怎么制备材料界的“双面神”结构?

封面文章|孙锐, 王重宇, 胡衍雷, 辛晨, 吴东. 飞秒激光加工水凝胶双面神微柱及其应用[J]. 中国激光, 2019, 46(9): 0902001

Janus是罗马神话中的一尊“双面神”,他的脑袋前后各有一副面孔,一副看着过去,一副注视未来,代表着矛盾与对立。

自然界中的许多生物,特别是植物,具有对各种外部刺激作出反应而改变其形状的独特能力,例如,带种子的松果鳞片会随着相对湿度的变化而移动,在干燥的环境中释放松果的种子。受这些自然现象的启发,研究人员探索出多种方式来实现各种结构的形状转换,而实现结构变形的重要途径是制备双面神结构,即同一结构上具有两种不同的性质。

然而,双面神结构在制备过程中需要多个辅助过程,如溅射沉积、紫外辐照或电子束辐照等方式来破坏其对称性,效率较低而且成本很高。此外,大多数双面神结构在一个阵列中仅有单一的变形方向,很难在一定范围内任意定义每个结构的变形方向,这意味着目前的双面神结构变形仍缺乏灵活性。

中国科学技术大学精微纳米工程实验室吴东教授课题组利用飞秒激光双光子聚合技术,制备受pH驱动的形状可调的双面神微柱。该微柱由pH敏感的水凝胶聚合而成,其体积可随pH值的变化而变化。当pH值小于9时,水凝胶结构发生收缩,反之则膨胀。利用不同的扫描次数使这些双面神微柱的两侧在pH值变化时发生不同的膨胀,导致整个微柱发生可逆弯曲,如图1。由于激光打印技术的高度灵活性,这些微柱的空间排列、高度和弯曲方向可以任意控制,因此可以制备出各种形状可切换的表面图案,如图2。

图1 双面神微柱形状变化原理示意图。(a)双面神微柱的加工过程;(b)加工完成后的微柱;(c)直立状态下的微柱;(d)弯曲状态下的微柱

图2 高度可控双面神微柱的加工。(a) 三根微柱组成的单元块;(b) 四根向内微柱组成的单元块;(c)四根向外微柱组成的单元块。图中标尺为10 μm

由于这种pH驱动的可变形双面神微柱具有良好的稳定性以及可逆性,因此,该课题组探究了其在信息加解密中可能的应用。如上所述,通过合理控制加工参数,可以任意控制双面神微柱的弯曲方向。将不同弯曲方向的微柱组合在一起,便可以显示特定信息。此外,当pH<9时,双面神微柱可以恢复到直立状态,此时的双面神微柱与单次曝光制备的普通微柱基本相同,难以分辨。基于这种现象,可以通过改变微柱阵列周围环境的pH值,实现对特定信息的加密与解密,如图3。

图3 双面微柱阵列在信息加密/解密中的应用。(a) 加密(左)和解密(右)的概念设计;(b) 字母“J”的加密(左)和解密(右)的光学显微图。图中标尺为15 um

研究人员下一步将扩展该加工方法,由单一地加工微柱结构向加工复杂的形状可调三维结构发展,并尝试与微机械、微驱动等方法相结合,实现微小物体的捕获与运输。