表面多功能ZnO海胆结构的简易制备

摘要： 功能性氧化锌纳米结构表面在众多应用领域具有重要价值。本研究报道了在近室温条件下简单制备出形似海胆的氧化锌表面结构——从海胆中心向外辐射出密集排列、长度达微米级的锥形纳米针。这些氧化锌海胆结构成功地在多种不同基底（包括硅(Si)、玻璃、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、铜(Cu)薄片以及种植有氧化锌纳米晶种的硅片）上以高表面密度和覆盖度形成。通过时间分辨扫描电镜观测到硅基底上氧化锌纳米结构的生长动力学过程：早期生长阶段出现"幼年"海胆结构，随后海胆纳米针的长度和密度持续增加，而尖锐的纳米针形态在整个生长过程中得以保持。同时观察到与海胆结构共生的ε-Zn(OH)2正交晶系晶体。同步辐射X射线衍射测量证实了不同生长时间纳米结构的晶体结构。 在种植晶种的硅基底上，我们发现了两阶段生长机制：先垂直排列的氧化锌纳米针阵列进行初级生长，随后在海胆状结构在纳米针阵列上方进行次级生长。实验证明了硅基底上这种具有高表面密度的尖锐纳米针海胆结构具备抗菌、减反射和润湿功能特性：首先，在大肠杆菌(E. coli)培养液中孵育24小时后，该表面能抑制细菌定殖（与对照基底——裸硅和溅射20纳米氧化锌薄膜的硅片相比）；其次，该超亲水表面（水接触角约0°）经简单硅烷化处理后可转变为超疏水表面（表观水接触角θ=159°±1.4°，接触角滞后Δθ<7°），高速摄像机捕捉到10微升水滴的弹跳现象（接触时间仅15.3毫秒）；第三，种植晶种硅基底上密集的尖锐氧化锌纳米针和海胆结构在波长范围λ=200-800纳米内呈现反射率R<1%的特性。这种通过室温简单工艺制备、可在多种基底实施的独特形貌氧化锌海胆结构，有望进一步开发多功能表面和产品配方。