自然界中的褶皱无处不在，叶片的脉络、蝉翼的纹路，乃至人类肠道内壁的绒毛。这些微纳尺度的三维（3D）结构不仅是生物进化的精妙杰作，更在光学调控、表面浸润与细胞行为调控中扮演着关键角色。如何在人工材料中精准复刻此类复杂结构，一直是微纳制造领域的重要挑战。

近日，中国科学院理化技术研究所仿生智能界面科学中心有机纳米光子学研究团队在该领域取得重要进展。该研究利用飞秒激光各向异性光聚合诱导图灵自组装技术，成功实现了软材料的可精确调控3D纳米褶皱结构“编写”。相关研究成果以3D Turing nanowrinkles via anisotropic photopolymerization为题发表于在工程/制造学科领域第一的TOP期刊《极端制造（英文）》（International Journal of Extreme Manufacturing 2026, 8, 025003）。该论文的通讯作者是郑美玲研究员，第一作者为2021级博士研究生段琦。

传统微纳加工多采用“减法”策略，通过逐层去除材料来构筑结构。与此不同，该研究提出了一种全新的“自组织”制造理念——在光的引导下，使材料自主生长出所需图案。研究团队采用飞秒激光直写技术，利用极短脉冲激光在材料内部实现高精度固化，并将这一过程与图灵反应-扩散机制相融合。图灵自组织理论由数学家艾伦·图灵于1952年提出，揭示了自然界周期性图案（如斑马条纹、豹纹斑点）的形成原理。当这一自组织机制与激光诱导聚合协同作用时，纳米尺度的褶皱结构可在激光“书写”过程中自发涌现，让材料在光的引导下自行组织。这一方法既保留了自组织的自由度，又具备了激光加工的精确性。

图1 图灵斑图

研究的关键创新在于利用激光偏振方向对褶皱形态进行精确调控。通过调节偏振，研究团队可决定褶皱的生长取向与结构形貌：偏振方向主导褶皱纹路走向，多个偏振叠加则可实现复合结构的构建。例如，两个正交偏振共同作用可诱导形成均匀排列的纳米柱阵列。褶皱的尺寸、方向及间距均可通过激光参数进行系统调控，实现了“所见即所得”的微纳制造。为建立图案形成过程的预测与控制能力，团队进一步构建了直观的理论模型，将激光参数与褶皱形成机制有效关联，使此前被认为高度复杂的图灵自组织过程转变为可精确调控的工程化制造工具。

图2 飞秒激光偏振控制各向异性光聚合制备3D图灵纳米褶皱机理

依托该技术在3D微纳结构方面的精准调控能力，研究团队成功复刻了多种典型生物功能表面。模仿蛾眼表面的纳米结构可显著降低光反射，在光学器件与太阳能电池领域具有重要应用前景；再现的蝉翼独特纳米级图案，展现出优异的超疏水与抗菌特性；模拟人体肠道内壁的指状突起结构，则可大幅提升比表面积，在组织工程与药物递送领域具有潜在应用价值。上述成果展示了将生物灵感转化为工程材料的可行路径，体现了“向自然学习，并超越自然”的材料设计理念。

图3 通过飞秒激光偏振控制各向异性光聚合制备的3D图灵纳米褶皱结构

在应用探索方面，研究团队基于上述纳米褶皱结构，通过表面镀覆薄层银，制备出高性能表面增强拉曼散射（SERS）基底。测试结果显示，该基底可实现对罗丹明6G分子的检测，浓度低至10^-9 M（十亿分之一摩尔每升）。有序的纳米褶皱结构同时实现了两项关键功能——增强目标分子的表面富集，并提升拉曼信号强度。这一协同机制为超高灵敏度传感提供了新路径。

当前，该方法主要适用于具有较大偶极矩的软材料体系，如离子型水凝胶。研究团队下一步计划将该技术拓展至有机及无机材料体系，并进一步提升所制备结构的机械稳定性。将激光加工的精确调控与自然界图案形成机制深度融合，该研究为仿生功能表面、超灵敏传感器以及智能响应材料的开发提供了全新思路。这一跨学科研究融合了数学、物理、化学、材料科学与生物学的前沿思想，有望推动下一代微纳制造技术的发展。

该工作是研究团队前期一系列仿生水凝胶工作的深入和拓展（Int. J. Extrem. Manuf. 2026, 8, 015509；Int. J. Extrem. Manuf. 2025, 7, 035001；Adv. Funct. Mater. 2023, 2300293；Adv. Health. Mater. 2024, 13, 2400849; Small 2023, 19, 2304384；Small 2023, 19, 2303166；Int. J. Bioprinting 2023, 9, 68；Adv. Mater. Technol. 2022, 7, 2200276；Chem. Soc. Rev. 2015, 44, 5031-5039）。相关研究工作得到科技部纳米科技重点专项、国家自然科学面上基金、中国科学院国际伙伴计划等项目的大力支持。

论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2631-7990/ae1eb7