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1、第8期高分子通报·123·高分子表面微纳米结构的构筑及应用3曹新宇,江雷(中国科学院化学研究所分子科学中心,北京100190)摘要:近年来,纳米科技在高分子材料上的应用给高分子科学和材料的发展注入了新的活力。高分子材料表面微纳米结构与材料的性能密切相关,其微纳米结构结合高分子材料本身丰富多彩的特性,在材料科学、微电子学以及细胞生物学等方面都有重要的科学意义和应用价值。目前关于高分子材料表面微纳米结构的构筑已有大量报道,涉及的实验方法和材料非常广泛,大体上可以分为模板法和非模版法。在运用中往往需要
2、综合利用高分子的各种特性和多种实验方法。本文以构筑方法分类,综述了近十几年来在高分子表面构筑微纳米结构的研究进展,对其应用前景做了简要介绍。关键词:表面结构;微纳;纳米引言表面和界面是实现器件和材料功能性的窗口,表面微纳米结构的构筑对材料的性能有着非常重要的[1,2]意义。高分子材料作为一种传统的材料具有易于加工、成型,化学组成容易调控,可方便地引入各种活性基团的优点,结合表面微纳米结构的构筑,可以提高高分子表面特异性、响应的灵敏度,在表面浸润性和微流体控制,光学材料、组织工程材料和微电子器件制
3、备等方面展示了诱人的应用前景,形成高分子研究领域的一个新的热点。本文所涉及的微纳米结构主要指从几十个纳米到几十个微米的高分子表面结构,这个范围既体现了单个高分子链的尺寸,也涵盖了其具有明显不同于宏观性能的聚集体尺寸。随着纳米技术的发展,高分子材料的微纳米构筑研究和应用也有了突飞猛进。新的方法不断地被提出,传统的方法也出现了各种新[3][4]的演绎,例如软印刷方法的提出,电纺技术的灵活应用,以及综合多种方法构筑多层次、多尺度的微[5～7]纳米结构实现功能性和智能性等的研究。从构筑方法上,以是否使用
4、模板可以分为模板法和非模板法,模板又可分为硬模板和软模板法,模板的作用既可以是直接赋形的模具,也可以作为光刻蚀的掩模,或者作为毛细诱导自组装的通道;而非模板法一方面利用高分子材料本身的特性,可自发地形成各种表面结构,另一方面采用强的外力作用,比如机械力、电场力,形成微纳米结构,这些方法在实际运用中又往往相互交叠。本文以模板和非模板法分类,介绍了其中的一些主要的微纳米结构构筑方法,以及其在表面浸润性、表面光学性能和组织工程等方面的应用和前景。1高分子表面微纳米结构的构筑111模板法模板法利用模板自
5、身的限域作用以及和高分子间的相互作用,对表面的形貌、形状、结构、尺寸和排布等进行调节,具有良好的可控性。其高分子表面微纳米结构的构筑已从简单的复制,发展出各种灵活运用,可以构筑三维的多层次、多尺度的微纳米结构。基金项目:国家自然科学基金(50573082,20774101),国家973计划(2007CB936403),国家863计划(2007AA03Z327);作者简介:曹新宇(1969-),女,中科院化学所副研究员,目前主要从事高分子响应性表面和透明节能薄膜的研究;3通讯联系人,E2mail:
6、jianglei@iccas.ac.cn.·124·高分子通报2008年8月11111直接模板法直接模板法指利用硬模板,以高分子熔融物或溶液直接赋形,其简单易行,但所得到的表面结构受到模板的限制,变通性较小。通过孔径在纳米到微米级的多孔材料对熔融聚合物挤压或聚合物溶液浸润,可赋型得到所需的微纳米结构。多孔氧化铝膜具有孔洞有序平行排列、孔径可调、孔密度高等优点,是最为常用的模板之一。[8]1991年Martin研究小组以多孔氧化铝膜为模板成功地组装出聚合物纳米管阵列。对聚合物溶液和熔[8～10]体
7、进行调整,以同样的模板,可以制备出纳米线,也可以得到纳米管。微纳米压印也是构造高分子表面微、纳米结构一种常用的直接模板法。它利用具有微纳米结构的硬模板在高分子材料表面轧制出相应结构,具有模板可以重复使用和可大量复制的优特点。1996年,Chou[11,12]研究小组利用压印技术及高分子材料的热塑性,构建了尺寸分辨率在25nm的高分子图形结构。通常,这种技术的实施温度较高、压力也较大,Ludwigs等利用高分子材料在有机溶剂中的溶胀性,在温度较低和压力较小的条件下,成功地得到了200nm宽,间距为
8、180nm纳米尺寸的条纹阵列、微米尺寸的条纹[13]及多孔状的阵列结构。11112软印刷技术这种方法采用了弹性体“印章”(或模具)将微纳米尺寸的图案转移到高分子表面,于1993年首次由Whitesides研究小组明确提出,并以其为首由多个研究集体共同发展的微纳加工技[1,3,14～20]术。其中包括复制模塑技术、转移模塑和印刷技术、毛细模塑技术、接触印刷。这种技术通常是利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)等弹性模具代替硬模板,不仅可以保证所需要复制结构的精确度,同时由于采用具有柔韧性的模板,可以容易地
