合肥工业大学在聚合物智能微结构加工及应用方面取得系列研究进展

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智能超疏水表面在自清洁、防污、油水分离、水下气泡操纵、和雾气收集等领域的广泛应用激发了科研人员浓厚的研究兴趣。然而，大多数表面的智能性是由表面化学和静态微结构的变化实现的，这严重阻碍了它们的应用范围。为了克服这些缺点，形状记忆聚合物（SMP）材料被应用于智能表面。SMP作为一种刺激响应材料，在磁场、酸碱度、光、温度等刺激下，可以实现原始形状和暂时形状之间的可逆转变。受自然界生物的启发，SMP超疏水表面受到科研人员的广泛关注。目前，许多SMP表面调谐是在加热板或烘箱中完成的，不能实现原位调谐。此外，SMP样品在制备过程中使用的模板大都是通过光刻或化学刻蚀的方法得到的，过程复杂，容易造成环境污染。通过飞秒激光微钻孔的方法设计并制备了SMP多种微图案，实现了丰富的表面原位智能润湿性调控。

在实际应用中，原位可逆调谐在无损液滴运输等领域发挥着重要的作用。为了克服上述方法的不足，合肥工业大学刘焜教授、焦云龙副研究员、吴思竹副教授与中国科学技术大学吴东教授课题组合作，利用激光直写并结合聚合物转印技术，制备了一种形貌可控的三维微锥结构阵列，然后利用银纳米薄膜的原位加热功能，实现了微锥结构从弯曲到直立的原位调谐（ACS Appl. Mater. Inter., 2020, 12, 13464-13472.），在此基础之上通过在聚合物材料内部掺杂带有磁性的铁粉颗粒，使得微锥结构在近红外光照和磁场作用下可以实现从直立到弯曲的原位调谐，从而对智能微结构进行了全方位的非接触式形态调控（Adv. Funct. Mater. 2021, doi:10.1002/adfm.202100543），利用这种形态可调的智能微结构可以实现微小液滴的多功能操控，包括液滴原位抓捕、释放、单向运输等功能。

图1 聚合物微结构的制备和形态调谐方法示意图

图2 聚合物微结构形状记忆与润湿性调控机制模型

此外，目前大多数关于SMP的研究主要集中在对空气中不同的液滴操控上，而对微结构SMP表面水下原位油润湿性的可逆调节研究很少。但微结构SMP表面实现水下原位油润湿性和粘附性的可逆调节仍然是一个挑战。他们进一步利用聚合物在不同弯曲状态下的粘附性差异，实现了高粘度流体在水下的无损转移和运输，并探究润湿性和粘附性转化机制（Appl. Phys. Lett. 2021, 118, 033701），同时利用机械拉伸方法在弹性聚合物表面上，通过改变微结构的尺寸大小改变流体在聚合物表面上的接触角滞后特性，建立了三相接触线的滞后阻力模型，并实现对水下流体滑移和钉扎运动行为的原位控制，在微流体领域具有重要的研究价值（Langmuir 2021, 37, 2140–2145）。

图3 聚合物微结构在微液滴操控、水下粘附性调控以及信息加密等领域的应用展示

以上系列研究工作得到包括国家自然科学基金青年基金、面上基金以及中央高校基本科研业务费专项资金的资助。合肥工业大学为论文成果第一署名单位，论文的通讯作者为机械工程学院摩擦学研究所刘焜教授、仪器与光电工程学院吴思竹副教授与中国科学技术大学吴东教授，第一作者包括合肥工业大学摩擦学研究所焦云龙副研究员和仪器与光电工程学院2019级博士研究生李传宗。

相关论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.9b20223

https://doi.org/10.1002/adfm.202100543 

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.langmuir.0c03330

https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/5.0040990 

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