近些年来,随着加工技术的进步,人们可以加工出多种微结构来更好地控制液体的润湿性。同时,借助液体润湿性引起的毛细管力,也可以控制微结构的变形,制备复杂的三维结构。基于双光子聚合(Two-photon polymerization)的3D打印(TPP 3D打印)技术(又称激光直写技术)是目前制备三维微结构的极为有效的手段之一。利用这种技术可以制备出许多其他手段难以制备的三维复杂微观结构。但是受其体素(打印时三维空间的最小形状和尺寸)等方面的限制,这种技术依旧不能直接制备出许多复杂的微结构。本课题研究了三维微结构与液体的相互作用,借助激光直写技术制备了常规手段难以制备的多重凹腔结构,并利用这种结构来控制流动相的排斥和黏附行为。在此基础上借助液体的毛细管力来调控三维微结构的变形,制备出更加复杂的微结构并实现其可逆变形。主要研究内容如下:(1)在自然界的跳虫皮肤模型的基础上设计并制备了微观三重凹腔结构。这种结构可以有效地提高了对液体的抗压能力。该结构可以实现室温下对几乎所有液体的排斥,并且不依赖表面修饰。除此以外,可以在多种基底上制备该结构,包括柔性的聚酰亚胺膜、硬质的硅片等。在该结构上制备平行的微通道可以有效地控制液体的毛细管力,实现液滴定向流动。探索了该结构在电子器件的防水防污、光学显示、高通量生化检测、微流体传输等方面的应用。(2)理论分析了多重凹腔对液体黏附的影响。通过对凹腔结构的大小和间距的调控可以控制其毛细管力,从而同时实现了对油和水高黏附力和高接触角。这种结合了跳虫皮肤和壁虎脚的功能的结构在液滴转移、液体微阵列生成等方面具有潜在应用价值。(3)理论研究和实验结果证明多重凹腔结构能够在空气和液体中排斥另外不相溶的一相。通过对凹腔结构的柱状部分横截面形状的设计,使其可以在液体挥发时发生变形。这种由毛细管力诱导变形的结构可以在部分液体中恢复。在此基础上实现了液体排斥和铺展的可逆调控。(4)在TPP 3D打印技术的基础上引入的非对称打印,实现结构的定向弯曲控制。该结构能在毛细管力作用下实现定向的二次变形,从而得到更加复杂的三维微结构。此外,该二次变形的结构可以以在部分液体中恢复。结合非对称结构设计与毛细管力的TPP 3D打印加工可以在液体定向流动、液体智能排斥、4D打印等方面得到应用。