利用飛秒激光雙光子加工的三維靈活特性與溫度水凝膠

更新時間：2025-10-16

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毛細力引起的結構組裝是一個常見現象。在日常生活中，如沾水的頭發、浸墨的毛筆會聚攏在一起；在微納結構領域，固液界面毛細力引起的結構粘附同樣廣泛存在。由于微結構彈性力與接觸粘附力隨尺寸變化速度不一致，組裝結構的粘附力往往大于結構彈性力，造成微結構毛細力組裝行為的不可逆。

在微納加工工藝（如光刻）中，毛細力引起的結構坍塌或組裝往往會造成結構缺陷。實現微結構毛細力自組裝的可逆調控不僅可以拓寬毛細力自組裝制備方法的應用場景，還可以為毛細力引起的微納器件缺陷修復等提供新的思路。

創新工作

針對在基于模版轉印微納米結構領域的應用需求，合肥工業大學超快激光微納加工與應用團隊將毛細力驅動自組裝與智能可調諧材料相結合，基于飛秒激光雙光子還原技術，通過溫度調控微結構毛細力自組裝，實現了具有各向異性的微結構。同時，探索了該方法在微執行器、微傳感器方向的應用前景。

由于溫度響應水凝膠內部含有親水基團和疏水基團，溫度的改變會影響這些基團和水分子的相互作用，使水凝膠內部的孔隙發生變化，導致體積的收縮/膨脹。水凝膠結構的激光加工參數會影響其溫度響應特性。因此，可以通過改變激光加工點間距大小實現各向異性的溫度響應水凝膠微結構。

當溫度高于臨界形變溫度時，水凝膠整體處于收縮狀態，掃描間距小的區域相對于間距大的區域，收縮較小，因此結構會向掃描間距大的區域彎曲；當溫度低于臨界溫度時，水凝膠整體處于膨脹狀態，掃描間距小的區域相對于間距大的區域，膨脹較小，因此結構會向掃描間距小的區域彎曲，并且在高溫狀態下的彎曲狀態相對于低溫狀態下更加明顯。基于以上特性可構建出具有各向異性的微結構。

圖1 溫度水凝膠的各向異性彎曲。（a）飛秒激光加工系統；（b）溫度調控水凝膠材料結構的各向異性設計及溫控變形原理；（c）溫度響應水凝膠材料掃描步距與相對膨脹率曲線；（d）激光掃描差異區域的比例對微結構響應的影響曲線

利用飛秒激光雙光子加工的三維靈活特性與溫度水凝膠的各向異性相結合，可以制備出微執行器、微傳感器等器件。如圖2所示，微執行器受不同溫度溶液的刺激，不同的微手臂結構在高于臨界溫度和低于臨界溫度兩種溶液環境下有著左右兩邊相反的彎曲變形，響應時間快于200 ms。

圖2 具有雙向運動的微執行器

利用溫度響應水凝膠在高溫下的顯著收縮特性，制備了具有可逆組裝特性的微機械手。如圖3所示，在溶液溫度（T₂）低于材料變形臨界溫度（T_C）時，微柱結構會朝內略微彎曲，利用此現象可以對物體進行篩選。通過溶液揮發并借助毛細力驅動自組裝能夠實現抓手閉合，捕獲目標物體。

當溶液溫度提升到T₁（T₁＞T_C）時，微機械手結構變形打開，釋放物體。由于水凝膠材料較軟且粘附力較大，如果不引入微結構的溫度調控變形力，微機械手會在粘附力作用下難以打開。而當變形力與結構彈性力大于結構粘附力時，就實現了微結構組裝行為的可逆與自組裝微機械手的開閉。

經過實驗測試，微機械手具有良好的抗疲勞性，能夠在多次循環下重復使用，在微物體選擇性操縱、液體環境的局域溫度檢測等領域具有良好的應用前景。

圖3 微傳感器的可逆組裝過程。（a）微機械手在不同溶液溫度下的張開、閉合行為示意圖；（b）當溶液溫度（T₂）低于材料變形臨界溫度（T_C）時，微機械手保持微彎曲；（c）隨后在溶液蒸發引起的毛細力組裝下，微機械手閉合，捕獲目標物體；（d）當微機械手重新浸入溫度為T₁（T₁＞T_C）的溶液中時，微機械手重新打開，釋放微物體

后續工作

未來，團隊計劃將激光打印引導自組裝方法適用的材料從聚合物拓展到智能可調諧、半導體、金屬等材料，并開展復合材料/微納結構在傳感、檢測、顯示等領域的應用研究。

參考文獻：中國光學期刊網

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