红外光驱动凝胶微器件：光刻胶制备、双光子微加工及相关问题研究

Light-driven hydrogel microdevice can be operated remotely and directly by irradiation, and it is the research frontier of microelctromechanical system(MEMS). The reported light-driven hydrogel microdevices possess large size, long response time and irreversible deformation, which hinder their application. To resolve the problem, this project aims at fabricating small infrared-light-driven hydrogel microdevice with short response time and reversible deformation through two-photon polymerization microfabrication on femtosecond laser. We first synthesize water-soluble Fe3O4 nanoparticles that can convert the light energy to heat, and then disperse the nanoparticles into photoresist of poly(N-isopropylacrylamide) hydrogel and prepare hybrid hydrogel which can deform under irradiation. The influences of constituent and constituent content on the two-photon microfabrication and the property of light-induced deformation will be researched. On the basis of research of materials, we design and fabricate infrared-light-driven hydrogel microdevice. During the research, we pay close attention to the influence of Fe3O4 nanoparticles on the two-photon microfabrication effect and difference of hybrid hydrogel at macroscopic scale and microscopic scale. The poject will provide a new type of hydrogel photoresist for the two-photon microfabrication and has significant scientific value and broad application prospect for designing and fabricating novel MEMS with high-performance.

光驱动凝胶微器件能够通过辐照光实现对器件的遥远、直接控制，是微机电系统（MEMS）领域的研究前沿。现有的光驱动凝胶微器件尺寸较大、响应时间较长、变形不可逆，使其应用受到极大限制。针对此问题，本课题结合先进的飞秒激光双光子微加工技术，将加工快速响应、变形可逆的小尺寸红外光驱动凝胶微器件作为研究目标。围绕研究目标，从吸光生热材料-水溶性纳米四氧化三铁的合成入手，将纳米四氧化三铁掺杂、分散到聚N-异丙基丙烯酰胺凝胶光刻胶中，制备光致变形纳米复合凝胶。研究不同组分和组分含量对光刻胶双光子加工性能和复合凝胶光致变形特性的影响。在此基础上设计、加工光驱动凝胶微器件。研究过程中密切关注纳米四氧化三铁对光刻胶双光子加工规律的影响以及光致变形凝胶在宏观和微尺度下的性质差异等科学问题。本课题的研究将为凝胶材料的双光子微加工提供新的材料学基础，对于设计、加工新型的、高性能MEMS具有重要的学术意义和应用价值。

光驱动凝胶微器件能够通过辐照光实现对器件的遥远、直接控制，是微机电系统（MEMS）领域的研究前沿。现有的光驱动凝胶微器件尺寸较大、响应时间较长、变形不可逆，使其应用受到极大限制。针对此问题，本项目结合先进的飞秒激光双光子微加工技术，将加工快速响应、变形可逆的小尺寸红外光驱动凝胶微器件作为研究目标。围绕研究目标，从三个方面展开工作：（1）从吸光生热材料-水溶性纳米四氧化三铁的合成入手，合成了高稳定性水溶性纳米Fe3O4；纳米粒子的平均尺寸为7.7 nm，经分析测试证明其表面接枝有水溶性的聚合物分子链；纳米颗粒在室温下展现出超顺磁特性；纳米Fe3O4在不同pH值的水性环境中和亲水性有机溶剂与水的混合溶剂中都显示出了良好的溶解性和稳定性；（2）将表面修饰的纳米Fe3O4分散到溶剂型光刻胶中，制备了磁性凝胶光刻胶；光刻胶具有良好的稳定性和紫外光聚合效果，聚合后的凝胶经溶剂交换作用可转变为磁性水凝胶；通过对磁性凝胶光刻胶的双光子微加工研究发现：随纳米Fe3O4含量的增多，激光加工能量阈值增大；随激光扫描能量增加，加工线宽增大；随激光扫描速度增大，激光加工阈值增加，加工的线宽减小，加工的直线连续性降低；采用纳米Fe3O4含量为0.96 wt%的磁性凝胶光刻胶成功加工了青岛大学校徽和磁驱动凝胶微结构，观察到凝胶微结构在磁场下的转动变形；（3）以N-异丙基丙烯酰胺为基础，将表面修饰的吸光生热材料纳米Fe3O4分散到凝胶光刻胶中，制备了光驱动凝胶光刻胶及光致变形纳米复合凝胶，研究了纳米Fe3O4含量、交联剂含量、稳定剂含量、激光功率、扫描速度对光刻胶性能的影响，加工了长度~20 m的双臂型凝胶微悬臂，实现了凝胶微悬臂的红外光驱动变形，驱动响应时间小于0.033 s。本项目研究的光刻胶材料将为智能凝胶材料的双光子微加工和设计、加工新型的MEMS器件提供新的材料学基础。