利用飛秒激光雙光子加工的三維靈活特性與溫度水凝膠

更新時間：2025-10-16

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毛細(xì)力引起的結(jié)構(gòu)組裝是一個常見現(xiàn)象。在日常生活中，如沾水的頭發(fā)、浸墨的毛筆會聚攏在一起；在微納結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，固液界面毛細(xì)力引起的結(jié)構(gòu)粘附同樣廣泛存在。由于微結(jié)構(gòu)彈性力與接觸粘附力隨尺寸變化速度不一致，組裝結(jié)構(gòu)的粘附力往往大于結(jié)構(gòu)彈性力，造成微結(jié)構(gòu)毛細(xì)力組裝行為的不可逆。

在微納加工工藝（如光刻）中，毛細(xì)力引起的結(jié)構(gòu)坍塌或組裝往往會造成結(jié)構(gòu)缺陷。實現(xiàn)微結(jié)構(gòu)毛細(xì)力自組裝的可逆調(diào)控不僅可以拓寬毛細(xì)力自組裝制備方法的應(yīng)用場景，還可以為毛細(xì)力引起的微納器件缺陷修復(fù)等提供新的思路。

創(chuàng)新工作

針對在基于模版轉(zhuǎn)印微納米結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用需求，合肥工業(yè)大學(xué)超快激光微納加工與應(yīng)用團(tuán)隊將毛細(xì)力驅(qū)動自組裝與智能可調(diào)諧材料相結(jié)合，基于飛秒激光雙光子還原技術(shù)，通過溫度調(diào)控微結(jié)構(gòu)毛細(xì)力自組裝，實現(xiàn)了具有各向異性的微結(jié)構(gòu)。同時，探索了該方法在微執(zhí)行器、微傳感器方向的應(yīng)用前景。

由于溫度響應(yīng)水凝膠內(nèi)部含有親水基團(tuán)和疏水基團(tuán)，溫度的改變會影響這些基團(tuán)和水分子的相互作用，使水凝膠內(nèi)部的孔隙發(fā)生變化，導(dǎo)致體積的收縮/膨脹。水凝膠結(jié)構(gòu)的激光加工參數(shù)會影響其溫度響應(yīng)特性。因此，可以通過改變激光加工點間距大小實現(xiàn)各向異性的溫度響應(yīng)水凝膠微結(jié)構(gòu)。

當(dāng)溫度高于臨界形變溫度時，水凝膠整體處于收縮狀態(tài)，掃描間距小的區(qū)域相對于間距大的區(qū)域，收縮較小，因此結(jié)構(gòu)會向掃描間距大的區(qū)域彎曲；當(dāng)溫度低于臨界溫度時，水凝膠整體處于膨脹狀態(tài)，掃描間距小的區(qū)域相對于間距大的區(qū)域，膨脹較小，因此結(jié)構(gòu)會向掃描間距小的區(qū)域彎曲，并且在高溫狀態(tài)下的彎曲狀態(tài)相對于低溫狀態(tài)下更加明顯。基于以上特性可構(gòu)建出具有各向異性的微結(jié)構(gòu)。

圖1 溫度水凝膠的各向異性彎曲。（a）飛秒激光加工系統(tǒng)；（b）溫度調(diào)控水凝膠材料結(jié)構(gòu)的各向異性設(shè)計及溫控變形原理；（c）溫度響應(yīng)水凝膠材料掃描步距與相對膨脹率曲線；（d）激光掃描差異區(qū)域的比例對微結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響曲線

利用飛秒激光雙光子加工的三維靈活特性與溫度水凝膠的各向異性相結(jié)合，可以制備出微執(zhí)行器、微傳感器等器件。如圖2所示，微執(zhí)行器受不同溫度溶液的刺激，不同的微手臂結(jié)構(gòu)在高于臨界溫度和低于臨界溫度兩種溶液環(huán)境下有著左右兩邊相反的彎曲變形，響應(yīng)時間快于200 ms。

圖2 具有雙向運動的微執(zhí)行器

利用溫度響應(yīng)水凝膠在高溫下的顯著收縮特性，制備了具有可逆組裝特性的微機(jī)械手。如圖3所示，在溶液溫度（T₂）低于材料變形臨界溫度（T_C）時，微柱結(jié)構(gòu)會朝內(nèi)略微彎曲，利用此現(xiàn)象可以對物體進(jìn)行篩選。通過溶液揮發(fā)并借助毛細(xì)力驅(qū)動自組裝能夠?qū)崿F(xiàn)抓手閉合，捕獲目標(biāo)物體。

當(dāng)溶液溫度提升到T₁（T₁＞T_C）時，微機(jī)械手結(jié)構(gòu)變形打開，釋放物體。由于水凝膠材料較軟且粘附力較大，如果不引入微結(jié)構(gòu)的溫度調(diào)控變形力，微機(jī)械手會在粘附力作用下難以打開。而當(dāng)變形力與結(jié)構(gòu)彈性力大于結(jié)構(gòu)粘附力時，就實現(xiàn)了微結(jié)構(gòu)組裝行為的可逆與自組裝微機(jī)械手的開閉。

經(jīng)過實驗測試，微機(jī)械手具有良好的抗疲勞性，能夠在多次循環(huán)下重復(fù)使用，在微物體選擇性操縱、液體環(huán)境的局域溫度檢測等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

圖3 微傳感器的可逆組裝過程。（a）微機(jī)械手在不同溶液溫度下的張開、閉合行為示意圖；（b）當(dāng)溶液溫度（T₂）低于材料變形臨界溫度（T_C）時，微機(jī)械手保持微彎曲；（c）隨后在溶液蒸發(fā)引起的毛細(xì)力組裝下，微機(jī)械手閉合，捕獲目標(biāo)物體；（d）當(dāng)微機(jī)械手重新浸入溫度為T₁（T₁＞T_C）的溶液中時，微機(jī)械手重新打開，釋放微物體

后續(xù)工作

未來，團(tuán)隊計劃將激光打印引導(dǎo)自組裝方法適用的材料從聚合物拓展到智能可調(diào)諧、半導(dǎo)體、金屬等材料，并開展復(fù)合材料/微納結(jié)構(gòu)在傳感、檢測、顯示等領(lǐng)域的應(yīng)用研究。

參考文獻(xiàn)：中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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