基于相特性迁移的微纳跨尺度可控压缩制作聚合物纳通道新方法研究

本项目提出一种基于相特性迁移的微纳跨尺度可控压缩制作聚合物纳通道新方法。针对现有粘弹模型无法描述玻璃态热塑性聚合物纳尺度形变机理的问题，建立引入表面张力和粘性力作用项的热塑性聚合物纳尺度相特性迁移模型，并与聚合物微尺度蠕变松弛本构方程相结合，构建微-纳耦合相特性迁移模型，形成微纳跨尺度压缩理论。提出"聚合物填充流动引导微结构"，即采用微-纳耦合相特性迁移模型并结合聚合物形变机理压缩实验，设计具有引导结构的初始通道截面，使通道微纳跨尺度压缩时，聚合物向特定区域填充流动，解决压缩中出现的通道截面形状畸变问题。提出"区域温差压缩法"，即通过对弯直通道加热区域的温度场控制，加强弯通道区域聚合物在压缩过程中的填充流动，使弯直通道的收缩趋于一致，解决压缩中弯直通道收缩不同的问题。目前国内外未见本项目提出的理论与方法的报道。本研究将为热塑性聚合物跨尺度制造提供理论基础和新技术。

在本项目资助下，对固体热塑性聚合物纳米尺度相特性迁移进行了研究，发现了其尺度相关性，并基于该特性提出了一种新型纳通道制造方法——微缩填充法。研究了固体热塑性聚合物在纳米尺度下呈现出的熔体特性，即相特性迁移，结果表明，固体热塑性聚合物在填充纳米尺度凹槽时，呈现出与熔体相同的性质，即双峰填充特性。研究了相特性迁移的尺度相关性，结果表明，当形变尺度在2~3个分子链长度至1微米范围内时，固体热塑性聚合物具有熔体性质，当尺度小于2~3个分子链长度或大于1微米时，熔体特性消失。基于固体聚合物的相特性迁移机制，本项目提出了一种制造纳通道的新方法——微缩填充法。该方法首先使用一块带有微米尺度图形的模具在热塑性聚合物基板上压印出微通道，再使用平整的基板对微通道进行压缩，将其缩小为纳通道。项目研究了初始微通道结构参数、压缩工艺参数对通道跨微纳尺度压缩的影响，结果表明，初始微通道截面形状、初始微通道深宽比、压缩温度是影响压缩的重要参数：初始微通道应采用长圆形截面以防止压缩中的截面形状畸变；微通道初始深宽比为1可以得到最佳压缩效果；压缩温度高于材料玻璃转化温度时，仅能得到1D纳通道，压缩温度低于玻璃转化温度时可以得到2D纳通道。微缩填充法工艺简单，可以制造直线和非直线、长度从微米至毫米的2D纳通道，无需使用昂贵的设备和纳米掩膜。本项目采用该方法在PMMA上制造了最小线宽132nm、深80nm、长10mm的纳通道。.基于本项目的研究工作，在国际期刊上发表论文12篇，被SCI收录12篇，EI收录9篇。其中一篇论文发表在微纳流控领域著名期刊Lab on a Chip（工程技术一区，SCI影响因子5.7）上。在已发表论文中，期刊SCI影响因子在3.0以上的有7篇。申请国家发明专利1项。资助1名博士后、2名博士研究生和7名硕士研究生开展了相关研究工作。其中，1人获得全国百篇优秀博士学位论文提名奖，1人获得辽宁省优秀博士学位论文，1人获得辽宁省优秀硕士学位论文，4人获得研究生国家奖学金。