微透鏡陣列是許多高端設備的核心器件，在光學成像、數字投影以及光電轉換等領域均起著至關重要的作用。其實現功能的關鍵在于具有能夠對入射光線產生聚焦作用的微曲面結構。目前，光刻-熱回流是制造微透鏡陣列及復刻用模具的典型工藝。其通過光刻過程來得到鋸齒狀微結構，并進一步加熱使聚合物回流成穹頂狀，從而實現陣列制造。該過程中，透鏡的曲率半徑取決于基底浸潤性，因而在單一材料體系下難以實現聚焦性能的靈活調節。同時，材料需要具有熱回流性能，導致其僅適用于塑性聚合物。針對這一現狀，浙江大學趙騫教授團隊近期研究發現，動態交聯水凝膠表面在單步光照后會自發產生具有一定曲率的微結構，并且曲率半徑能夠通過光照時間進行靈活調節，可直接用于光學微透鏡陣列的柔性制造。

圖1. 動態交聯水凝膠表面微結構成型機理。

趙騫教授團隊長期關注軟物質材料微結構的構筑方法及其應用。在此前的工作中，通過光動態高分子網絡的設計，利用光照所引起的網絡拓撲結構改變，建立了快速、高精度的微加工方法（Sci. Adv. 2021, 7, eabi7360; SmartMat. 2024, 2, e1255）。在此基礎上，團隊研究發現，當調節凝膠力學性能時，所形成微結構的輪廓將發生相應改變。如圖2所示，當交聯劑含量降低到4 wt%時，光照后水凝膠表面所形成微結構將由原先的平臺狀而轉變為穹頂狀。此時，水凝膠光照后的儲能模量下降到5.9 kPa。穹頂狀結構的快速原位構筑能夠為微透鏡陣提供一種高效制造的新方法。然而，目標微結構的形成要求凝膠足夠柔軟，但后續微透鏡加工又需要凝膠足夠強韌。

圖2. 力學性能對表面微結構成型的影響。（a）不同交聯劑含量下形成的表面微結構及其輪廓。（b）不同交聯劑含量水凝膠在60 s光照前（實線）與光照后（虛線）的儲能模量。

為了解決這一矛盾，團隊通過引入Al3+構筑了化學-物理雙交聯結構，使水凝膠的斷裂韌性與強度從4.9 kJ/m3與10.9 kPa提高到129.3 kJ/m3與86.8 kPa，可匹配微透鏡的加工過程。需要指出的是，該力學增強過程后于微結構的形成，能夠避免對結構的影響。如圖3所示，在構筑雙交聯結構后，表面微結構依然保持穹頂狀。利用上述制備的水凝膠作為軟模板，通過表面涂覆樹脂前驅液，經過簡單剝離就可以復刻制造微透鏡陣列。由于浸潤性差異，剝離能僅為4.30 J/m2，并且微結構復刻一致性高。

圖3. 水凝膠的力學增強與微透鏡制造。（a）雙交聯網絡示意圖。（b）不同鋁離子濃度處理后水凝膠的力學性能。（c）水凝膠的斷裂韌性與斷裂強度。（d）雙交聯結構構筑后水凝膠表面微結構的輪廓變化。（e）所采用的用于微透鏡陣列制造的分子。（f）水凝膠模板與復刻得到的微透鏡陣列表面微結構的輪廓對比。

所得透鏡具有良好的透光性（>90%），且折光指數在1.5左右。在點光源照射下，經過所制造的微透鏡陣列，在成像屏上能夠形成均勻的光點陣列，顯示出良好的光學特性。

圖4. 微透鏡的光學特性。（a）所制備得到微透鏡陣列宏觀照片。（b）用于制造透鏡陣列材料的透明度與折光指數。（c）在光照下，通過透鏡陣列所形成的光點陣列。

進一步，由于水凝膠表面微結構曲率半徑能夠通過光照時間來進行控制，所建立加工方法能夠靈活調節微透鏡的曲率，進而調控透鏡焦距。如圖5所示，利用不同光照時間下生產的水凝膠作為模板能夠制造不同形貌的微透鏡陣列，并在光學測試系統中呈現出不一樣的焦距。此外，不同于典型的光刻-熱回流工藝，所建立方法可以通過控制水凝膠不同區域的光照時間，實現曲率的區域化控制，進而能夠生產具有差異化焦距的微透鏡陣列，大大提升了制造靈活性。

圖5. 微透鏡性質的靈活調控。（a）利用不同光照時間下制造的水凝膠作為模板所得到的微透鏡陣列表面形貌。（b）不同水凝膠模板所得微透鏡的焦距測試圖。（c）微透鏡陣列中透鏡焦距的區域化控制。

該工作以“Light-regulated microstructure growth of dynamic hydrogels for flexible manufacturing of microlens arrays”為題發表于美國化學會ACS的化工類旗艦期刊《Chem & Bio Engineering》的“Advanced Functional Hydrogels”專題。陳狄副研究員為論文第一作者，趙騫教授為論文的唯一通訊作者。該工作獲得了國家自然科學基金委與中國科協青年人才托舉工程的大力支持。

來源：高分子科學前沿

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