自上而下与自下而上相结合的功能基元序构材料制备技术及其在超灵敏探测中的应用

High-performance materials constructed by functional units have wide applications ranging from mechanics to optics and biomedicine. At present, the methods for preparing the functional structured materials are mainly cataloged into top-down and bottom-up approaches. The top-down processing method can prepare the designable unit structure, but the processing speed is slow and the efficiency is greatly limited; the bottom-up processing method can realize the efficient preparation of the large-area microstructure, but the unit structure cannot be flexibly regulated, thereby severely limiting its application. This project proposes to combine the top-down and bottom-up processing methods to develop a new type of processing technology: using femtosecond laser to efficiently process micro-nano unit structure, and then use surface tension to drive self-assembly of the structures. Finally, these materials are applied in the field of surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) for ultrasensitive detection. The main research contents include: strategy design and optimization of top-down and bottom-up hybrid processing technology; high-efficiency processing of elementary structure by femtosecond laser and self-assembly of structural units; the material is integrated into the microfluidic chip for SERS detection of toxic substances and drugs. This project will provide novel ideas and methods for the preparation technology of functional high performance materials.

功能基元序构高性能材料在力学、光学及生物医学等领域具有广泛的应用价值。目前制备基元序构材料的方式主要分为自上而下和自下而上两种。其中自上而下的加工方法可以制备任意可设计的基元结构，但是加工速度慢、效率低；自下而上的加工方法可以实现大面积结构的高效率制备，但是基元结构不能灵活调控，从而使其应用严重受限。针对这一问题，本项目提出将自上而下和自下而上两种加工方式相结合，发展新型的基元序构复合加工技术：利用飞秒激光高效加工微纳结构基元，然后利用表面张力驱动实现跨尺度基元序构的自组装，并将其应用于表面增强拉曼光谱超灵敏探测。主要研究内容包括：对自上而下与自下而上相结合的加工技术进行策略设计及优化；利用飞秒激光高效率加工基元结构并实现跨尺度序构自组装；将功能基元序构材料集成在微流控检测芯片中，用于微量有毒物质和药物的表面增强拉曼光谱探测。本项目将为功能基元序构高性能材料的制备技术提供新思路和新方法。

根据对材料处理方式的不同，目前针对微纳基元结构的加工手段可以分为两类：“自上而下”（top-down）加工方法和“自下而上”（bottom-up）加工方法。“自上而下”是通过去除材料进行微纳加工的技术手段，“自下而上”则是利用微观弱作用力实现分子、微观颗粒或结构的有序组装，进而逐级构筑出特定的微结构。这两种加工策略各有优劣：“自上而下”方法可以制备任意可设计的基元结构，但是速度慢、效率低；“自下而上”方法可以实现大面积结构的高效率跨尺度制备，但是基元结构类型和空间序构不能灵活调控。本项目在“功能基元序构的高性能材料基础研究重大研究计划”的支持下，发展了“自上而下”和“自下而上”两种加工方式相结合的新型基元序构复合加工技术：利用飞秒激光双光子聚合加工结构基元，然后利用自下而上的自组装方法实现跨尺度基元序构的构建，并最终将功能化的基元序构材料应用于表面增强拉曼光谱SERS超灵敏探测。本项目的主要研究内容包括：对自上而下与自下而上相结合的加工技术进行策略设计及优化，建立了功能基元自下而上自组装的力学模型，实现了大面积功能基元序构的自上而下与自下而上复合制备；利用基于空间光调制技术的高效光场设计方法，发展了功能基元的高效率加工技术并优化了基元序构材料的加工工艺，实现了微柱基元的高效率加工，加工效率最大提升了三个数量级；成功制备了纳米间隙结构与微流控通道集成化检测芯片，对痕量化学试剂和药物成分进行了高灵敏生化检测验证。本项目的开展为功能基元序构高性能材料的复合制备技术提供了新的途径，有助于功能基元序构高性能材料的个性化设计、加工和应用。