动态激光成型技术及水凝胶微结构的制备

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微加工技术发展至今始终致力于如何高度还原设定的程序模型,这对于制备`应用于光子学,电子学,微机械等领域的微纳器件来说是至关重要的,因为它们都需要维持特定的形状和尺寸以保证稳定的性能。这些加工过程都是“静止的”,即为了确保制作出的微纳器件能够忠实还原程序预先设定的形貌,加工过`程中应尽量减少外界干扰。而随着微加工技术的发展,“动态”特性也越来越被人重视。但往往只局限在制备后的结构的动态行为,微加工过程中材料自身的动态行为(如自组织,自组装等)却鲜有研究。生物组织的生长过程经历着丰富的外界环境,是多种因素共同作用的结果,而这也为微加工方法提供了一种新的思路,即在微加工过程中实现多场耦合的仿生制造。本文提出了一种新型的微加工方法——动态激光成型技术。不同于其他传统微加工技术追求高度还原程序设定的模型而避免外场干扰,即所谓静态形成微结构,这种方法创造性的将外场耦合到飞秒激光加工中,实现了动态加工过程。整个微加工过程飞秒激光仅提供一定形状厚度的二维水凝胶片,而三维层状结构的形成则完全是由水凝胶材料的自组织行为完成的。由飞秒激光制作的二维结构在制作的过程中,不断受到外场作用。当外场作用累积到一定阈值后,二维结构体积发生变化从而引起自组织行为。通常的自组织行为有三种,褶皱,起皱和折叠。本文中凝胶片层尺寸很小,无法显示自组织形态,但由于其形成时所受压应力较小,因此可以看作是一种仅在一个波长范围内的褶皱。当片层从基板上脱离时,发生类似褶皱或折叠的行为过程,先是吸水导致整体呈现膨胀趋势,而由于衬底的束缚,使凝胶片层内部发生屈曲。当屈曲程度超过衬底束缚能力时,发生层离现象,即凝胶片层从衬底上脱离,并释放积蓄的弹性势能,在自由空间卷曲。随着激光程序的进行,凝胶片层不断的从衬底上产生,重复着上述动作,并将之前形成的片层托起形成层状结构。这种技术制作的结构受不同加工参数的影响。溶液中PEG-DA的含量保证凝胶片的形貌,而功能性组分AAc和环境中水的含量则影响自组织行为的强度。激光参数光强和单点曝光时间涉及到聚合程度和时间上的耦合。结构的大小和厚度则是能否产生自组织行为的决定性因素。未来这种动态成型技术的发展,可以从四个方面入手:1.改变初始结构形成方法;2.引入不同外场;3.使用不同材料或复合型材料;4.采用不同环境。
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