基于飞秒激光微纳米技术的仿生功能结构研究

发布时间：2020-08-25 19:19

【摘要】：自然界中的生物群体在亿万年漫长的进化中经历了物竞天择,适者生存的考验,形成了各自独特的功能结构和行为方式,从而保持了与自然界的和谐相处。师法于自然,自然界中的万千生物为人类提供了发明创造的灵感和智慧的源泉。 本论文将先进的飞秒激光微纳米加工技术与仿生设计原理相结合,建立了飞秒激光参量、微纳米结构之间的对应关系模型,探索了结构色、疏水表面和水下超疏油表面的形成机制,研究了以表面微纳米结构为函数的结构色、疏水表面和水下超疏油表面的可控加工,并进行了相关功能的实验验证。具体内容如下： (1)从自然界中表面结构色的形成机制出发,探索了飞秒激光在金属表面制备各种微纳米结构的要素,以及生成结构色的机理,从而掌握了人造结构色的形成条件：通过改变激光扫描速率在铝表面诱导形成不同的不规则结构从而生成了对观察角度不敏感的金色、白色、灰色和黑色等均匀结构色；将激光诱导的亚波长周期条纹结构(LIPSS)看作光栅结构,系统地研究了结构色与照明光源入射方向和条纹方向之间的关系,并利用条纹方向与飞秒激光偏振方向垂直的特性,在不锈钢表面构造了包含不同条纹方向的多重图案,研究了多重图案的多样化显示和独立显示；采用图案空间平移的方法,在不锈钢表面实现了具有三维立体效果图案的制备；在金属表面诱导形成了不同周期的条纹结构并研究了该结构特性对形成结构色的影响；在液体环境中利用激光在镍表面制备了不同尺度的三维多孔凸起结构和杂乱交错的条纹结构,生成了观察角度不敏感的均匀色。 (2)采用不同脉冲重合率的飞秒激光微纳米加工技术制备了铝金属模板,通过软光刻的加工方法,可以把铝表面的微纳米结构互补地转印到PDMS表面,形成了润湿性可调谐的功能表面。这种制备方法具有简易性、快捷性和易于大面积制备等优点,在多功能表面结构制备等领域具有广泛应用。 (3)形貌可控的二维／三维微纳米金属结构由于在表面等离子体激元学、电子学、生命科学和化学等领域具有广阔的应用前景而备受关注。由于目前的制备方法存在着工序复杂、加工耗时、成本高昂、加工面积小等缺陷,我们寻求了一种液体环境辅助的飞秒激光辐照的方法成功制备了三维微纳米金属结构。此外,我们在镍表面进行了从5到30ms的一系列原位辐照实验对笼状结构的形成过程进行了研究。通过控制激光脉冲能量,可以有效地控制笼状结构从0.8μm到2μm的生长。实验表明这种三维微纳米笼状结构能够在宽波长范围减少光的反射,从而形成黑色镍表面。通过控制笼状结构的大小,可以在80%到7%范围内对光的反射可控改性。在没有表面化学修饰的条件下,这种微纳米笼状结构能够对水的接触角在98。到142。范围内进行调制。 (4)鱼的鳞片结构具有水下超疏油的功能,能够使附着在身体表面的油层由于大的接触角和小的滚动角而完全从身体表面滑落,从而有效地避免了油污等对身体的污染,表现出了极强的环境生存能力。我们采用蔗糖溶液辅助的飞秒激光辐照的方法在镍表面制备了附着有纳米绒毛结构的微锥形结构。通过改变溶液中蔗糖和水的质量比,以及脉冲能量可以精确地控制锥形结构的生长,从而有效地改变镍表面的粗糙度。这种分级锥形结构在空气中是超亲水的,而在水下则为超疏油的。通过控制溶液中蔗糖和水的质量比以及脉冲能量可以有效地调制结构镍表面水的接触角、水下油的接触角和滚动角。这种结构镍成功地应用于液体的存储、导流、混合和转移等操控。该制备方法的优点是操作步骤简单、可加工面积大、可控性好、无污染和成本低,在微流体、微传感器、生物医学等领域具有许多潜在的应用。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1;TN249
【图文】：

代表性的成果可以归纳如下。Kyungjae Chung等[21]受蝴蝶表面自组装结构生成结构色的启发（见图1.5)，采用磁控溅射的方法在娃表面形成300nm的榻膜，然后采用射频磁控溉射的方法交替沉积Ti02和Si02，制备了灵活的、非角度依赖性的结构色反射体(见图1. 6)。■■e

本文编号：2804100