一种微区域光致动器

本发明属于微致动器领域，具体涉及一种新型的弹性体微结构阵列，包含光响应材料，可通过投射光来进行远程局部光致动，最终得以操控微结构软致动器阵列中特定的弹性体微结构来进行分子打印。

背景技术：

1、将控制信号转换为机械动作的致动器是现代科技的关键技术之一。近年来，由于柔性、适应性、生物相容性和多功能性，由刺激响应聚合物、水凝胶、液态金属、相变材料和复合材料制成的软致动器吸引了巨大的研究兴趣。宏观材料/系统在外刺激下的形变、运动已经取得了很多成果。然而，具有高时空精度、分辨率和选择性的局部致动仍然是微纳技术中令人兴奋的挑战之一，在可编程材料、微纳机器人、触觉渲染和精准医学方面存在巨大的应用潜力。此方面的关键瓶颈之一是以可编程的方式提供具有高时空分辨率的在特定位点施加外部刺激的方法。

2、弹性体微结构阵列在各个应用领域取得显著进展。大量的努力已经投入到理解微观结构对表面亲疏水性、附着性、电磁波(光)响应性、机械敏感性等性质的影响，但关于微观结构对致动效率(定义为致动效率＝局部形变程度/总输入能量)和能量利用(即用于驱动的能量部分与通过消散失去到环境的部分)的影响却研究有限。为了在微系统内实现精确和高效的局部驱动，理解不同微观结构中的能量转换和消散路径就显得至关重要。

3、纳米级图案和印刷技术为现代科学技术的进步提供了关键动力。在过去的二十年中，基于物理探针的直写技术(如浸渍笔纳米光刻术)从涉及单个笔的技术发展到使用数千甚至数百万个笔。进一步实现这种规模化的最新突破是无悬臂扫描探针光刻技术，传统的原子力显微镜系统中的悬臂被一系列聚二甲基硅氧烷(pdms)弹性体微结构笔取代，这些笔搁置在刚性背衬基板的弹性薄膜上，以低成本提供大规模、高分辨率的分子打印，例如聚合物笔平板印刷术。这些基于阵列的技术的一个关键瓶颈是多路复用，因为无悬臂聚合物笔阵列是用于纳米光刻的强大复制工具，但是同一阵列中的所有笔都会写出相同的图案，没有能力单独致动以打印不同的特征。单独控制一小组笔的能力将把这个工具转化为通用的纳米图案和纳米制造平台，是实现突破的关键。

技术实现思路

1、本专利发明了一种微区域光致动器，具体涉及一种新型的弹性体微结构阵列，包含光响应材料，可通过投射光来进行远程局部光致动，致动效果表现在得以实现操控微结构软致动器阵列中特定的微结构笔来进行分子打印。

2、一种微区域光致动器，包括如下步骤：

3、步骤s1：材料方面，使用billups-birch烷基化反应将长烷基链-(ch2)5ch3共价接枝到短碳纳米管表面，获得表面修饰的短碳纳米管；将短碳纳米管和pdms预聚物共分散在有机溶剂中，然后除去溶剂，得到复合浆料；将复合浆料与交联剂充分混合制备光吸收复合薄膜，然后在80℃温度下固化获得光吸收复合薄膜；

4、步骤s2：模具方面，采用两步光刻法制造模具；首次光刻步骤通过使用koh溶液和光掩膜板对硅片进行各向异性蚀刻，创建金字塔孔阵列结构；随后，在此基础上通过第二轮的光刻增添模板壁，做好的模具上涂覆了单层的氟化硅烷(七氟基-1,1,2,2-四(羟癸基)三氯硅烷)以便于脱模；

5、步骤s3：微致动器制备方面，将步骤s2的模板制备光响应复合弹性体阵列；在超平玻璃基板上制备一层纯pdms薄膜，热交联使其固化成为热绝缘层。然后未固化的pdms-cnt复合浆料被倒置在具有金字塔孔的模具上；含有pdms热绝缘层的玻璃基板被放置在顶部轻轻按压，然后系统在80℃下固化；

6、步骤s4：致动表现方面，用数字微镜器件远程操控光响应复合弹性体阵列来进行光致动分子打印；

7、将含有5mm 16-巯基十六烷酸的乙醇溶液的分子墨水加载到光响应复合笔阵列上，将镀金的硅<100>晶圆切成尺寸为2cm×2cm的芯片用作打印基板，垂直位置相关的图案打印需要在每个三角形图案中以不同笔-基板距离写入七行墨水点；笔-基板距离由不同的垂直位置压电扩展值体现出，相邻行之间的垂直步长为1或2μm；笔被设置为打印四个三角形的点阵列：第二个和第四个在光照下打印，而第一个和第三个在非光照的条件下打印；写入每个点的停留时间为4秒；光仅在停留期间入射到所选区域，并且笔被编程为在写入每个点后冷却10秒；图案化后，将样品在含有27mm fe(no3)3和40mm硫脲的新混合水溶液中蚀刻约5分钟；印刷油墨以自组装的单层形式存在于金基底上，并保护金层免受蚀刻；使用电子显微镜对蚀刻后的图案进行表征。

8、优选的是，本发明步骤s1中，pdms预聚物为道康宁184；有机溶剂为氯仿或甲苯中的至少一种；复合浆料与交联剂占总质量的1/5。

9、优选的是，本发明步骤s2中，通过第二次光刻来制得模板壁的材料为su-8，壁高为200μm。

10、优选的是，本发明步骤s3中热绝缘层厚度为80-100μm。

11、优选的是，本发明步骤s4中，透过数字微镜器件局部光照到弹性体微结构的可见光为波长405nm、光强达～1.2w cm-2。

12、本发明给出了一种微区域光制动器，以及进行表面微纳加工的局部面外致动方法。新型的含有热绝缘层和空气间隙的微结构阵列被发明出来，数字微镜器件被用来在局部引导光以精确、可逆地控制弹性体笔的伸缩行为。我们成功证明，此微区域光致动器可成功控制部分笔组进行大于14μm的可逆面外运动，足够大的位移进行精确、可重复的分子打印行为。

13、本发明可用于廉价且智能的微纳制动器、微纳制造等领域，过程无毒、环保、成本低、操作工艺简单、易于控制、打印过程能量利用效率高、绿色环保。本发明的技术在微纳机器人，软制动器、微纳米光刻等方面有巨大的潜在应用。

技术特征：

1.一种微区域光致动器，其特征在于包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的微区域光致动器，其特征在于上述步骤s1中，pdms预聚物为道康宁184；有机溶剂为氯仿或甲苯中的至少一种；复合浆料与交联剂占总质量的1/5。

3.根据权利要求1所述的微区域光致动器，其特征在于上述步骤s2中，通过第二次光刻来制得模板壁的材料为su-8，壁高为200μm。

4.根据权利要求1所述的微区域光致动器，其特征在于上述步骤s3中，热绝缘层厚度为80-100μm。

5.根据权利要求1所述的微区域光致动器，其特征在于上述步骤s4中，透过数字微镜器件局部光照到弹性体微结构的可见光为波长405nm、光强达～1.2w cm-2。

技术总结一种微区域光致动器，属于微纳加工和微纳致动领域，具体涉及一种新型的弹性体微结构阵列，包含光响应材料，可通过投射来进行远程局部光致动，致动效果表现在得以实现操控微结构软致动器阵列中特定的微结构笔来进行分子打印。笔可响应于光照情况进行大于14μm的可逆面外运动，可进行高质量、高精度、可重复的分子打印行为。技术研发人员：黄中杰,李少朋,张家齐受保护的技术使用者：东华大学技术研发日：技术公布日：2024/1/16