【摘要】：自然界中的生物群體在億萬(wàn)年漫長(zhǎng)的進(jìn)化中經(jīng)歷了物競(jìng)天擇,適者生存的考驗(yàn),形成了各自獨(dú)特的功能結(jié)構(gòu)和行為方式,從而保持了與自然界的和諧相處。師法于自然,自然界中的萬(wàn)千生物為人類(lèi)提供了發(fā)明創(chuàng)造的靈感和智慧的源泉。 本論文將先進(jìn)的飛秒激光微納米加工技術(shù)與仿生設(shè)計(jì)原理相結(jié)合,建立了飛秒激光參量、微納米結(jié)構(gòu)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系模型,探索了結(jié)構(gòu)色、疏水表面和水下超疏油表面的形成機(jī)制,研究了以表面微納米結(jié)構(gòu)為函數(shù)的結(jié)構(gòu)色、疏水表面和水下超疏油表面的可控加工,并進(jìn)行了相關(guān)功能的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。具體內(nèi)容如下： (1)從自然界中表面結(jié)構(gòu)色的形成機(jī)制出發(fā),探索了飛秒激光在金屬表面制備各種微納米結(jié)構(gòu)的要素,以及生成結(jié)構(gòu)色的機(jī)理,從而掌握了人造結(jié)構(gòu)色的形成條件：通過(guò)改變激光掃描速率在鋁表面誘導(dǎo)形成不同的不規(guī)則結(jié)構(gòu)從而生成了對(duì)觀察角度不敏感的金色、白色、灰色和黑色等均勻結(jié)構(gòu)色；將激光誘導(dǎo)的亞波長(zhǎng)周期條紋結(jié)構(gòu)(LIPSS)看作光柵結(jié)構(gòu),系統(tǒng)地研究了結(jié)構(gòu)色與照明光源入射方向和條紋方向之間的關(guān)系,并利用條紋方向與飛秒激光偏振方向垂直的特性,在不銹鋼表面構(gòu)造了包含不同條紋方向的多重圖案,研究了多重圖案的多樣化顯示和獨(dú)立顯示；采用圖案空間平移的方法,在不銹鋼表面實(shí)現(xiàn)了具有三維立體效果圖案的制備；在金屬表面誘導(dǎo)形成了不同周期的條紋結(jié)構(gòu)并研究了該結(jié)構(gòu)特性對(duì)形成結(jié)構(gòu)色的影響；在液體環(huán)境中利用激光在鎳表面制備了不同尺度的三維多孔凸起結(jié)構(gòu)和雜亂交錯(cuò)的條紋結(jié)構(gòu),生成了觀察角度不敏感的均勻色。 (2)采用不同脈沖重合率的飛秒激光微納米加工技術(shù)制備了鋁金屬模板,通過(guò)軟光刻的加工方法,可以把鋁表面的微納米結(jié)構(gòu)互補(bǔ)地轉(zhuǎn)印到PDMS表面,形成了潤(rùn)濕性可調(diào)諧的功能表面。這種制備方法具有簡(jiǎn)易性、快捷性和易于大面積制備等優(yōu)點(diǎn),在多功能表面結(jié)構(gòu)制備等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。 (3)形貌可控的二維／三維微納米金屬結(jié)構(gòu)由于在表面等離子體激元學(xué)、電子學(xué)、生命科學(xué)和化學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景而備受關(guān)注。由于目前的制備方法存在著工序復(fù)雜、加工耗時(shí)、成本高昂、加工面積小等缺陷,我們尋求了一種液體環(huán)境輔助的飛秒激光輻照的方法成功制備了三維微納米金屬結(jié)構(gòu)。此外,我們?cè)阪嚤砻孢M(jìn)行了從5到30ms的一系列原位輻照實(shí)驗(yàn)對(duì)籠狀結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程進(jìn)行了研究。通過(guò)控制激光脈沖能量,可以有效地控制籠狀結(jié)構(gòu)從0.8μm到2μm的生長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)表明這種三維微納米籠狀結(jié)構(gòu)能夠在寬波長(zhǎng)范圍減少光的反射,從而形成黑色鎳表面。通過(guò)控制籠狀結(jié)構(gòu)的大小,可以在80%到7%范圍內(nèi)對(duì)光的反射可控改性。在沒(méi)有表面化學(xué)修飾的條件下,這種微納米籠狀結(jié)構(gòu)能夠?qū)λ慕佑|角在98。到142。范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)制。 (4)魚(yú)的鱗片結(jié)構(gòu)具有水下超疏油的功能,能夠使附著在身體表面的油層由于大的接觸角和小的滾動(dòng)角而完全從身體表面滑落,從而有效地避免了油污等對(duì)身體的污染,表現(xiàn)出了極強(qiáng)的環(huán)境生存能力。我們采用蔗糖溶液輔助的飛秒激光輻照的方法在鎳表面制備了附著有納米絨毛結(jié)構(gòu)的微錐形結(jié)構(gòu)。通過(guò)改變?nèi)芤褐姓崽呛退馁|(zhì)量比,以及脈沖能量可以精確地控制錐形結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng),從而有效地改變鎳表面的粗糙度。這種分級(jí)錐形結(jié)構(gòu)在空氣中是超親水的,而在水下則為超疏油的。通過(guò)控制溶液中蔗糖和水的質(zhì)量比以及脈沖能量可以有效地調(diào)制結(jié)構(gòu)鎳表面水的接觸角、水下油的接觸角和滾動(dòng)角。這種結(jié)構(gòu)鎳成功地應(yīng)用于液體的存儲(chǔ)、導(dǎo)流、混合和轉(zhuǎn)移等操控。該制備方法的優(yōu)點(diǎn)是操作步驟簡(jiǎn)單、可加工面積大、可控性好、無(wú)污染和成本低,在微流體、微傳感器、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有許多潛在的應(yīng)用。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TB383.1;TN249
【圖文】：

代表性的成果可以歸納如下。Kyungjae Chung等[21]受蝴蝶表面自組裝結(jié)構(gòu)生成結(jié)構(gòu)色的啟發(fā)（見(jiàn)圖1.5)，采用磁控濺射的方法在娃表面形成300nm的榻膜，然后采用射頻磁控溉射的方法交替沉積Ti02和Si02，制備了靈活的、非角度依賴(lài)性的結(jié)構(gòu)色反射體(見(jiàn)圖1. 6)。■■e

本文編號(hào)：2804100