基于飞秒激光微纳米技术的仿生功能结构研究

摘要

自然界中的生物群体在亿万年漫长的进化中经历了物竞天择，适者生存的考验，形成了各自独特的功能结构和行为方式，从而保持了与自然界的和谐相处。师法于自然，自然界中的万千生物为人类提供了发明创造的灵感和智慧的源泉。
　　本论文将先进的飞秒激光微纳米加工技术与仿生设计原理相结合，建立了飞秒激光参量、微纳米结构之间的对应关系模型，探索了结构色、疏水表面和水下超疏油表面的形成机制，研究了以表面微纳米结构为函数的结构色、疏水表面和水下超疏油表面的可控加工，并进行了相关功能的实验验证。具体内容如下:
　　(1)从自然界中表面结构色的形成机制出发，探索了飞秒激光在金属表面制备各种微纳米结构的要素，以及生成结构色的机理，从而掌握了人造结构色的形成条件:通过改变激光扫描速率在铝表面诱导形成不同的不规则结构从而生成了对观察角度不敏感的金色、白色、灰色和黑色等均匀结构色;将激光诱导的亚波长周期条纹结构(LIPSS)看作光栅结构，系统地研究了结构色与照明光源入射方向和条纹方向之间的关系，并利用条纹方向与飞秒激光偏振方向垂直的特性，在不锈钢表面构造了包含不同条纹方向的多重图案，研究了多重图案的多样化显示和独立显示;采用图案空间平移的方法，在不锈钢表面实现了具有三维立体效果图案的制备;在金属表面诱导形成了不同周期的条纹结构并研究了该结构特性对形成结构色的影响;在液体环境中利用激光在镍表面制备了不同尺度的三维多孔凸起结构和杂乱交错的条纹结构，生成了观察角度不敏感的均匀色。
　　(2)采用不同脉冲重合率的飞秒激光微纳米加工技术制备了铝金属模板，通过软光刻的加工方法，可以把铝表面的微纳米结构互补地转印到PDMS表面，形成了润湿性可调谐的功能表面。这种制备方法具有简易性、快捷性和易于大面积制备等优点，在多功能表面结构制备等领域具有广泛应用。
　　(3)形貌可控的二维/三维微纳米金属结构由于在表面等离子体激元学、电子学、生命科学和化学等领域具有广阔的应用前景而备受关注。由于目前的制备方法存在着工序复杂、加工耗时、成本高昂、加工面积小等缺陷，我们寻求了一种液体环境辅助的飞秒激光辐照的方法成功制备了三维微纳米金属结构。此外，我们在镍表面进行了从5到30ms的一系列原位辐照实验对笼状结构的形成过程进行了研究。通过控制激光脉冲能量，可以有效地控制笼状结构从0.8μm到2μm的生长。实验表明这种三维微纳米笼状结构能够在宽波长范围减少光的反射，从而形成黑色镍表面。通过控制笼状结构的大小，可以在80％到7％范围内对光的反射可控改性。在没有表面化学修饰的条件下，这种微纳米笼状结构能够对水的接触角在98°到142°范围内进行调制。
　　(4)鱼的鳞片结构具有水下超疏油的功能，能够使附着在身体表面的油层由于大的接触角和小的滚动角而完全从身体表面滑落，从而有效地避免了油污等对身体的污染，表现出了极强的环境生存能力。我们采用蔗糖溶液辅助的飞秒激光辐照的方法在镍表面制备了附着有纳米绒毛结构的微锥形结构。通过改变溶液中蔗糖和水的质量比，以及脉冲能量可以精确地控制锥形结构的生长，从而有效地改变镍表面的粗糙度。这种分级锥形结构在空气中是超亲水的，而在水下则为超疏油的。通过控制溶液中蔗糖和水的质量比以及脉冲能量可以有效地调制结构镍表面水的接触角、水下油的接触角和滚动角。这种结构镍成功地应用于液体的存储、导流、混合和转移等操控。该制备方法的优点是操作步骤简单、可加工面积大、可控性好、无污染和成本低，在微流体、微传感器、生物医学等领域具有许多潜在的应用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 仿生结构色

1．2．1 自然界中常见的结构色

1．2．2 仿生结构色研究进展

1．3 润湿性相关的基本概念

1．3．1 接触角

1．3．2 滚动角

1．4 超疏水现象及仿生研究

1．4．1 自然界中的超疏水现象

1．4．2 仿生超疏水表面制备方法

1．5 水下超疏油表面及其研究

1．6 课题意义及本论文主要研究内容

第2章 飞秒激光仿生结构表面若干关键技术问题的研究

2．1 飞秒激光微纳米加工平台的搭建

2．2 飞秒激光仿生表面实验样品及材料参数

2．3 飞秒激光加工工艺流程

2．4 飞秒激光加工参数及环境对微纳米结构的影响

第3章 飞秒激光仿生结构色研究

3．1 引言

3．2 飞秒激光不同速率铝表面激光及颜色演化

3．3 金属表面多彩图案的制备及多样化显示

3．4 金属表面高空间重合率的多图案制备及显示

3．5 金属表面三维立体效果彩色图案的研究

3．6 飞秒激光不同波长诱导金属表面仿生结构色

3．7 液体辅助的飞秒激光金属表面结构色

3．8 本章小结

第4章 基于飞秒激光金属模板制备PDMS润湿表面

4．1 引言

4．2 飞秒激光微纳米结构铝表面

4．3 PDMS转印及其润湿特性研究

4．4 可调谐的接触角和高粘附力转印表面

4．5 本章小结

第5章 乙醇辅助的飞秒激光三维多孔金属微纳米笼状结构

5．1 引言

5．2 乙醇辅助的飞秒激光辐照制备三维微纳米笼状结构

5．3 不同辐照时间的三维微纳米笼状结构形成过程原位演化

5．4 微纳米笼状结构生长的精确控制

5．5 微纳米笼状结构表面光学特性研究

5．6 微纳米笼状结构表面润湿性研究

5．7 本章小结

第6章 蔗糖溶液辅助的飞秒激光超亲水／水下超疏油锥形结构

6．1 引言

6．2 超亲水／水下超疏油锥形结构的制备

6．3 锥形结构生长的精确控制

6．4 锥形结构的亲水性和亲油性

6．5 锥形结构镍表面的液体操控研究

6．5．1 液体的固定和存储

6．5．2 液体定向流动的控制

6．5．3 液体混合的控制

6．5．4 液体的转移

6．6 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 论文的主要研究内容

7．1．1 均匀结构色形成的研究

7．1．2 观察角度依赖性结构色的研究

7．1．3 软光刻制备PDMS功能表面的研究

7．1．4 乙醇辅助的飞秒激光微纳米技术实现低反射、疏水的多功能镍表面

7．1．5 蔗糖溶液辅助的飞秒激光制备超亲水和水下超疏油镍表面

7．2 研究工作的创新之处

7．3 工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果