一种基于润湿性调控的微纳自组装结构制备方法技术

本发明专利技术提供了一种基于润湿性调控的微纳自组装结构制备方法，包括如下步骤：通过激光填充刻蚀在基底表面的微纳自组装结构图形内部制备出具有微纳粗糙结构的微纳自组装结构图形；将基底表面用N‑异丙基丙烯酰胺薄膜改性；将第一步中未填充扫描过的区域，采用脉冲激光束扫描抛光工艺，进行填充抛光，使得被扫描区域的N‑异丙基丙烯酰胺薄膜被烧蚀而完全去除且其表面粗糙度小于激光填充刻蚀所获得的微纳粗糙结构的表面粗糙度，从而制备出一种自定义图形化的微纳自组装结构。相比传统基于IC工艺的微纳自组装结构制备工艺，本发明专利技术所述的方法具有步骤简单、工艺成本低、效率高的优点，尤其适合于单件/小批量、自定义的微纳自组装结构样品制备。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于激光应用
，具体涉及一种基于润湿性调控的微纳自组装结构制备方法。
技术介绍
润湿性(wettability)是固体表面的一个重要特征，无论在人们的日常生活还是在工农业生产中都发挥着重要的作用。固体表面润湿性主要取决于表面粗糙度和表面自由能，其大小通常由液滴与固体表面的接触角来衡量。以水为例，一般来说静态接触角小于90°的固体表面称为亲水表面，静态接触角大于90°的固体表面称为疏水表面。特别地，静态接触角小于10°的固体表面称为超亲水表面，静态接触角大于150°的固体表面称为超疏水表面。根据Wenzel理论：cosθR＝rcosθ0，其中，θ0为液体在光滑固体表面的接触角，θR为液体在同种固体的粗糙表面的接触角，r为固体表面的粗糙度因子，r＞1。由Wenzel方程可知，当θ0＜90°时，θR＜θ0，同时θR随着r的增加而降低；当θ0＞90°时，θR＞θ0，同时θR随着r的增加而增加。也就是说，表面粗糙度使得固有亲水的固体表面更加亲水，固有疏水的固体表面更加疏水。利用脉冲激光束进行激光扫描刻蚀是改变表面粗糙度的一种常用方法。激光扫描刻蚀加工在激光加工中属于激光去除类，也可以称之为蒸发加工，是基于激光与被加工材料相互作用引起物态变化形成的热物理效应，实现刻槽或打孔的加工效果。影响加工质量的主要因素取决于激光的波长、激光功率密度、光束质量、聚焦状态和被加工材料本身的物理特性等参数。激光扫描刻蚀加工的方式主要有激光直写方式和振镜扫描方式。激光直写方式的原理是将激光束通过透镜聚集成尽可能小的强度均匀的光点，聚焦在加工件表面上，由计算机系统控制精密工作台在X-Y平面内进行光束扫描运动，而在Z方向上控制进给以及控制不同位置的激光通断状态来实现三维深层刻蚀。这种方法容易与计算机数控技术相结合，能制作出较为复杂的三维立体微结构。振镜扫描方式的工作原理是将从激光器谐振腔中导出的激光通过扩束，经过垂直安装、由伺服电机驱动的一对折返镜的反射，由扫描聚焦透镜聚焦后输出作用于待加工对象上。X、Y轴激光平面反射镜的转动使工作平面上的激光聚焦光斑分别在X、Y轴上移动，两个镜面协同动作使激光聚焦光斑可以在工作平面上完成直线和各种曲线的移动，光束入射角与像面上的光斑位置满足线性关系，从而通过控制入射光束的扫描角来控制光斑在像面上的位置。外场如光、电、磁、热等对固体表面的润湿性有很大的影响，可以实现固体表面亲-疏水性之间的转换。如江雷等人在透明的SnO2纳米棒表面通过紫外光照射及黑暗中存放使该性质得到了实现。他们制备的SnO2的表面接触角在紫外光照射下由(154.1±0.9)°变到了0°，黑暗中存放一段时间后又恢复超疏水性，并且薄膜显示半导性质。张希等人直接用水热法制备了玫瑰花状的纳米结构薄膜，该薄膜展示了极好的超亲水性，40ms内就可吸附4μL的水滴。此外，在进一步修饰后，薄膜由超亲水性变成超疏水性，接触角为154°，倾斜角小于3°。王其华等人将0.1g聚苯乙烯溶解在20mL四氢呋喃中，然后把直径20nm的SiO2分颗粒散其中，制备了一种特殊薄膜，通过控制干燥温度和SiO2的含量就能使其性质由超亲水变成超疏水。浦项科技大学的KilwonCho等制备了玫瑰花状纳米V2O5薄膜，因为V2O5在紫外光照射下显示光致亲水特性，所以该种薄膜在紫外光照射下有超亲水性质，黑暗存放一段时间后，水接触角回降，亲水性下降，一段时间后表现为超疏水性能。自组装(Self-assembly，也叫自我组装)是制备新型结构材料中一种有效重要的方法，起初自组装方法主要应用于制备各种新奇结构的纳米尺度的材料。在自组装的过程中，各种原子、分子、聚合物链段、微纳米粒子等，由系统能量驱动，把他们自己组装成具有一定功能的特殊结构。自组装也可以理解为：基本结构单元基于非共价键的相互作用下自发组织或聚集为一个稳定、具有一定规则几何外观结构的过程。现在意义上的自组装，不仅仅局限于传统的原子、分子、聚合物分子链等微观级别的自组装，已扩展到纳米粒子、生物组织、以及大尺寸的可控形变等。在自然界中有许多可控的三维形变，这些可控形变也可以认为是一种高级的“自组装”过程。例如：伞藻、捕苍草、爬山虎的缠绕生长、冰叶日中花的形变保护种子、豆荚的形变释放种子等。近年来，在宏观尺寸上的自组装引起了人们的广泛关注。Hu等人制备了二层结构的聚丙烯酰胺和聚N-异丙基丙烯酰胺的水凝胶，通过温度控制可以实现大尺寸水凝胶的可控三维形变。Beebe等人将可控形变水凝胶植入到微流控管道中，通过控制外界条件，能够实现微流控管道的“开关”控制。Livage等采用五氧化二钒纳米纤维制备的薄片，通过电场控制实现三维形变，基于此概念制备了人造肌肉制动器。因此宏观尺寸上的三维自组装具有广泛的应用前景。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于润湿性调控的微纳自组装结构制备方法。本专利技术是通过如下技术方案实现的：一种基于润湿性调控的微纳自组装结构制备方法，包括如下步骤：第一步：采用脉冲激光扫描烧蚀工艺，在基底表面按照自定义的微纳自组装结构图形进行填充刻蚀，从而在基底表面的微纳自组装结构图形内部制备出具有微纳粗糙结构的微纳自组装结构图形；所述微纳自组装结构图形包括若干单元图形，所述单元图形可以是各种相同或不同的几何封闭图形的组合；单元图形的排布可以是规则阵列排布或者不规则排布；所述基底的材料要求具有具有静态接触角小于60度的自身固有亲水性能；所述填充刻蚀是聚焦激光束按一定间距的轮廓线填充、平行线填充、交叉线填充、分形填充方式的一种或几种组合进行轨迹扫描，调节聚焦激光束的扫描工艺参数，使得扫描轨迹上的基底材料通过烧蚀去除而形成微细沟槽，即形成所述微纳粗糙结构，其中沟槽深度为0.01～0.5mm；第二步：将第一步获得的基底表面通过薄膜制备工艺获得均匀覆盖的N-异丙基丙烯酰胺薄膜，厚度为10-100nm；第三步：将第一步中未填充扫描过的区域，采用脉冲激光束扫描抛光工艺，进行填充抛光，即聚焦激光束按一定间距的轮廓线填充、平行线填充、交叉线填充、分形填充方式的一种或几种组合进行轨迹扫描，调节聚焦激光束的扫描工艺参数，使得被扫描区域在第二步中获得的N-异丙基丙烯酰胺薄膜被烧蚀而完全去除且其表面粗糙度小于第一步中激光填充刻蚀所获得微纳粗糙结构的表面粗糙度，从而制备出一种自定义图形化的微纳自组装结构；该微纳自组装结构中具有激光填充刻蚀微纳粗糙结构且覆盖有N-异丙基丙烯酰胺薄膜的区域在表面化学成分和粗糙度的耦合作用下，具有热响应润湿性，通过调控控温，可以实现超亲水性和超疏水性之间的可逆变换；而激光填充抛光的区域没有覆盖N-异丙基丙烯酰胺薄膜且表面粗糙度较低，表现出基底高表面自由能的自身固有亲水性能；第四步：测试第三步获得的微纳自组装结构的表面接触角指标、滚动角指标及调控控温的润湿性转变性能指标，若不满足设计要求，则改变脉冲激光扫描烧蚀工艺中激光功率和光斑直径，使得刻蚀沟槽的深度与宽度相应的发生改变，返回到第一步按照新的工艺参数重新进行填充刻蚀；若满足要求，则结束。本专利技术所述的基于润湿性调控的微纳自组装结构制备方法具有如下有益效果：1、本专利技术基于特殊设计的具有热响应润湿性调控的N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)薄膜及基底材料体系，采用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于润湿性调控的微纳自组装结构制备方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步：采用脉冲激光扫描烧蚀工艺，在基底表面按照自定义的微纳自组装结构图形进行填充刻蚀，从而在基底表面的微纳自组装结构图形内部制备出具有微纳粗糙结构的微纳自组装结构图形；所述微纳自组装结构图形包括若干单元图形，所述单元图形可以是各种相同或不同的几何封闭图形的组合；单元图形的排布可以是规则阵列排布或者不规则排布；所述基底的材料要求具有静态接触角小于60度的自身固有亲水性能；所述填充刻蚀是聚焦激光束按一定间距的轮廓线填充、平行线填充、交叉线填充、分形填充方式的一种或几种组合进行轨迹扫描，调节聚焦激光束的扫描工艺参数，使得扫描轨迹上的基底材料通过烧蚀去除而形成微细沟槽，即形成所述微纳粗糙结构，其中沟槽深度为0.01～0.5mm；第二步：将第一步获得的基底表面通过薄膜制备工艺获得均匀覆盖的N‑异丙基丙烯酰胺薄膜，厚度为10～100nm；第三步：将第一步中未填充扫描过的区域，采用脉冲激光束扫描抛光工艺，进行填充抛光，即聚焦激光束按一定间距的轮廓线填充、平行线填充、交叉线填充、分形填充方式的一种或几种组合进行轨迹扫描，调节聚焦激光束的扫描工艺参数，使得被扫描区域在第二步中获得的N‑异丙基丙烯酰胺薄膜被烧蚀而完全去除且其表面粗糙度小于第一步中激光填充刻蚀所获得微纳粗糙结构的表面粗糙度，从而制备出一种自定义图形化的微纳自组装结构；该微纳自组装结构中具有激光填充刻蚀微纳粗糙结构且覆盖有N‑异丙基丙烯酰胺薄膜的区域在表面化学成分和粗糙度的耦合作用下，具有热响应润湿性，通过调控控温，可以实现超亲水性和超疏水性之间的可逆变换；而激光填充抛光的区域没有覆盖N‑异丙基丙烯酰胺薄膜且表面粗糙度较低，表现出基底高表面自由能的自身固有亲水性能；第四步：测试第三步获得的微纳自组装结构的表面接触角指标、滚动角指标及调控控温的润湿性转变性能指标，若不满足设计要求，则改变脉冲激光扫描烧蚀工艺中激光功率和光斑直径，使得刻蚀沟槽的深度与宽度相应的发生改变，返回到第一步按照新的工艺参数重新进行填充刻蚀；若满足要求，则结束。...

【技术特征摘要】
1.一种基于润湿性调控的微纳自组装结构制备方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步：采用脉冲激光扫描烧蚀工艺，在基底表面按照自定义的微纳自组装结构图形进行填充刻蚀，从而在基底表面的微纳自组装结构图形内部制备出具有微纳粗糙结构的微纳自组装结构图形；所述微纳自组装结构图形包括若干单元图形，所述单元图形可以是各种相同或不同的几何封闭图形的组合；单元图形的排布可以是规则阵列排布或者不规则排布；所述基底的材料要求具有静态接触角小于60度的自身固有亲水性能；所述填充刻蚀是聚焦激光束按一定间距的轮廓线填充、平行线填充、交叉线填充、分形填充方式的一种或几种组合进行轨迹扫描，调节聚焦激光束的扫描工艺参数，使得扫描轨迹上的基底材料通过烧蚀去除而形成微细沟槽，即形成所述微纳粗糙结构，其中沟槽深度为0.01～0.5mm；第二步：将第一步获得的基底表面通过薄膜制备工艺获得均匀覆盖的N-异丙基丙烯酰胺薄膜，厚度为10～100nm；第三步：将第一步中未填充扫描过的区域，采用脉冲激光束扫描抛光工艺，进行填充抛...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹宇，何安，薛伟，刘文文，杨焕，孙轲，赵秀菊，
申请(专利权)人：温州大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33