郭金坤 趙澤佳 凌進(jìn)中 袁影 王曉蕊

(西安電子科技大學(xué)光電工程學(xué)院,西安 710071)

針對(duì)軟物質(zhì)的激光微納加工技術(shù),通過(guò)激光輔助機(jī)械注射和可控自組裝來(lái)實(shí)現(xiàn)裝配軟物質(zhì)微滴球體結(jié)構(gòu)的目的,相較于傳統(tǒng)的液滴微流控技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢(shì).本文研究了激光能量、光束尺寸、曝光位置等激光參數(shù)對(duì)激光輔助機(jī)械注射的影響,得到了最佳的激光參數(shù)條件范圍,發(fā)現(xiàn)過(guò)高的激光強(qiáng)度(如0.365 mW)可誘發(fā)液晶材料的對(duì)流而不注入子液滴.研究了表面活性劑濃度、液晶種類(lèi)和相態(tài)等材料因素對(duì)注射機(jī)械力,以及注入子液滴尺寸的影響.證實(shí)表面活性劑濃度影響的實(shí)質(zhì)是不同的離子濃度會(huì)改變相同升溫條件下所形成的界面張力梯度值(注射機(jī)械力提高3.1 倍);發(fā)現(xiàn)液晶的相態(tài)對(duì)激光注射沒(méi)有影響,而液晶的種類(lèi)會(huì)改變注入難度(彈性常數(shù)K 值越高越難注入).此外,引入液晶微滴的拓?fù)湎噱e(cuò)線(xiàn)作為子液滴的自組裝模板,分析了注入子液滴在拓?fù)湎噱e(cuò)線(xiàn)上的自組裝動(dòng)力學(xué)過(guò)程.軟物質(zhì)激光微納加工技術(shù)可應(yīng)用于光電子、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的三維球體結(jié)構(gòu)的極端加工與應(yīng)用開(kāi)發(fā).

1 引言

軟物質(zhì)又稱(chēng)軟凝聚態(tài)物質(zhì),包含液晶、膠體、高分子、泡沫、薄膜、顆粒物質(zhì)和生命體系物質(zhì)等,在自然界、生命體、日常生活和生產(chǎn)中廣泛存在且影響深遠(yuǎn)[1].經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展,固體材料的極端制造特別是激光制造技術(shù)從宏觀(guān)跨越到了微觀(guān)尺度,實(shí)現(xiàn)了將復(fù)雜電子功能集成在微米尺度的電子器件上,在半導(dǎo)體領(lǐng)域取得了革命性的成功,創(chuàng)造了巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值,成為舉足輕重的先進(jìn)制造核心技術(shù).在軟物質(zhì)領(lǐng)域采用類(lèi)似的微型化策略,研究將其裝配成介觀(guān)尺度(毫米至納米的范圍)的液滴并加工其球體結(jié)構(gòu)的微納加工技術(shù),同樣有著重要的科學(xué)和應(yīng)用價(jià)值.首先,軟物質(zhì)微滴已被廣泛運(yùn)用于微型光電子器件[2-9]、防偽標(biāo)識(shí)[10]、智能傳感[11]、人造細(xì)胞[12]、生物檢測(cè)[13-15]、體外診斷[16]等前沿技術(shù)領(lǐng)域的研究和開(kāi)發(fā).其次,軟物質(zhì)微滴具有試劑消耗量極小(成本低)、操控方便、交叉污染少等顯著特征,在藥物遞送[17]、微生物培養(yǎng)[18]、食品工程[19]、化妝品工程[20]和微化學(xué)[21]等多個(gè)領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用價(jià)值.

目前針對(duì)軟物質(zhì)微滴的微納加工普遍采用液滴微流控技術(shù)[2,10],該技術(shù)借助微流控芯片控制互不相溶的液體發(fā)生對(duì)流,在剪切和擠壓的作用下形成微滴并以?xún)刹交蚨嗖降姆绞窖b配微滴球體結(jié)構(gòu).然而,軟物質(zhì)包含諸如流動(dòng)性、低剪切阻力、界面張力等特殊的物理性質(zhì)限制了微流控技術(shù)的加工能力,借其只能完成一些較大尺寸(亞毫米級(jí))的簡(jiǎn)單球體結(jié)構(gòu)的加工裝配[22].更為重要的是軟物質(zhì)具有與液體類(lèi)似的流動(dòng)性的同時(shí),亦具有與晶體類(lèi)似的長(zhǎng)程有序性,這意味著可憑借軟物質(zhì)分子的排列來(lái)誘導(dǎo)其介質(zhì)中的微納米顆粒自發(fā)地排列為某種有序結(jié)構(gòu)(自組裝).中國(guó)吉林大學(xué)李云峰課題組和加拿大多倫多大學(xué)Kumacheva 課題組[23]借助溶致型液晶的拓?fù)湎噱e(cuò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了納米顆粒的可控自組裝,展示了利用自組裝加工軟物質(zhì)微滴的巨大潛力,但該方法僅對(duì)400 nm 以下尺寸的納米顆粒有效.韓國(guó)成均館大學(xué)Song 課題組[24]將激光微納加工引入了軟物質(zhì)領(lǐng)域,報(bào)道了利用激光光束將水溶液注射進(jìn)液晶微滴內(nèi),從而以自下而上的方法裝配液晶微滴球體結(jié)構(gòu),展現(xiàn)出遠(yuǎn)超傳統(tǒng)液滴微流控工藝的加工靈活度、加工尺度和可加工結(jié)構(gòu)復(fù)雜度,但該研究?jī)H裝配出沿球體徑向排列的球體結(jié)構(gòu).

本研究搭建了軟物質(zhì)激光輔助機(jī)械加工系統(tǒng),對(duì)軟物質(zhì)微納加工技術(shù)進(jìn)行了深入的研究和進(jìn)一步的拓展.研究了激光能量、光束尺寸、曝光位置等激光參數(shù)對(duì)注射的影響;研究了表面活性劑濃度、液晶種類(lèi)和相態(tài)等材料因素對(duì)注射機(jī)械力形成,以及注入子液滴尺寸的影響;最后,引入具有拓?fù)湎噱e(cuò)線(xiàn)的膽甾相液晶為加工目標(biāo)微滴,利用激光注射技術(shù)將微米尺度的子液滴精準(zhǔn)的載入到相錯(cuò)線(xiàn)上,分析了子液滴在相錯(cuò)線(xiàn)上的自組裝動(dòng)力學(xué),最終借助相錯(cuò)線(xiàn)裝配出全新的軟物質(zhì)微滴球體結(jié)構(gòu).

2 激光輔助機(jī)械加工系統(tǒng)

激光輔助機(jī)械注射系統(tǒng)如圖1 所示.通過(guò)流體注射器將液晶(MLC-7026-000,Merck)微滴水溶液送入玻璃微流控芯片的腔體中,水溶液中摻有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的表面活性劑十二烷基硫酸鈉(SDS,Sigma-Aldrich)材料.溶液中的SDS 分子會(huì)停留在水和液晶的界面處,在降低微滴表面張力的同時(shí)誘導(dǎo)液晶分子垂直于界面排列.微流控芯片中的腔體厚度為1.5 mm,液晶微滴會(huì)穩(wěn)定地懸浮在腔體的水溶液中(圖1(b)).微滴內(nèi)摻有質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%的香豆素—6(coumrain-6,Sigma-Aldrich)染料用以增強(qiáng)液晶對(duì)光的吸收,基于同樣的原理實(shí)驗(yàn)中選用一臺(tái)接近染料吸收波峰的455 nm 的連續(xù)型激光器(LL445T,長(zhǎng)春亮麗光電)作為加工光源.激光光束通過(guò)顯微物鏡(數(shù)值孔徑NA=0.75,尼康)被聚焦到微流控芯片的腔體中,相應(yīng)的微流控芯片底部的玻璃厚度為0.15 mm.微流控芯片置于壓電平移臺(tái)上,借其可將激光聚焦到芯片腔體內(nèi)任意指定位置.

圖1 軟物質(zhì)激光輔助機(jī)械加工系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.Schematic of the laser-assisted micromachining system for soft matter.

在光路部分為獲得能量密度更高的激光加工光束,我們摒棄了采用小孔控制光斑尺寸的方案[24],如圖1(a)所示,在光路中加入可調(diào)諧擴(kuò)束器(索雷博光電)選用先擴(kuò)束再聚焦的方法,在獲得2—60 μm可調(diào)激光光斑的同時(shí)可將其單位能量密度提高3 個(gè)量級(jí)(最大值3.18 mW/μm2).此外,在激光光路中插入一組偏振片和半波片,通過(guò)旋轉(zhuǎn)半波片在0.01—100.00 mW 范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)激光的功率.借助照明光源和高清CCD 相機(jī)(TrueChrome,福州鑫圖光電)可對(duì)激光輔助機(jī)械加工以及被注入液滴子結(jié)構(gòu)的自組裝過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)和分析.

3 激光注射技術(shù)

激光注射是借助光與物質(zhì)的相互作用,利用高斯激光光束照射水溶液中液晶微滴的表面,光被材料吸收后形成溫度梯度,從而在液晶/水界面產(chǎn)生張力梯度進(jìn)而形成機(jī)械力將水溶液注入到液晶微滴內(nèi)[24].當(dāng)激光能量高于最低值(激光功率 × 曝光時(shí)間,如0.16 mW × 20 s),即形成足夠強(qiáng)的機(jī)械力時(shí),將水溶液注入到液晶微滴內(nèi).有趣的是在激光注射實(shí)驗(yàn)中,我們發(fā)現(xiàn)激光注射亦存在一個(gè)最高能量邊界(見(jiàn)圖2(a)).如圖2(b)所示,當(dāng)選用0.365 mW 的激光照射目標(biāo)微滴時(shí),可以觀(guān)察到微滴中心相錯(cuò)點(diǎn)會(huì)朝著(黃色箭頭)激光光斑的位置移動(dòng),表明激光照射在微滴內(nèi)誘發(fā)了熱毛細(xì)作用,使得液晶材料產(chǎn)生流動(dòng)[25].當(dāng)激光功率升高到50 mW 時(shí),微滴內(nèi)材料流動(dòng)加劇形成對(duì)流,甚至驅(qū)動(dòng)整個(gè)目標(biāo)微滴發(fā)生位移(圖2(c),從黃色虛線(xiàn)圈運(yùn)動(dòng)到實(shí)線(xiàn)圈位置).在劇烈的熱毛細(xì)作用下,微滴內(nèi)液晶材料的對(duì)流促進(jìn)了熱量的交換,從而降低了界面處溫度的梯度,難以形成足夠強(qiáng)的機(jī)械力將水溶液注入到液晶微液滴中.

如圖2(d)—(g)所示,通過(guò)調(diào)節(jié)激光光斑尺寸和曝光位置,可以觀(guān)察到水溶液被注入目標(biāo)微滴時(shí)的位置與曝光區(qū)域高度吻合(藍(lán)綠色圓圈內(nèi)).從而可通過(guò)靈活地操控激光并降低激光光斑尺寸的方法,精確地將水溶液注入到目標(biāo)微滴內(nèi)指定位置(圖2(g)).在激光注射的能量區(qū)間內(nèi)(圖2(a)陰影區(qū)域),提高激光功率或延長(zhǎng)曝光時(shí)間可以將更多的水溶液注入到液晶微滴內(nèi).我們之前的工作利用激光在微滴球形腔體內(nèi)的回音壁效應(yīng),測(cè)量并分析了被注入水溶液形成子液滴的尺寸,在液晶/水界面附近被注入的子液滴的尺寸分布范圍為0.4—1.2 μm[24].

圖2 激光光束參量對(duì)激光注射的影響 (a) 激光輔助機(jī)械注射在特定能量區(qū)間內(nèi)可行;(b),(c) 超出最高能量的激光會(huì)誘發(fā)液晶發(fā)生流動(dòng);(d)—(g) 光束尺寸和曝光位置對(duì)激光注入的影響(標(biāo)尺20 μm)Fig.2.The impact of parameters of laser beam on the laser injection: (a) Laser injection is feasible within a specific energy range;(b),(c) laser irradiation with the energy above the maximum range would induce the flow of liquid crystal;(d)—(g) the impact of beam size and irradiation location on the laser injection (Scale bars,20 μm).

激光注射所產(chǎn)生的機(jī)械力與激光照射下目標(biāo)液晶微滴表面形成的界面張力梯度值成正比.依據(jù)圖3(a)中所測(cè)數(shù)據(jù)在此對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)略估算,在典型激光照射能量為4 mJ (0.2 mW × 20.0 s)時(shí),可引起的液晶微滴 (典型尺寸L=100 μm)升溫大約為6 ℃,所形成的界面張力梯度值為8 N/m2(?σ≈ Δσ/L).根據(jù)馬蘭戈尼效應(yīng)公式[26]

其可產(chǎn)生方向垂直于液晶/水界面大小為167.4 nN的注射機(jī)械力F.(1)式中r為液晶微滴半徑,dσ/dT為界面張力隨溫度的變化值,dT/dγ為所形成的溫度梯度.注射機(jī)械力的估計(jì)值與文獻(xiàn)[27]中所報(bào)道激光照射對(duì)油溶液中水滴所施加180 nN 的機(jī)械力處于相同量級(jí).

除了改變激光能量之外,液晶和水界面處的表面活性劑濃度對(duì)所形成機(jī)械力的大小有重要影響.如圖3(a)所示,在質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5.0%和9.2%的SDS 水溶液中,分別向相同種類(lèi)的液晶 (MLC-7026-000)微滴中注入水溶液,后者 (綠色曲線(xiàn))所需功率僅為前者(紅色曲線(xiàn))的37.5% (曝光10 s).其主要原因是在相同的升溫條件下,質(zhì)量分?jǐn)?shù)9.2%為SDS 水溶液中目標(biāo)微液的界面張力梯度值增加更為迅速(圖3(b)).當(dāng)溫度從20 ℃升到50 ℃時(shí),質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.2% SDS 水溶液中液晶微滴 (典型尺寸100 μm)的界面張力σ從6.0 mN/m增加到19.6 mN/m,產(chǎn)生的界面張力梯度值(?σ)可以達(dá)到136 N/m2的量級(jí).通過(guò)在水溶液中加入NaCl 離子,研究發(fā)現(xiàn)表面活性劑濃度對(duì)界面張力影響的實(shí)質(zhì)來(lái)源于離子濃度對(duì)界面張力梯度的影響.如圖3(c)所示,在質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.50% (SDS 的臨界膠束濃度) SDS 水溶液中分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.17%和1.16%的NaCl,當(dāng)溫度從20 ℃上升到50 ℃時(shí),液晶微滴的界面張力分別增加134.8%和419.8%.在相同升溫條件下,高離子濃度可以加劇微滴的界面張力梯度變化,從而形成更強(qiáng)的注射機(jī)械力.

圖3 離子濃度對(duì)激光注射機(jī)械力的影響 (a) 水溶液中SDS濃度會(huì)影響激光注射所需的最低能量閾值;(b) 相同升溫條件下,更高的SDS 濃度形成的界面張力梯度值更大,進(jìn)而形成更強(qiáng)的注射機(jī)械力;(c) 升溫形成不同界面張力梯度的原因是溶液中離子濃度的差異Fig.3.The impact of ion concentration on the mechanical force of laser injection: (a) SDS concentration in water solution can change the minimum laser energy required to inject guest droplets;(b) it can generate higher interfacial tension gradient in a solution with higher SDS concentration under the same temperature increment,resulting a stronger mechanical force for injection;(c) the ionic concentration is the key factor to drive the difference in thermal induced interfacial tension gradient.

此外,研究了液晶彈性常數(shù)K值(K=(K11+K22+K33)/3)對(duì)激光注射的影響.用0.2 mW 的激光對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0% SDS 水溶液中不同成分的液晶微滴分別照射20 s,注入水溶液形成的液滴數(shù)量分別為4 個(gè) (MLC-7026-000,K=15.00)、50 多個(gè) (E7,K=12.70)、幾百個(gè) (5CB,K=3.85)(圖4(a)).雖然這3 種液晶微滴內(nèi)注入的水滴尺寸不同,但不難比較得出注入水溶液的體積差別巨大,主要原因是液晶分子的彈性作用阻礙水分子進(jìn)入液晶介質(zhì),而液晶的彈性常數(shù)K值越大,注入水溶液的難度越大.有意思的是,當(dāng)液晶微滴所處環(huán)境溫度提高到40 ℃使其相變?yōu)楦飨蛲?isotropic,5CB 的相變溫度為38 ℃)時(shí),激光注射的方法依然適用(圖4(b)),該實(shí)驗(yàn)表明激光注射技術(shù)可廣泛適用于針對(duì)水/油界面的激光輔助機(jī)械注射.

圖4 液晶種類(lèi)和相態(tài)對(duì)激光注射的影響 (a) 液晶材料彈性系數(shù)K 值越高,注入難度越大;(b) 激光輔助機(jī)械注射針對(duì)各向同性的材料依然有效 (標(biāo)尺20 μm)Fig.4.The impact of material type and phase state of liquid crystal on the laser injection: (a) It could be harder to inject guest droplets into a host liquid crystal droplet with higher elastic constant K;(b) the laser assisted mechanical injection remains effective for the processing of isotropic materials (Scale bars,20 μm).

4 液晶微滴內(nèi)子液滴的可控自組裝

如圖5(a)所示,操控0.15 mW 的激光在目標(biāo)微滴表面照射20 s 后,可以觀(guān)察到注射區(qū)域中水溶液被注入形成小水滴.而這些小水滴(子液滴)會(huì)自發(fā)地合并以減小總的表面積來(lái)降低系統(tǒng)的自由能.同時(shí),一部分SDS 分子也會(huì)隨著水溶液被注入液晶介質(zhì)中影響液晶分子的排列(圖5(b),(c)中灰色線(xiàn)條代表液晶分子方向場(chǎng)).當(dāng)子液滴的尺寸達(dá)到一定值S(S=K/W)后[28],在液晶介質(zhì)中的子液滴旁會(huì)相伴產(chǎn)生一個(gè)拓?fù)湎噱e(cuò)點(diǎn)(綠色箭頭)與其組成一對(duì)彈性偶極矩[28],圖5(d)所示為十字偏光顯微鏡下液晶介質(zhì)中子水滴行成的彈性偶極矩.相錯(cuò)點(diǎn)會(huì)阻礙其他小水滴接近而進(jìn)行進(jìn)一步合并,同時(shí)不同彈性偶極矩之間存在長(zhǎng)程彈性作用力,吸引不同的偶極矩組成子液滴鏈(圖5(d))[29].因此,在300 s 后被注入的水溶液行成了兩個(gè)1.8 μm的子液滴并組成液滴鏈.為了降低自由能,子液滴鏈會(huì)自發(fā)地沿著液晶的方向(圖5(d))或拓?fù)湎噱e(cuò)結(jié)構(gòu)排列(圖5(e)).子液滴的尺寸S取決于液晶介質(zhì)的彈性常數(shù)K和表面錨定常數(shù)W(受SDS 濃度影響)[30].圖4(a)比較了不同K值液晶材料中的子液滴尺寸分別為2.6 μm (MLC-7026-000),2.2 μm(E7)和0.7 μm (5CB).圖5(e)比較了不同SDS 濃度下,相同液晶 (MLC-7026-000)介質(zhì)中注入子液滴的尺寸分別為0.9 μm (質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.2% SDS),1.8 μm (質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0% SDS)和2.7 μm (質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5% SDS).總之,通過(guò)選用不同K值的液晶材料或調(diào)節(jié)SDS 濃度的方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)注入子液滴的尺寸進(jìn)行精確調(diào)控.

圖5 注入水溶液在液晶微滴內(nèi)的自組裝 (a)—(c) 被注入水溶液自發(fā)合并為均勻尺寸的子液滴,并自組裝為子液滴鏈;(d) 液晶介質(zhì)中子液滴的偏振顯微紋理圖;(e) SDS 濃度可以控制注入子液滴的尺寸(標(biāo)尺10 μm)Fig.5.The self-assembly of injected water within the host liquid crystal droplet: (a)—(c) The injected water spontaneously merges into guest droplets with uniform size which subsequently self-assemble into droplet chains;(d) the cross-polarized microscopic texture of guest droplets in a liquid crystal medium;(e) the critical size of guest droplets can be tuned by varying the SDS concentration (Scale bars,10 μm).

液晶微滴內(nèi)的子液滴鏈傾向于隨著液晶的方向進(jìn)行排列以降低總的自由能[24].本文嘗試引入具有拓?fù)湎噱e(cuò)線(xiàn)的膽甾型液晶微滴作為目標(biāo)加工微滴[31,32],通過(guò)精準(zhǔn)操控激光將子液滴注入到微滴內(nèi)相錯(cuò)線(xiàn)附近,在相錯(cuò)線(xiàn)的彈性吸引力的作用下子液滴成功地被相錯(cuò)線(xiàn)所捕獲(圖6(a)).同時(shí),相錯(cuò)線(xiàn)會(huì)對(duì)子液滴施加1000kBT(kB為玻爾茲曼常數(shù))量級(jí)的能陷[33],使其牢牢地卡在這個(gè)“軌道”上像“微型貨車(chē)”一樣運(yùn)動(dòng).圖6 研究分析了兩個(gè)尺寸為2 μm 的子液滴在相錯(cuò)線(xiàn)上的自組裝運(yùn)動(dòng)(紅色和藍(lán)色虛線(xiàn)所示為子液滴的運(yùn)動(dòng)軌跡),發(fā)現(xiàn)二者會(huì)以接近勻速的方式相互靠近(T=0—27.6 s),當(dāng)二者的間距接近子液滴尺寸的3—4 倍時(shí)在子液滴間吸引力的作用下二者會(huì)加速接近(T=27.6—29.2 s,圖6(c)),直至組成一個(gè)液滴鏈.分析發(fā)現(xiàn)子液滴在相錯(cuò)線(xiàn)上的自組裝運(yùn)動(dòng)中二者的間距s與相對(duì)速度v服從冪律,V≈ 23/s2.1(圖6(d)).

圖6 子液滴在相錯(cuò)線(xiàn)上的自組裝動(dòng)力學(xué)過(guò)程 (a)—(c)兩個(gè)子液滴在相錯(cuò)線(xiàn)上相向運(yùn)動(dòng),最終組成一個(gè)液滴鏈;(d)兩個(gè)子液滴的相對(duì)速度與間距服從冪律Fig.6.Self-assembly kinetics of guest droplet in the defect line: (a)—(c) Two guest droplets move in opposite direction in the defect line and eventually attach into a droplet chain;(d) their relative velocity and separation distance follow a power law dependence.

操控激光進(jìn)行精確注射,將子液滴不斷地從不同位置注入到目標(biāo)微滴內(nèi),不斷被注入的子液滴(圖7)會(huì)隨著目標(biāo)微滴內(nèi)的相錯(cuò)線(xiàn)自組裝形成液滴鏈條(藍(lán)箭頭).直到目標(biāo)微滴內(nèi)的相錯(cuò)線(xiàn)完全被子液滴占據(jù),子液滴沿著相錯(cuò)線(xiàn)的幾何結(jié)構(gòu)在微滴的球體空間內(nèi)均與分布組成“液滴項(xiàng)鏈”結(jié)構(gòu)(圖7(b)).

圖7 借助微滴內(nèi)的拓?fù)湎噱e(cuò)線(xiàn)裝配液晶微滴球體結(jié)構(gòu) (a)操控激光將子液滴注入液晶微滴內(nèi)的拓?fù)湎噱e(cuò)線(xiàn)上;(b)注入的子液滴沿著相錯(cuò)線(xiàn)的幾何結(jié)構(gòu)排列Fig.7.Processing of microdroplet structure of liquid crystal with the help of the defect line: (a) Inject and load guest droplets in the topological defect line of a host liquid crystal microdroplet;(b) the injected guest droplets arrange along the geometric structure of the defect line.

5 結(jié)論

本文搭建了全新的激光輔助機(jī)械加工系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光更加靈活和精準(zhǔn)的操控,同時(shí)對(duì)軟物質(zhì)激光微納加工技術(shù)中激光參數(shù)和材料參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究和討論.得到了最佳的激光參數(shù)條件范圍,發(fā)現(xiàn)過(guò)高的激光強(qiáng)度可誘發(fā)液晶材料的對(duì)流而不注入子液滴.揭示了表面活性劑濃度影響激光注射機(jī)械力的實(shí)質(zhì),即溶液中更高的離子濃度可以使相同升溫條件下液晶/水界面張力的梯度更大.發(fā)現(xiàn)液晶的相態(tài)對(duì)激光注射沒(méi)有影響,而液晶的種類(lèi)會(huì)改變注入的難度(彈性常數(shù)K值越高越難注入).總結(jié)了液晶材料種類(lèi)和表面活性劑濃度對(duì)注入子液滴尺寸的影響.引入了具有拓?fù)湎噱e(cuò)線(xiàn)的膽甾相液晶微滴作為目標(biāo)微滴,借助激光注射技術(shù)研究了子液滴在相錯(cuò)線(xiàn)上的自組裝動(dòng)力學(xué)過(guò)程,實(shí)現(xiàn)了利用相錯(cuò)線(xiàn)控制子液滴在微滴內(nèi)空間的分布.

雖然采用了液晶作為目標(biāo)加工材料,但激光注射對(duì)各向同性液滴的注射實(shí)驗(yàn)證實(shí)了激光輔助機(jī)械注射或可同樣適用于其他材料的油/水界面的材料注射.此外,液晶作為一種性能優(yōu)異的光電材料,若將其封裝在獨(dú)立的微滴中并借助軟物質(zhì)激光微納加工技術(shù)定制其三維結(jié)構(gòu)賦予其特定功能,每個(gè)液晶微滴均可以獨(dú)立地進(jìn)行觀(guān)測(cè)、操控,甚至執(zhí)行特定的操作.進(jìn)一步地,若將不同功能的微滴組成微滴陣列以集成和實(shí)現(xiàn)某些復(fù)雜功能,或可應(yīng)用于光子學(xué)、光電子學(xué)、集成光學(xué)和生物傳感器等前沿領(lǐng)域的研究探索和應(yīng)用開(kāi)發(fā).