一种微米级双曲面组装体及其制备方法和应用

本发明属于微纳光学材料制备，具体涉及一种微米级双曲面组装体及其制备方法和在光学显微成像中调控放大倍数上的应用。

背景技术：

1、随着光学成像技术的快速发展，人们对高性能且低成本的微型光学系统的需求日益增长。传统的光学显微镜受限于光学衍射极限，其分辨率通常只能达到大约200nm，加之在大规模集成和器件小型化方面的挑战，这些显微镜逐渐难以满足当前对于高分辨率成像性能的要求。微透镜通过对光波传播路径的精确控制，能够将光线聚焦至极小的焦点，从而显著提高了成像分辨率。微透镜根据形状的不同，可以分为多种类型，如半球形、球面和非球面等。其中，双曲面透镜作为一种非球面透镜，具有独特的光学特性。与传统的球面或半球形透镜相比，双曲面透镜可以更精确地聚焦光线，使其在处理像差、提高成像质量方面表现出明显的优势，广泛应用于高端摄影镜头、天文望远镜以及精密光学仪器中。然而，双曲面透镜具有复杂的曲面，为了达到优异的光学性能，需要非常精确地制造。

2、当前双曲面组装体的制备方法主要依赖于机械加工、光刻和热再流等手段，但是这些手段在实际操作中都具有各自的局限性：1）机械加工所用材料必须兼顾良好的光学性质和适宜的机械加工性能，因此在材料的选择上十分有限；在制造微小尺寸的透镜，特别是达到亚微米尺度的精度时，机械加工往往难以实现。2）虽然光刻技术能够将透镜尺寸做到纳米尺度，但其过程包括掩膜制作、曝光、显影等多个复杂步骤，不仅费时费力，而且成本高昂。3）使用热再流技术制造聚合物双曲面组装体在制造难度和成本上相对较低，但由于材料折射率较低，限制了光学成像能力。因此，开发一种既简单又经济的双曲面组装体的制造工艺，且同时兼顾较好的光学成像性能，仍然是该领域的一大难点与挑战。

技术实现思路

1、本发明的目的之一是针对现有技术的不足之处，提供一种微米级双曲面组装体的制备方法，实现了双曲面组装体的低成本制备以及光学显微成像。

2、为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种微米级双曲面组装体的制备方法，包括如下步骤：

3、s1、取雾化装置，该雾化装置的腔体上设置有一个以上的瓶口且瓶口内设置有适配的雾化片，使得该腔体呈密闭状态；

4、s2、当雾化片数量为1时，在雾化片的瓶口处注入正丁醇，接通电源雾化，待正丁醇雾滴在密闭腔室内的质量浓度达到5～20?mg/cm3时，停止雾化；在该雾化瓶口处注入纳米粒子水分散液，接通电源雾化，待密闭腔体内正丁醇雾滴与纳米粒子雾滴的质量浓度比值为(20～40):?1时，停止雾化，纳米粒子进行自组装；

5、或者，当雾化装置的瓶口及雾化片的数量均为m个且m≥2时，在n个瓶口处注入正丁醇，1≤n≤m-1，接通电源雾化，待正丁醇雾滴充满整个容器后，保持正丁醇的雾化状态，并在剩余1个以上的雾化瓶口处注入纳米粒子水分散液进行雾化，待密闭腔体内正丁醇雾滴的质量浓度达到5～20?mg/cm3，且正丁醇雾滴与纳米粒子雾滴的质量浓度比值为(20～40):?1时，停止雾化，纳米粒子进行自组装；

6、所述纳米粒子水分散液的固含量为0.2～20?wt%，ph值为2～7，纳米粒子的直径为15～120?nm；

7、s3、待纳米粒子自组装完毕，用正丁醇冲洗雾化装置的腔室内壁，收集固体产物并离心提纯，即得到微米级双曲面组装体。

8、作为一种微米级双曲面组装体制备方法进一步的改进：

9、优选的，所述纳米粒子水分散液中的纳米粒子为二氧化硅纳米粒子、金纳米颗粒、四氧化三铁纳米颗粒、聚苯乙烯微球、氧化锌纳米颗粒、二氧化钛纳米颗粒的一种。

10、优选的，所述正丁醇雾滴的直径为2.5～25?μm，纳米粒子雾滴的直径为2～10?μm，正丁醇雾滴的直径和纳米粒子雾滴的直径比为2～8。

11、优选的，所述雾化装置中密闭腔体的容积为10～2000?ml，瓶口的内直径为19～40mm。

12、优选的，所述雾化装置中雾化片的谐振频率为108～2400?khz，雾化片上微孔的直径为0.1～100?μm，雾化效率为10～1000?ml/h。

13、优选的，所述雾化装置中电路板的电压为5～45伏，电流为300～1000?ma，功率为1.5～100?w，谐振频率为103～113?khz。

14、优选的，所述正丁醇的纯度大于99.8?wt%。

15、优选的，步骤s3中固体产物离心提纯的转速为1000～3000?r/min，时间为1～2min。

16、本发明的目的之二是提供上述任意一项所述的微米级双曲面组装体的制备方法制得的微米级双曲面组装体。

17、本发明的目的之三是提供一种上述微米级双曲面组装体在光学显微成像中调控放大倍数上的应用。

18、本发明相比现有技术的有益效果在于：

19、1）本发明提供一种微米级双曲面组装体的制备方法，基于水－正丁醇部分混溶体系，通过超声雾化技术将纳米粒子水分散液、正丁醇共同雾化成细微雾滴使其相融，进而组装成微米级的双曲面结构。通过改变纳米粒子的浓度和粒径，可以简单地实现组装体曲面曲度的调控。以纳米粒子为二氧化硅纳米粒子为例，组装体的曲度可在50°～105°范围内调节，组装体的尺寸大小也可以在200nm～20μm范围内控制。该制备方法极大降低了双曲面组装体的制作成本，提高了双曲面组装体制造的灵活性。

20、2）本发明制备的双曲面组装体在光学显微镜下展现出了优良的光学成像性能，不需要对待放大图案进行预处理，通过改变纳米粒子组装体的曲面曲度，其放大倍数可在1.1～2.5倍范围内进行调控。该制备方法简便、经济、高效，制备过程仅需普通的雾化装置，没有复杂的化学合成步骤，几乎不产生任何有毒物质，适合大批量、低成本制备双曲面组装体，有利于商业化应用。

技术特征：

1.一种微米级双曲面组装体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的微米级双曲面组装体的制备方法，其特征在于，所述纳米粒子水分散液中的纳米粒子为二氧化硅纳米粒子、金纳米颗粒、四氧化三铁纳米颗粒、聚苯乙烯微球、氧化锌纳米颗粒、二氧化钛纳米颗粒的一种。

3.根据权利要求1所述的微米级双曲面组装体的制备方法，其特征在于，所述正丁醇雾滴的直径为2.5～25?μm，纳米粒子雾滴的直径为2～10?μm，正丁醇雾滴的直径和纳米粒子雾滴的直径比为2～8。

4.根据权利要求1所述的微米级双曲面组装体的制备方法，其特征在于，所述雾化装置中密闭腔体的容积为10～2000?ml，瓶口的内直径为19～40?mm。

5.根据权利要求4所述的微米级双曲面组装体的制备方法，其特征在于，所述雾化装置中雾化片的谐振频率为108～2400?khz，雾化片上微孔的直径为0.1～100?μm，雾化效率为10～1000?ml/h。

6.根据权利要求4或5所述的微米级双曲面组装体的制备方法，其特征在于，所述雾化装置中电路板的电压为5～45伏，电流为300～1000?ma，功率为1.5～100?w，谐振频率为103～113?khz。

7.根据权利要求1所述的微米级双曲面组装体的制备方法，其特征在于，所述正丁醇的纯度大于99.8?wt%。

8.根据权利要求1所述的微米级双曲面组装体的制备方法，其特征在于，步骤s3中固体产物离心提纯的转速为1000～3000?r/min，时间为1～2?min。

9.一种权利要求1～8任意一项所述的微米级双曲面组装体的制备方法制得的微米级双曲面组装体。

10.一种权利要求9所述的微米级双曲面组装体在光学显微成像中调控放大倍数上的应用。

技术总结
本发明属于微纳光学材料制备技术领域，具体涉及一种微米级双曲面组装体及其制备方法以及在光学成像上的应用。本方法通过超声雾化技术将纳米粒子水分散液、正丁醇共同雾化成细微雾滴使其相融，利用水在正丁醇里部分混溶的特性，水相逐渐扩散到1－丁醇相中，迫使纳米粒子在水－油界面处紧密地堆积，进而组装成微米级的三维双曲面结构。制备的组装体在光学显微镜下具有优良的放大成像性能，可通过改变纳米粒子的浓度和粒径，调控组装体的形态和大小，放大倍数在1.1～2.5倍范围内可调。该制备技术简单、快速，克服了现有双曲面组装体制备程序复杂和成本高的问题，非常适用于微米级双曲面组装体的低成本制备及大规模工业生产。

技术研发人员：刘迪龙,朱钊廷,曹安,李越
受?；さ募际跏褂谜撸?/b>中国科学院合肥物质科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/4/24