光控聚合物界面微量液体传输

超疏水智能表面的仿生构筑是功能界面材料领域的一个研究热点。近年来，动态浸润性控制由于在微流体系统中的重要应用价值（如微液滴无损传递、开放式微反应器设计等）而引起了人们的广泛关注。本项目拟将光响应（液晶）聚合物与超疏水表面的微纳复合结构进行有机结合，通过分子异构化、分子极性和取向变化、液晶相变以及材料形变等一系列bottom-to-up的可控可逆变化，实现超疏水表面动态性能的的快速可逆光调控，用于一维、二维聚合物界面材料上的微小液滴传输研究；进一步利用光致形变功能的液晶聚合物制备具有结构仿生特点的微纤毛、微弹簧等功能界面与结构，采用非接触的区域化光刺激操控其脉冲式弯曲和伸缩运动，实现微通道界面上的流体传输；并且通过含有各类生色团分子的选择和设计，以及利用稀土上转换发光纳米粒子复合技术，实现对不同波长光（360 nm紫外光、470 nm短波可见光、980 nm近红外光等）的选择性智能响应。

智能响应材料与界面材料结合所产生的外场可控智能界面是一个新颖的研究领域。目前，在开发对外场刺激响应的功能界面材料方面研究还很有限。本项目将光响应功能聚合物与仿生液体驱动的原理相结合，通过分子异构化、分子极性和取向变化、液晶相变以及材料形变等一系列bottom-to-up的可控可逆变化，实现了全光控制的超疏水粘附性可逆变化以及光控微量液体的驱动，这种新的输运模式具有快速响应、高度可逆、非接触控制、原位控制的优势。首先，我们通过调整主链化学结构、侧链共轭基团长度和结构，以及引入不同极性端基和间隔基等手段，制备了有适当浸润性梯度的系列偶氮类聚合物，并实现了材料对不同波长光（360 nm紫外光、470 nm短波可见光、红光）的选择性智能响应，扩大了光控聚合物微液滴驱动系统的适用范围。然后，我们从超疏水表面粘附性基础研究入手，利用光响应聚合物构筑超疏水粘附性智能光响应表面，通过两种不同超疏水表面状态---粘滞态和滚动态之间的光控快速可逆转变，实现了对微小液滴传输的实时原位控制，揭示了光刺激对表面化学组成、构型、极性及表面性能的影响，在非接触式、快速可逆的超疏水粘附性调控方面实现了突破；在此基础上，我们仿生设计制备了类蛛丝纺锤节和光控集水丝垫，通过界面微结构以及极性变化来调节纺缍节的浸润性，从而分别实现了水滴在类蛛丝纺锤节和集水丝垫表面的定向可控传输；进一步，利用仿生学原理，模拟人类动脉血管的弹性和韧性优点，我们提出了采用液晶高分子新材料构建微流体芯片的开创性设计理念，构筑出自驱动的光控微型管状系统。首次利用光致形变诱导的轴向毛细作用力实现了微量液体的精确运动控制，开发出了一种全新概念的光控微流体新技术，实现了对各种极性和非极性液体、复杂流体（包括乳液和汽油），甚至是生物样品输运的精确操控。通过改变光照条件，能够精确控制液体的运动方向和速率（高达5.9 mm s-1），并能长程运动（在直径为0.5 mm的微管中连续光驱动微量液体运动53 mm）。还进一步实现了微量液体的搅拌、融合、克服重力爬坡，甚至首次在封闭管道中产生S形和螺旋形运动轨迹。这种全新概念的光控微流体新技术可以极大地简化微流体系统，是真正可达到实用效果的光控微流体技术，在可控微流体传输、微反应系统、微机械系统、芯片实验室等领域具有可观的应用价值。