日常生活中,大部人都被蚊子叮咬過。無孔不入的蚊子可以在人體任意位置叮咬,快速產生鼓包,這個過程往往給人們帶來了許多困擾。然而從另一個角度看,叮咬過程實質上可以認為是一種在皮膚任意曲面上快速構建表面結構的方式。相較于現有的微加工方法,蚊子叮咬產生結構的方式快速且靈活。究其根本原因是由于人體為了維持內部穩態結構而導致體液遷移、聚集在叮咬部位,從而產生結構。借鑒上述過程,浙江大學趙騫教授團隊提出了一種基于液體遷移的新型微加工策略。
圖1. 蚊子叮咬產生鼓包
具體而言,研究團隊設計了含光動態雙硫鍵的聚合物網絡,并將該聚合物網絡溶脹于具有高熱穩定性的石蠟液體中,得到石蠟凝膠。此時,當對凝膠表面施加局部光照時,如圖2所示,光照區域由于雙硫鍵的交換而引起網絡拓撲結構重排,誘導周邊液體石蠟向曝光區域遷移富集,形成表面結構。
圖2. 動態網絡在光照時的變化機理
在上述微加工策略下,圖3展現出了具體的加工結果,其中微結構的生成僅需10s,同時結構精度能達到亞微米級。
圖3. 光照時間(A), 交聯劑含量(B), 對所得到微結構尺寸的影響. (C)所構筑結構寬度對最終生成結構的高寬比的影響. (D)(E)所得到的各類表面微結構
進一步,本研究以數字掩膜代替傳統的物理掩膜,大大增加了表面圖案的設計性和靈活度。通過軟件設計相關圖案并進行程序化曝光,材料表面即可形成形態各異的微結構,包括階梯狀、山脈狀。通過合理的曝光設計,該方法甚至可以在同一表面同時構筑上凸與下凹結構,這是一般加工方法所難以實現的。此外,材料內部的液體遷移可以通過后續曝光重新調整其移動方向,從而實現對表面微結構的動態調控。如圖4(F)所示,原先的山脈結構,通過光照區域的調節,山峰與山谷高度將發生動態切換。
圖4. (A)數字化掩膜過程, (B)光照時間的影響, (C)階梯狀結構, (D)山脈狀結構, (E)既有凸起又有凹陷的立方體結構, (F)凝膠表面結構的動態調控
由于該方法的結構產生僅需要內部液體遷移,因此這種加工方式將擺脫材料表面形態的限制,實現任意曲面下的微結構加工,如5所示。相比于傳統的微結構加工方式,該方法突破了二維加工的限制,為三維曲面微結構加工提供了一種新的思路。
圖5. 曲面的微結構加工
相關工作以“Homeostatic growth of dynamic covalent polymer network toward ultrafast direct soft lithography”為題發表于Science子刊Science Advances (Sci. Adv. 2021, 7: eabi7360),趙騫教授為通訊作者,陳狄博士為第一作者,浙江大學寧波研究院為第一完成單位。工作獲得了國家自然基金委以及浙大寧波研究院科研啟動經費的支持。
原文鏈接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abi7360
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