模板法制备多功能界面材料及其性能研究

论文摘要

自然界中存在许多奇妙的现象,这些现象的存在常常与生物自身所具有的特殊结构具有密切的联系。本文首先简要地介绍了自然界中存在的一些新奇的特性以及这些特性与自身结构之间的相关性。随后本文着重对蝴蝶的复眼结构以及由该特殊结构所产生的兼具光子晶体、抗润湿和抗反射特性的多功能界面材料进行了研究。受自然界中生物的启发,我们采用纳米球自组装的方法制备了具有类复眼结构的二维聚苯乙烯球(PS)阵列,以该阵列作为模板随后通过MOCVD等方法成功地实现了对复眼结构以及纳米球阵列的精确复制,从而制备了具有复眼结构的人工界面材料并对生物模板本身和人工材料之间的相关特性进行了系统的对比和分析,具体实验结果如下:1.蝴蝶具有典型的微纳组合复眼结构。微米级的小眼以六方密排(hcp)的形式规则排列在角膜表面,小眼的表面并不是光滑的而又是由许多纳米级的突起结构按照非密排(ncp)的形式组合而成,从而形成了一种特殊的微纳组合多层结构。2.蝴蝶复眼所具有的微纳组合结构具有明显的光子晶体、抗润湿和抗反射特性。3.采用低温MOCVD和电子束蒸发技术不仅可以实现对蝴蝶复眼结构的精确复制而且由该特殊结构所产生的多种特性都可以在复制材料中得到很好的继承。4.通过对表面具有蝴蝶复眼结构的材料与同厚度的表面光滑的材料进行比较发现材料的特殊的表面结构与上述性能之间具有密切联系。表面的突起结构越尖锐形成的表面粗糙度越大从而其抗润湿及抗反射效果就会越明显。5.具有复眼结构的ZnO和Pt界面均可以实现稳定可逆的光响应特性。通常情况下,具有复眼结构的界面材料呈现明显的疏水特性,然而在紫外光的照射后其表面会发生由疏水性向亲水性的转变,随后将样品置于暗室中,一周之后样品又会恢复到原来的疏水状态。6.采用纳米球平版印刷技术制备了一系列由不同尺寸的PS球形成的类复眼阵列并以该阵列作为模板对其进行复制,复制后得到了具有规则排列的界面材料,这种具有类复眼结构的人工界面材料也具有明显的光子晶体,抗反射以及抗润湿特性。7.对比分析了PS纳米球的尺寸对其抗润湿特性的影响。测试结果表明当PS球直径为200nm时具有最佳的抗润湿特性并且与其它尺寸相比该阵列还具有较好的抗反射特性,此结果与自然界中的蝴蝶经过多年进化后得到的表面突起结构尺寸相一致。

论文目录

• 致谢
• 引言
• 摘要
• Abstract
• 目次
• 1 文献综述
• 1.1 自然界中的特殊结构
• 1.2 自然界中特殊结构与性能之间的相关性
• 1.3 材料的抗反射性
• 1.3.1 复眼的光栅结构
• 1.3.2 光栅结构所引起的抗反射性
• 1.4 材料的抗润湿特性
• 1.4.1 基本理论
• 1.4.2 Wenzel's模型
• 1.4.3 Cassie's模型
• 1.4.4 润湿状态在Cassie模型和Wenzel模型之间的转换
• 1.4.5 自然界中存在的抗润湿性特例
• 1.5 自然界中的光子晶体及其人工制备
• 1.6 功能复合型仿生材料的制备
• 1.6.1 抗润湿特性与光学特性的复合
• 1.6.2 抗润湿特性与自清洁特性的复合
• 1.7 生物结构的复制方法
• 1.7.1 化学气相沉积法
• 1.7.2 溶液法
• 1.7.3 二次浇注法
• 1.7.4 原子层沉积法
• 1.7.5 溶胶-凝胶法
• 1.8 纳米球类光刻技术
• 1.9 课题的背景及意义
• 2 蝴蝶的复眼结构及其特性
• 2.1 蝴蝶复眼的表面形貌
• 2.2 光学特性
• 2.3 抗润湿性
• 2.4 抗反射性
• 2.5 其它特殊结构及特性
• 2.5.1 其它昆虫的复眼结构
• 2.5.2 蝴蝶翅膀的微观结构及其抗润湿性
• 2.6 本章小结
• 3 复制方法
• 3.1 金属有机化学气相沉积
• 3.2 电子束蒸发
• 4 复眼结构的复制及性能表征
• 4.1 复制后的形貌分析
• 4.2 成分分析
• 4.3 润湿性分析
• 4.3.1 复眼结构材料的润湿性
• 4.3.2 稳定的光响应特性
• 4.4 反射光谱分析
• 4.4.1 复制材料对抗反射性的影响
• 4.4.2 不同种类蝴蝶复眼结构对抗反射性的影响
• 4.5 其它生物结构及复制
• 4.6 本章小结
• 5 类复眼结构的制备及复制
• 5.1 类复眼结构的制备
• 5.2 类复眼结构的复制
• 5.3 类复眼结构的性能表征
• 5.3.1 类复眼结构的抗润湿性
• 5.3.2 类复眼结构的抗反射性
• 5.3.3 类复眼结构的光子晶体特性
• 5.4 本章小结
• 6 结论
• 参考文献
• 作者简历及在学期间所取得的科研成果