造赋能功能材料和器件应用的发展路径。
面向未来，研究团队将致力于解决纳米尺度精密制造与测量中的系列基础科学问题，围绕超快激光双光子聚合、纳米尺度化学测量以及微纳制造与测量一体化等方向开展研究。
本文第一作者为甬江实验室博士后马致远、甬江实验室与宁波诺丁汉大学联培博士生Kashif Ali Khan（共同第一作者），甬江实验室为第一完成单位。甬江实验室邓必为研究员、合肥工业大学李毅教授为本文通讯作者。
END
来源 | 激光微纳制造与测量研究组
编辑 排版 | 敬雨文
审核 | 邓必为 张小暄
转载、投稿、合作请联系
[ marketing@ylab.ac.cn ]
—————————————
前瞻创新 从0到1 厚植产业 造福社会
Powering innovation to build a better world
联合实验室+1！AI for Science，让分离纯化更“聪明”
