研究论文 ● 开放获取                                                                                   阅读更多

1.文章导读

由化学或物理性质不同的两部分组成的微结构被称为双面神（Janus）结构。由于其构造简单，Janus结构在微纳智能器件领域具有广泛的应用前景。但是，Janus结构的制备通常需要依赖于多步骤加工,或在加工过程中涉及到多种不同的材料和加工参数，具有较高的工艺难度、制备时间和成本。近期，香港中文大学张立教授课题组在《极端制造》期刊（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）发表《飞秒激光同参数扫描制备的pH驱动双面神微结构及其在信息加密/解密和微物体捕获中的应用》的研究文章，介绍了一种新的智能微结构的加工方法。研究人员利用光的散射作用，使用完全相同的加工参数，在单一材料中即可制备出亚微米尺度的快速响应型Janus结构，并展示了该智能单元在信息加密/解密和微物体捕获方面的应用。

2.研究背景

自然界中的生物经过亿万年的生存竞争，进化出了多种多样刺激-响应机制以适应环境变化。受这类刺激-响应机制启发，研究人员研发了多种多样的智能微纳功能结构。其中，Janus结构由于其简单的设计而引起了广泛关注。此外，飞秒激光打印作为一种三维高精度的微纳加工手段，近年来在微流体、微光学、智能器件等领域都获得了广泛应用。但目前利用飞秒激光制备Janus结构时，往往依赖于繁复的加工步骤，不同的材料或加工参数——这些都增加了加工的成本。而且大多数Janus结构在阵列中仅具有均匀的变形，难以在小范围内精确自定义各个结构的取向，缺乏灵活性。

3.最新进展

研究人员制备了一种pH响应的水凝胶材料，该材料在pH值大于9时膨胀，形变程度与其聚合程度相关。如图.1b所示，水凝胶聚合度越高，其在pH改变时的形变越小，反之则形变越大。以此为基础，研究人员发展了一种双次扫描的策略制备Janus结构（图1.a）。两次扫描的激光能量、步距等参数完全相同，但首次扫描形成的结构会对第二次扫描的光形成散射和折射，从而降低第二次扫描时形成结构的聚合程度。且由于两次扫描位置极近，两次扫描即可制备出一个直径约800 nm，两侧聚合程度不同的水凝胶Janus微柱（图.1e）。因此，在环境pH值改变时，两侧膨胀程度的不同会使该结构发生可逆的弯曲与伸直，且具有超高的响应速度（<0.2 s）和稳定的响应特性（图.1f）。

图1 飞秒激光同参数扫描制备的pH响应Janus微结构。标尺：15 μm（c）, 4 μm （d, e）。

图2 pH响应Janus微结构的信息加密/解密应用。标尺：15 μm。

该种基于飞秒激光打印的双次扫描策略具有高度的灵活性，还可用于自定义Janus结构阵列中的空间排布，从而实现信息的隐藏与显示（图.2）。如图2c所示，pH<9时，ph响应janus微结构隐藏在正常非janus结构阵列中，“cuhk”不显示；当ph>9时，Janus微结构膨胀、弯曲，而非Janus微柱不弯曲，因此“CUHK”显示。随后，研究人员还基于该pH调控微结构设计了可用于微物体捕获的微爪阵列结构，并展示了其在微物体定点捕获和释放中的应用（图.3）。

此外，由于飞秒激光加工的灵活性，该pH调控微结构还可以被集成到微通道内，从而在微流体领域得到应用。

图3 pH响应Janus微结构应用于微物体捕获。标尺：10 μm。

4.未来展望

研究人员提出了一种简单灵活的双次扫描策略，用于制作pH调控的Janus微柱。基于已成型结构对激光的散射/折射效应，研究人员利用相同的工艺参数在同种材料中构造了物理不均匀性，这与当前基于不同材料、多步骤制造和/或不同工艺参数构建Janus结构的策略相比，工艺步骤大幅简化。这些Janus微柱的响应效应可由pH刺激触发，从而组成具有亚微米特征尺度和快速响应（约0.2s）特点的微致动器。通过充分利用飞秒激光打印的灵活性，可以方便地控制微柱的数量、空间位置和弯曲方向，形成各种动态有序图案。由此产生的Janus微执行器在信息加密/解密和微粒捕获方面具有潜在的应用价值。飞秒激光直写技术与刺激响应智能材料的结合，为功能性微致动器的研制开辟了一条新的途径。该方法具有良好的可扩展性和灵活性，可广泛应用于智能显示、智能传感器、微对象操作、过滤和传输等领域。

5.文章补充视频

     四微柱单胞                                                       花瓣状微结构

 微通道致动器                                            加密与解密