微流控法胶体颗粒自组装构建可调控光子晶体的研究

This project is to build photonic crystal materials by self-assembly of microdroplets using multiphase microfluidic technology. We will design and fabricate micro- and nanofluidic devices to create monodispersed size-on-demand microdroplets. With the help of well-controlled fluids in microfluidic devices, we can control the microdroplets flow to self-assembly to build photonic crystal structure. Tunable photonic crystals could be obtained by solidification of the photonic crystal structures in microfluidic devices. The main content includes: (1) Creation of monodispersed micro- to nano- droplets using micro-nanofluidic devices; (2) Investigation of the flow control in microfluidic devices for droplets self-assembly and its mechanism; (3) Solidification of self-assembly photonic crystal structures; (4) Reversibly control photonic crystal operation through forces, for example electric stimulation of organometallic polymer materials. Through this project, we expect to create photonic crystal materials using multiphase microfluidics, enrich methodology and mechanism of photonic crystals, and widen applications of photonic crystals.

光子晶体在光电及信息技术领域应用前景广泛。本课题拟开展利用多相微流控方法控制微纳米液珠生产和自组装来构建结构可调控的光子晶体的研究。通过构筑特殊结构的微纳米通道，利用多相流体微流控技术，在微纳米通道中构建单分散的粒径大小可控的微纳米液珠；通过控制微通道的几何结构及通道中的流体特性来控制液珠的自组装构建有序的光子晶体微结构；再固化周期性有序微结构得到光子晶体材料。主要研究内容包括：（1）研究利用微纳米多相流体技术制备单分散的可用于光子晶体自组装结构的液珠的方法；（2）研究控制液珠在微流控芯片中有序自组装的条件及探讨相关的机理；（3）研究自组装光子晶体结构的固化条件；（4）研究外加力场对光子晶体结构的影响。通过这些研究，建立利用多相微流控技术控制胶体颗粒自组装制备光子晶体的新方法，丰富光子晶体制备方法和理论，促进光子晶体更广泛的应用。

本课题结合微流控技术对微纳米尺度流体材料的操控制备基于微纳米液滴的自组装结构，结合可固化的聚合物材料通过相变制备性能稳定固体功能材料。研究利用多相微流控技术控制微纳米液滴的产生和在自组装过程来制备含有微纳米结构的光子晶体材料。已经通过器件结构设计制备不同粒径的微纳米液滴，调控器件结构和材料性能产生自组装的有序结构，通过引入可固化的响应性高分子材料制备光子晶体固体材料。实现了水包油和油包水的液滴产生技术，液滴粒径0.5-500 微米，产生频率1-1000 Hz，流体粘度0.8-1000 mPa.s，界面张力5-30 mN/m；在流体材料中引进了具有响应型的聚合物材料，通过光固化实现液滴的相转变制备稳定的响应性固态光子晶体结构材料。分别针对微流控器件设计、流体控制和材料性能等发表SCI论文12篇，申请专利14项。本课题研究了微纳米尺度器件对流体的控制来制备功能性材料体系可行性，其中对流体材料、固化过程和固态材料在微观环境中的各种性能做了详细的研究和论证，为未来实际生产应用具有一定的参考意义。