智能梯度微纳结构的制备及其浸润行为可控诱导研究

Benefiting from the continuously changed morphological structure or chemical component, gradient materials have shown unique advantages when applied in the field of fluid self-transportation and high-throughput screening of materials. Presently, developing intelligent gradient materials is one of main routes to broaden the applicating range of gradient materials and meet the needs of people on intelligent materials. In this project, the gradient materials are improved to be intelligent through designing and adopting a novel way that introducing stimuli-responsive factors into gradient micro/nanostructures. Using two dimension ordered colloidal microsphere arrays as processing template, stimuli-responsive materials are fabricated to be various intelligent gradient micro/nanostructures by different gradient processing technology in the project. The as-prepared intelligent gradient micro/nanostructures can affect the change of surface roughness and intrinsic contact angle of fluid on the materials under external stimulus, which can be utilized to control the wetting behavior of fluid on their surface. Based on the ability of controlling the wetting behavior of fluid, the as-prepared intelligent gradient micro/nanostructures have great application prospects in the field of intelligent valve in microfluidics and controllable directional self-transportation of fluid. The project will lay a foundation for achieving the intellectualization and preliminary application of gradient materials.

受益于连续不断变化的形貌结构或化学组成，梯度材料在液体自输送、材料高通量筛选等领域已经展现出其特有的优势。目前，实现梯度材料的智能化是拓展梯度材料的应用范围以及迎合人们对于智能材料的需求的重要途径之一。本项目针对这一课题，设计了“将刺激响应材料引入到梯度微纳结构中”的新思路，从而实现梯度材料的智能化转变。本项目以二维有序排列的胶体晶体微球阵列为加工模板，采用不同的梯度加工技术对刺激响应材料进行加工，从而制备一系列规整排列的智能梯度微纳结构。所制备的智能梯度微纳结构在外界环境刺激下会影响其表面粗糙度或液体在材料表面的本征浸润角，进而控制材料表面液体的浸润行为。基于智能梯度微纳结构对表面液体行为的调控能力，其在微流控智能阀门及液体可控定向自运输等领域有着极大的应用前景。本项目的实施为实现梯度材料的智能化及初步应用转化奠定基础，具有重要的科学意义。

梯度材料是一种物理结构或化学组成沿某一趋势连续变化的材料。受益于其表面性质的连续变化性，其对表面流体具有定向诱导作用。自然界中经过长期进化所得的梯度结构便具有对流体诱导的性质，如蜘蛛丝的纺锤状结构和仙人掌的刺状结构。然而受益于自然，并且要超越自然。因此本项目目的在于将梯度材料与刺激响应材料相结合，设计并制备通过外界刺激可以对表面流体流动行为进行调控的新型梯度材料。.我们基于项目申请书中原定的设计方案成功地将梯度材料与刺激响应材料相结合制备出对表面液体流动行为具有诱导作用的智能梯度微纳结构，包括应力刺激响应的PDMS多孔薄膜、pH刺激响应和温度刺激响应的梯度分子刷阵列三种智能梯度材料。基于材料表面结构中梯度元素在外界环境改变的情况下的显现及隐藏的切换，实现了对于表面流体流动方向的智能控制。同时基于所制备智能梯度微纳结构的特性，我们将所制备的特殊浸润性的材料用于实现液体流动的诱导及可控定向收集。目前为止已完成了项目申请书中所涉及的主要内容，然而在项目执行过程中，我们发现梯度材料除了对流体有诱导作用外，同时具有减少材料水下阻力的作用，因此结合研究平台与目前所研发的智能梯度微纳材料的性质，将所制备的智能梯度微纳结构与船舶涂层方向相结合，将智能的梯度微尺度结构引入到涂层中，实现智能船舶涂层的研发。