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利用飞秒激光双光子加工的三维灵活特性与温度水凝胶

更新时间：2025-10-16点击次数：30

毛细力引起的结构组装是一个常见现象。在日常生活中，如沾水的头发、浸墨的毛笔会聚拢在一起；在微纳结构领域，固液界面毛细力引起的结构粘附同样广泛存在。由于微结构弹性力与接触粘附力随尺寸变化速度不一致，组装结构的粘附力往往大于结构弹性力，造成微结构毛细力组装行为的不可逆。

在微纳加工工艺（如光刻）中，毛细力引起的结构坍塌或组装往往会造成结构缺陷。实现微结构毛细力自组装的可逆调控不仅可以拓宽毛细力自组装制备方法的应用场景，还可以为毛细力引起的微纳器件缺陷修复等提供新的思路。




创新工作



针对在基于模版转印微纳米结构领域的应用需求，合肥工业大学超快激光微纳加工与应用团队将毛细力驱动自组装与智能可调谐材料相结合，基于飞秒激光双光子还原技术，通过温度调控微结构毛细力自组装，实现了具有各向异性的微结构。同时，探索了该方法在微执行器、微传感器方向的应用前景。

由于温度响应水凝胶内部含有亲水基团和疏水基团，温度的改变会影响这些基团和水分子的相互作用，使水凝胶内部的孔隙发生变化，导致体积的收缩/膨胀。水凝胶结构的激光加工参数会影响其温度响应特性。因此，可以通过改变激光加工点间距大小实现各向异性的温度响应水凝胶微结构。

当温度高于临界形变温度时，水凝胶整体处于收缩状态，扫描间距小的区域相对于间距大的区域，收缩较小，因此结构会向扫描间距大的区域弯曲；当温度低于临界温度时，水凝胶整体处于膨胀状态，扫描间距小的区域相对于间距大的区域，膨胀较小，因此结构会向扫描间距小的区域弯曲，并且在高温状态下的弯曲状态相对于低温状态下更加明显。基于以上特性可构建出具有各向异性的微结构。

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图1 温度水凝胶的各向异性弯曲。（a）飞秒激光加工系统；（b）温度调控水凝胶材料结构的各向异性设计及温控变形原理；（c）温度响应水凝胶材料扫描步距与相对膨胀率曲线；（d）激光扫描差异区域的比例对微结构响应的影响曲线




利用飞秒激光双光子加工的三维灵活特性与温度水凝胶的各向异性相结合，可以制备出微执行器、微传感器等器件。如图2所示，微执行器受不同温度溶液的刺激，不同的微手臂结构在高于临界温度和低于临界温度两种溶液环境下有着左右两边相反的弯曲变形，响应时间快于200 ms。



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图2 具有双向运动的微执行器



利用温度响应水凝胶在高温下的显著收缩特性，制备了具有可逆组装特性的微机械手。如图3所示，在溶液温度（T2）低于材料变形临界温度（TC）时，微柱结构会朝内略微弯曲，利用此现象可以对物体进行筛选。通过溶液挥发并借助毛细力驱动自组装能够实现抓手闭合，捕获目标物体。




当溶液温度提升到T1（T1＞TC）时，微机械手结构变形打开，释放物体。由于水凝胶材料较软且粘附力较大，如果不引入微结构的温度调控变形力，微机械手会在粘附力作用下难以打开。而当变形力与结构弹性力大于结构粘附力时，就实现了微结构组装行为的可逆与自组装微机械手的开闭。

经过实验测试，微机械手具有良好的抗疲劳性，能够在多次循环下重复使用，在微物体选择性操纵、液体环境的局域温度检测等领域具有良好的应用前景。



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图3 微传感器的可逆组装过程。（a）微机械手在不同溶液温度下的张开、闭合行为示意图；（b）当溶液温度（T2）低于材料变形临界温度（TC）时，微机械手保持微弯曲；（c）随后在溶液蒸发引起的毛细力组装下，微机械手闭合，捕获目标物体；（d）当微机械手重新浸入温度为T1（T1＞TC）的溶液中时，微机械手重新打开，释放微物体


后续工作



未来，团队计划将激光打印引导自组装方法适用的材料从聚合物拓展到智能可调谐、半导体、金属等材料，并开展复合材料/微纳结构在传感、检测、显示等领域的应用研究。




参考文献： 中国光学期刊网




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