基于高分辨表面图案化技术制备多元复合聚合物刷结构的研究

Patterned polymer brushes are interfacial polymeric structures of highly-defined, well-controlled chemical composition and abundant physical morphology. Such structures play important roles in the fields spanning from the chip fabrication, medical diagnostics, cell culture, chemical/biological sensors, surface modification, lubrication control, to marine anti-biolfouling applications. This proposal aims to develop liquid-mediated, scanning probe-based surface patterning methods for the fabrication of highly-defined, high resolution, large-area patterned, multi-component structures of polymer brushes. In this research, first of all we will investigate the fabrication of high resolution patterned structures of multi-component polymer brushes on different substrates, and then investigate the morphological evolution of the as-made thermal responsive polymer brushes in situ by using liquid-mediated scanning probe microscopy. Second, we will study how to manipulate the protein absorption and antifouling properties by using the as-made interfacial polymeric structures of complex surface morphology. Finally, we will develop parallel liquid-mediated scanning probe lithography and study how to transfer the as-made patterns of polymer brushes to other materials in order to extend the scope of use of patterned polymer structures in large area.

聚合物刷图案化表面结构由于具有可控的化学组成与丰富的物理形貌，在芯片制备、医药检测、细胞培养、生物与化学传感器、表面修饰与改性、润滑减阻调节和海洋防污等领域发挥重要的作用。本项目意在开发基于液相扫描探针的表面图案化技术，首先研究在不同基底上制备化学组成与物理形貌可控、分辨率达亚50纳米的多元复合聚合物刷图案结构，并利用扫描探针显微镜原位观察温度响应性的聚合物刷形貌转变过程。然后，研究通过精细的多元复合聚合物刷图案来调控表面结构对蛋白质的吸附与抗吸附性能，进而探索蛋白质分子与图案化聚合物刷相互作用的特性。最后，研究将多探针阵列应用到该方法上，开发出并行表面图案化技术，并探索是否可以将聚合物刷图案结构转移成其他材料的结构，为以后的大面积使用聚合物刷图案结构奠定一定的理论和方法基础。

本项目主要围绕聚合物刷图案化结构的制备与应用展开研究，已取得的主要成果有：1）利用液相扫描探针纳米雕刻技术和表面引发原子转移自由基聚合方法成功制备了分辨率达亚50 nm的二元复合聚合物刷图案化结构；2）开发了液相非接触扫描探针光刻技术，成功制备了三维蛋白质图案化结构；3）利用表面图案化技术对韧性水凝胶的折叠形状进行设计和调控；4）借助于聚合物刷辅助无电沉积方法，成功制备了金属图案化聚合物导电薄膜和三维导电金属海绵；5）制备了聚合物改性海绵，基于毛细作用和水分蒸发原理，该海绵可用于自动运输液体。这些研究成果对化学、材料、能源、生物医药等领域的基础研究和应用性研究都产生了积极的影响。