导 读
近日，中国科学技术大学精密机械与精密仪器系微纳米工程实验室利用飞秒激光微纳加工高效无掩模的优势，结合形状记忆聚合物热缩性能快速制备了高深宽比微孔结构，通过掺杂羰基铁粉的聚二甲基硅氧烷（PDMS）进行转印制备了具有高效磁响应性能的规则微板阵列结构，并通过后期简单的表面修饰制备了多功能“双面神”结构，实现了可控润湿性转变，可控表面颜色切换和可控光学性能调节等多样化功能。相关成果以“Multi-functional Janus microplates arrays actuated by magnetic fields for water/light switch and bio-inspired assimilatory coloration” 为题发表于Advanced Materials上。该论文第一作者为中科大微纳米工程实验室硕士生蒋绍军，通讯作者为胡衍雷副教授和吴东教授。
自然界生物可以对外部激励做出动态响应，从而实现不同表面性能（润湿性、黏附性和光学性能等）的动态调谐。由于在微流体装置，软体机器人和生物医学方面的应用前景，基于动态调谐结构的人工材料在学术研究以及实际应用中受到了广泛的关注。本项工作介绍了一种新颖的高深宽比磁响应微板阵列结构以及基于微板阵列的多功能“双面神”结构制备方法。通过将高效、灵活的激光微纳加工技术与具有热缩性质的形状记忆聚合物相结合，利用掺杂羰基铁粉的PDMS进行转印，实现了高深宽比磁响应微板阵列结构的高效制备，并在此基础上通过简单的表面修饰（超疏水喷涂、激光扫描和表面涂覆等）实现了多功能“双面神”结构的制备，展示了一种高效的多功能化的磁控可调谐结构制备范例。文章还概念性展示了多功能“双面神”磁响应微板阵列结构在可控水滴/光学开关和可控表面颜色切换方面的应用。研究结果揭示了多功能磁响应可调谐结构在微流体、生物医学以及光学应用方面的应用潜力。
本工作利用飞秒激光的烧蚀作用在热缩形状记忆聚苯乙烯薄膜表面制备出规则矩形微孔阵列，并通过加热收缩使得微孔尺寸在xy方向缩小，z方向增大变厚，从而快速制备了具有高深宽比的微孔阵列，随后通过掺杂了羰基铁粉的PDMS进行转印获得具有高深宽比的磁响应微板阵列结构（图1a）。微板结构的磁控弯曲主要是由于其内部链状定向排列的铁粉颗粒会在磁场作用下产生定向磁力矩，从而迫使微板沿着磁场方向弯曲（图1b），通过在固化之前将羰基铁粉掺杂的PDMS在钕铁硼磁铁上放置五秒左右，可以使微板结构内部铁粉颗粒呈链状定向排列（图1c）。微板结构可以在磁场的控制下朝不同方向进行弯曲（图1d-f）。
图1. (a)高深宽比磁响应微板阵列的制备过程。(b)磁场仿真及磁响应微板阵列沿磁场方向弯曲。(c)固化前无磁化的微板与固化前磁化的微板。(d)-(f)磁响应微板结构在不同方向磁场作用下弯曲。
研究者对热缩前后聚苯乙烯薄膜上的矩形微孔进行了研究（图2a），此外还利用飞秒激光加工灵活高效的优势，制备了多种不同尺寸的微板阵列（图2c-f），并对不同参数的微板阵列结构磁响应性能进行了详细的研究（图g-i）。
图2. (a)-(b)收缩前后的微孔电镜图。(c)-(f)不同长宽参数的微板阵列电镜图。(g)-(i)不同长度、宽度、铁粉浓度下微板弯曲角度与磁场强度的关系。
在获得了高深宽比微板阵列之后，研究者对结构表面进行了进一步修饰，首先利用超疏水喷雾对结构表面进行超疏水修饰，使得整个结构表面拥有超疏水性能，然后通过钕铁硼磁铁控制结构朝一边弯曲倾覆，最后使用激光对朝上的一面进行扫描，除去表面的超疏水纳米颗粒，并使微板结构内部的亲水铁粉颗粒暴露，使得激光处理后的表面拥有亲水性能。处理后获得的微板阵列具有“双面神”特性，即未处理过的一面是超疏水的，处理过的一面是亲水的（图3a）。通过改变磁场方向可以控制不同润湿性能的表面朝上，这样就能实现可控的润湿性调谐，水滴接触角可以在~158°与~40°之间进行可逆转换（图3d-f）。在获得可控润湿性调谐“双面神”结构后，该工作展示了此结构在可控水滴“开关”方面的应用。当超疏水一面在磁场控制下朝上时，水滴可以自由从结构表面滚落，此时表现为开启状态（图3g）。当亲水一面朝上时，水滴会被亲水表面截获，牢牢黏附在亲水结构表面，表现为关闭状态（图3h）。
图3. (a)可控润湿性“双面神”结构的制备。(b)激光处理后的亲水表面电镜图。(c)超疏水表面电镜图。(d),(e)“双面神”微板阵列结构的可控润湿性。(f)水滴接触角的多次可逆转换。(g),(h)超疏水与亲水状态下水滴“开关”的开启与关闭状态。
自然界中许多动物可以通过改变体表颜色来进行伪装或通信等，研究者通过在高深宽比微板阵列结构两面涂覆不同的颜色来实现 “双面神”结构制备，在磁场控制下进行可控的颜色切换，从而保持与基底颜色一致，实现“伪装”的功能（图4a-c）。百叶窗可以通过改变叶片倾角来改变光线透过率，研究者在透明PDMS基底上制备磁控微板阵列，可以实现类似于百叶窗的功能，利用磁场控制微板的倾斜角，可以实现可调谐的光学性能，改变光线的透过率（图4d）。该工作展示了微板结构在可控光学“光闸”方面的新型应用，当磁场较小微板处于竖直状态时，光可以穿过结构，“光闸”为开启状态（图4e），当移动磁铁，磁场逐渐增强，微板阵列弯曲时，光可以被结构完全挡住，“光闸”处于关闭状态（图4f）。磁控光学“光闸”可以实现可逆的开启-关闭状态切换（图4g）。
图4. (a)-(c)磁控微板阵列结构实现可控表面颜色切换。(d)磁控微板阵列用于光学光闸应用。(e)光穿过处于开启状态的光闸。(f)光被处于关闭状态的光闸阻挡。(g)光闸的连续可逆开启-关闭控制。
该研究提出了一种基于飞秒激光微纳加工与热缩形状记忆聚合物相结合，快速灵活制备高深宽比磁控可调谐微板阵列结构的方法。通过充分利用飞秒激光一步无掩模高效加工的优势，可以便捷地制备出不同尺寸参数的高深宽比微板阵列结构。通过简单的表面修饰策略可以实现具有双面不同性能的“双面神”结构高效制备，能够实现可控润湿性转变，可控表面颜色切换和可控光学性能调谐。这种新型加工方法结合了飞秒激光灵活微纳加工能力以及形状记忆聚合物智能变形能力，为功能性微结构的制备开辟了新途径。此外便捷的表面修饰方法为多功能表面器件的制备提供了新的思路，具有极大的灵活性和可扩展性，可以在微流体装置，微机械装置，光学通讯及光学操控等方面获得广泛的应用。
文章链接
S. Jiang, Y. Hu*, H. Wu, Y. Zhang, Y. Zhang, Y. Wang, Y. Zhang, W. Zhu, J. Li, D. Wu*, J. Chu，Adv. Mater. 2018, 07507
https://doi.org/10.1002/adma.201807507
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