源于莲叶的微纳仿生表面：同步实现多光谱伪装与环境自清洁

论文信息：Wenzhuang Ma、Miao Li、Chunzhi Tu、Yang Xiang、et al. “Bio-based hierarchical surfaces with multispectral camouflage and self-cleaning properties.” Optics & Laser Technology 195 (2026) 114547.

论文链接： https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2025.114547

研究背景

在现代高科技战场上，“被发现”往往意味着“被摧毁”。随着探测技术的迭代，单一的可见光伪装早已无法遁形，先进的侦查系统已延伸至激光制导与红外热成像领域。中长波红外（3-14 μm）能精准捕捉装备的自身热辐射，而1.06、1.55及10.6 μm等激光波段则是敌方测距与制导的利器。

然而，目前的多光谱伪装材料往往陷入“顾此失彼”的困境：追求红外低发射率通常会增强镜面反射，导致在激光与可见光下宛如一面镜子，反而暴露无遗；此外，长期暴露在户外的装备极易沾染灰尘或被冰雪覆盖，污染物会彻底破坏材料表面的光学特性。大自然往往是最优秀的设计师，荷叶表面独特的微纳乳突与蜡质纳米线结构不仅能产生独特的漫反射光学散射，还赋予了其卓越的超疏水自清洁能力。以此为灵感，研究团队试图通过保留天然生物的阶层结构，打破伪装与自清洁难以兼容的壁垒。

研究内容

为了将生物界的生存智慧转化为工程材料，研究团队采用了一种极为巧妙的“生物模板直接转化法”。他们以天然荷叶为基底，利用电子束蒸发技术沉积不同厚度的铝（Al）薄膜。当铝层厚度控制在200 nm至3 μm之间时，荷叶原本的微米级乳突和纳米级蜡质线结构被近乎完美地保留下来，形成了一种兼具金属光学特性和生物粗糙度的“Lotus-Al”复合界面。

图 2. 莲花表面及不同厚度（50 nm至3 μm）莲花-铝表面的扫描电子显微镜图像（a–h）；（i）不同厚度莲花-铝样品的X射线衍射图谱；（j）对应样品的算术平均表面粗糙度（Ra）；（k）不同厚度莲花-铝样品的全反射率与镜面反射率； （l）实验测得（黑色）与理论计算（红色）的全反射率和镜面反射率在3–14 μm波长范围内的平均值对比。

研究团队首先评估了该材料在可见光与激光波段的“抗眩光”能力。实验表明，得益于表面粗糙结构引发的强烈光散射，Lotus-Al呈现出哑光的灰白色外观。在可见光全波段，其整体反射率被压制在47.3%，更重要的是，其镜面反射率急剧降至5%以下。在1.06 μm和1.55 μm激光波段，其镜面反射率低至1.6%和1.2%；即使在波长较长的10.6 μm波段，镜面反射率也仅为15.7%。这意味着无论从哪个角度看，材料都不会产生刺眼的高光亮点，能够有效抵御可见光侦查与激光制导武器的锁定。

图 3.A）莲叶铝的光学图像及其微观结构的概念示意图。B）可见光波段下光滑铝、莲叶及莲叶铝的积分反射率对比；C）可见光波段下光滑铝、莲叶及莲叶铝的镜面反射率对比； D）入射波长为532 nm时，莲叶铝在远场各角度的散射强度分布。

图 4.a）激光漫反射示意图。b）自主搭建的镜面反射率测试系统示意图。BS：分束器。c）莲花铝在三个激光波段下的积分反射率与镜面反射率。d）莲花铝在三个激光波段下不同散射角处的远场散射强度分布。

在中长波红外伪装方面，Lotus-Al同样表现出色。由于铝层的高导电性，材料在3-14 μm波段的平均反射率高达72.5%，根据基尔霍夫热辐射定律，这直接转化为低至27.5%的低红外发射率。同时，其粗糙的微观结构使得红外镜面反射率被压制在14.2%。通过红外热像仪实测验证：在无外界热源干扰时，它能有效抑制自身热辐射；而当面对外部高温热源照射时，它又能凭借漫反射特性将入射红外光打散，避免了平滑金属表面那种强烈的“镜像”反射。这种“低发射、低镜面反射”的双重保障，让它在复杂热背景下实现了完美的融合。

图 5. a）测试了光滑铝、聚酰亚胺（PI）和荷叶铝在不同角度下的全反射率与镜面反射率； b）目标温度较高（65 ℃），且附近无外部热源（100 ℃）； c）目标温度较高（65 ℃），且附近有外部热源（100 ℃）； d）目标温度较低（20 ℃），且附近有外部热源（100 ℃）。 左图展示了上述三种情形的布置方式；右图则分别呈现了每种情形下光滑铝、聚酰亚胺（PI）和荷叶铝的红外图像，图中虚线框区域的平均表观温度已在图像中标出。

图 6. a）裸车模型的照片。 b）热成像图，显示车身因内部加热而产生强烈热辐射。 c–d）覆盖所设计红外隐身材料与常规金属涂层后的车身表面。 e）照片显示两种材料分别涂覆于车顶不同区域。 f）车顶模型在两种材料覆盖下的红外图像。 g）外部辐照温度为50 ℃时的热成像图。 h）外部辐照温度为100 ℃时的热成像图。 i–j）受试者手持所设计材料时的可见光图像与热成像图。

最为精妙的是，这种直接“复刻”天然模板的工艺，最大程度地保留了荷叶原有的化学物理性质。水滴在该复合薄膜表面的接触角达到了135°，展现出优异的疏水性。这意味着雨水或露珠在滚落时能轻易带走表面的尘埃，赋予了材料“自清洁”功能。即便在泥泞或沙尘环境下，其光学伪装性能也不会因表面污染而衰减，解决了长效隐身的维护难题。

图 7. A）荷叶铝表面自清洁性能的示意图。 B）荷叶铝经户外测试后的可见光与红外波段积分反射率变化情况，插图为它的水接触角（WCA）。 C）荷叶铝自清洁性能的测试。

结论与展望

本研究成功打破了多光谱伪装材料与自清洁功能之间的制造壁垒，通过简便的生物模板法，实现了光学隐身与表面自维护的协同统一。在可见光与激光波段实现极低镜面反射（<5%），在红外波段实现低发射率（27.5%）与低镜面反射（14.2%）的兼容。完美保留了荷叶的微纳阶层结构，将光学散射中心拓展至跨尺度维度。接触角达135°，赋予材料抗污与自清洁特性，确保复杂环境下的伪装寿命。

这种低成本、无需复杂纳米光刻的仿生制备策略，极易实现大面积规模化生产。未来，通过调控沉积金属的种类与厚度，可进一步优化其光谱响应范围。该材料在军用车辆与飞机的动态隐身外壳、星载光学载荷的抗辐射与防尘涂层，以及高精度传感器的保护罩等领域，均展现出巨大的应用潜力，为下一代智能隐身材料指明了新的方向。

下面是会议通知：