主动式分子级靶标捕获的"纳米感知触角"定向/定域制造及位姿操控

Molecular-level detection has wide application perspectives in various fields, such as environmental monitoring, food detection, disease diagnosis, etc. Beyond the conventional static detection mode by passively waiting for the target, a novel active molecular-level detection method and device structure is proposed, which is by active posture control of the oriented/localized sensory nano-tentacles. By combining of micro-contact mechanical pulling method and micro/nano molding process with pre-strain control, orientated/localized nanofibers in large aspect-ratio can be prepared. Sensory nano-tentacles with complex structures, such as core-shell and nanotube structures, can be finally achieved by film coating on the oriented nanofibers. In this proposal, we will focus on the designing of device structures, development of new fabrication principles, optimization of fabrication processes and characterization of functional properties of the active detection and nano-tentacles fabrication: study on the pulling control confined by micro/nano scale interfaces for polymer nanofiber, investigation of the effect of pre-strain on the fiber orientation and localization during the molding process, establishment of the posture control model of the nano-tentacles, and understanding the mechanism of the molecular-level active detection. The proposal is to develop a new route for active sensory devices with super sensitivity for molecular detection.

分子级靶标捕获/感知在环境监测、食品安全及疾病诊断等领域有广泛的应用前景。针对常规传感器被动等待分子靶标的静态检测方法，本项目提出了一种基于定向/定域"纳米感知触角"位姿动态操控的主动式分子级靶标捕获/感知新方法及新型器件结构。结合微接触机械提拉方法与预应力控制微纳模塑工艺，利用弹性模具材料拉伸/剪切/扭曲等机械形变，实现功能材料大长径比纳米纤维结构的定向/定域成型控制，完成异质材料多层结构(如，核-壳结构、纳米管等)的"纳米感知触角"制造。为此，从器件结构、制造原理、工艺方法及功能特征等方面，拟研究在微纳尺度界面约束下，聚合物直立纳米纤维提拉成型流动控制；探索模塑成型过程中，预应力形变对纳米纤维定向/定域成型约束行为；建立外场操控"纳米感知触角"位姿动态响应模型，推进对分子级靶标主动捕获机制的研究。旨在发展超高感知灵敏度、分子级靶标主动捕获/感知器件制造的新途径。

分子级靶标捕获/感知在环境监测、食品安全及疾病诊断等领域有广泛的应用前景。本项目提出了一种基于定向/定域“纳米感知触角”位姿动态操控的新方法及新型器件结构。按照项目计划书的安排，项目执行和进展顺利，圆满完成了项目研究计划和任务。首先，深入研究机械拉伸制备大深宽比微纳米纤维工艺及成型机理，建立黏弹性聚合物模型，对机械拉伸法中脱模速率和速率类型对拉伸成型的影响进行了研究，并研究基于机械力拉伸的新型、工艺简单的制备微纳米纤维阵列的方法，利用深宽比为1～2的孔阵列模具制备出最大深宽比达40的直立微纳纤维阵列，并根据脱模方向制备出具有方向性的微纳纤维阵列；其次，采用复型的方法实现微米级的高长径比柔性纤维阵列的大规模低成本制造，在纤维阵列的复型制造过程中，对填充工艺、脱模工艺、固化温度等制造工艺进行了探索，制造出了不同深宽比、中心距的大规模的柔性微纳米纤维阵列,并通过调整纤维中心距以及深宽比，完成了大长径比柔性微纳米纤维阵列制造;最后，使用电子束光刻机所带电子束装置，实现微纳米纤维在电子束轰击下的位姿改变，实现基于复合材料的柔性微纳米纤维在阵列在外加磁场作用下位姿的变化。