有序微结构材料的微流控构筑及微化工过程调控的基础研究

Ordered microstructure materials, with unique long-ranged ordered structure and special physical-chemical properties, have attracted increasing interest. In this project, from the standpoint of assembly of shape/size controllable quantum dots and PS, SiO2 microspheres, we will explore an alternative strategy to fabricate ordered microstructure quantum dots/polymer composite materials with characteristics of quantum effects and photonic band gap via tunable microfluidic process. The assembly of quantum dots and monodisperse microspheres will be achieved through surface modification and interaction based on smart design. We will understand the reactor and motor behavior and assembling process of basic building blocks in confined microfluidic conditions by controlling the microfluidic technique and fluidic behavior for the achievement of quantum dots/polymer materials with controllable structures and high performance. Furthermore, we will consummate the exploration of the intrinsic relationships between the structure and physical-chemical properties of special building blocks and the function of ordered microstructures. The effects of reaction enhancement, controllable integration, process control and other factors in the microchemical process on the physical-chemical properties of the ordered microstructure materials will be also investigated for this system. The multifunctional materials are expected to go on large-scale preparation for economic concern. The construction of multiphase microreactors, multicolor flexible Gyricon displays and sensors based on ordered microstructure materials will also be explored. This work will establish a useful approach and scientific foundation for developing micro-structured chemical systems and micro-chemical engineering, as well as novel chemical materials via the microfluidic method.

本项目以构筑具有量子效应和光子带隙特征的量子点/聚合物有序微结构化工新材料为目标，以纳米量子点以及亚微米单分散聚苯乙烯、二氧化硅胶体粒子为构筑单元，借助微流体过程控制技术，从构筑单元相互间的物理、化学作用入手，通过结构设计、表面修饰与复合互连，研究其在受限微流体控制系统中的瞬态反应、传递行为以及组装规律，实现纳米量子点/聚合物有序微结构材料的结构可控化和高性能化。以产品工程的宏观应用为导向，探求纳微宏跨尺度有序微结构材料宏观功能特性与其构筑单元物化性质间的构效关系，完善有序微结构材料在微化工反应强化、可控集成、过程调控等因素控制下的功能调控规律，实现有序微结构材料的大规模制备，以期将其用于构筑微反应器、多彩柔性显示器等功能器件，提升我国在化工新材料及微化工技术领域的研究水平。

本项目围绕“基于量子点-聚合物单分散微球复合的结构单元、利用微流控技术达到有序集成、大规模生产”为主题，发展了在微流控过程强化中构筑“精密复合”的有序微结构材料技术；揭示了有序微结构材料在结构变化、功能调节、化学环境响应、折射率改变等因素控制下的调控规律；建立了多相流体和颗粒在受限的微流体通道内的流动和传递反应机制；制备了具有纳-微-宏多尺度的有序微结构复合材料技术和相关过程的理论；研究了量子点-聚合物单分散胶体微球在微流体控制过程中的运动规律、能量传递、化学反应；设计了新型微流体设备用于大规模生产大小均一可调、功能可控的新型微结构材料；解决了规模化生产中复杂微流体设备制作复杂、重复性差等问题，大大降低了功能化有序微结构材料的生产成本。此基础上，进一步拓宽了该先进材料在多彩柔性显示、传感、信息存储、阻燃、增强和微反应器中的新应用，为制造纳-微互连、微观可调和宏观可用的有序微结构材料提供原理和技术支撑，并对微化工技术的理论发展和技术支持起到借鉴作用。.此外，基于微流控技术，发展了新型纳微纤维新材料的设计与制备方法--微流控纺丝技术，引领了微流体纺丝技术的发展。另外提出了独特的纤维纺丝化学理论，即在纺丝过程中，通过微流控芯片的调控及外场作用，以纺丝纤维为微反应器，实现反应物在线混合、在线组装及在线原位反应。将微流体纺丝与化学反应相结合，打破了传统微流体纺丝纯物理过程的局限性，成功构筑了一系列纤维基纳米杂化电极材料，半导体量子点、钙钛矿纳米晶掺杂聚合物纤维膜等新型纤维材料，引领了微化工新技术的发展。