基于褶皱的胶体晶体自组装

褶皱是自然界的常见现象之一，通常是由于柔性衬底/刚性薄膜系统应力失配引起的，其在细胞培养模板、分离胶体粒子、有序结构模板等方面有重要应用。本论文采用PDMS柔性衬底/Pt刚性薄膜系统，通过预制边界条件，实现了褶皱图案有序化，实时观察热处理法下褶皱的产生与退化过程，得出了演化的规律和缺陷形成机理，对制备大面积低缺陷率的有序褶皱有积极的意义。基于褶皱反转现象，进行了二元单层胶体粒子的自组装，以一种新途径实现了同一平面的多元胶体晶体自组装。主要研究内容如下：1.通过30°C降温至0°C再升温至25°C的方法，预制浮雕图案的PDMS衬底/Pt薄膜系统实现了有序褶皱的反转过程。通过控制薄膜厚度和衬底的杨氏模量控制了褶皱的波长，溅射过程中产生的中间层使实际值偏离了理论值。通过预制边界条件，控制了褶皱花样，并从理论力学角度解释斑条形、鱼骨形和迷宫形花样产生的原因。同时，研究了有序褶皱的产生与退化规律，运用力学理论研究了褶皱起源和演化、缺陷的形成与演化机理、温度对波长和振幅的影响以及降温速率和缺陷的关系。这对自然界平行脉结构的物理形成机理具有一定的启示意义。2.研究了胶体晶体在应力褶皱结构上的组装规律及缺陷。首先，采用乳液法制备了均一的平均粒径分别为200nm，230nm，260nm，300nm和370nm的聚苯乙烯微球，相对标准偏差均小于5%。然后让胶体颗粒在冰水浴的气-液界面处形成有序胶体层，用提拉法在PDMS衬底/Pt薄膜应力结构体系表面制备了一元二维单层胶体晶体，通过控制十二烷基硫酸钠和乙醇含量，得到了自组装的最佳参数条件。通过调控衬底褶皱波长和褶皱花样，调控了带状胶体晶体带状宽度、分布间距和排布花样。通过调控胶体粒子的粒径，研究了胶体晶体的缺陷。3.基于褶皱反转行为，常温下使用提拉法在预制一元胶体晶体的PDMS衬底/Pt薄膜结构表面外延生长了二元二维单层胶体晶体。通过调控成膜的方法，得到了最佳实验条件。通过调控衬底的褶皱花样，得到了斑条形和鱼骨形的单层带状胶体晶体，并研究了外延生长的胶体晶体结构。