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仿生纳米锥结构表面的制备与表征

黄伟  
【摘要】:蝉翼表面仅仅依靠纳米锥就能高效的杀死细菌,这种新发现在杀菌表面设计领域有极大的潜能。经过研究发现,杀菌原理主要是靠锥的结构形态,灭菌效果与锥间距和锥的高径比以及有序性有关,锥间距约为170 nm,高径比越大,杀菌效率也就越高。关于制备纳米锥结构表面的方法有很多,但是这些方法中有些太耗时,有的太昂贵或者纳米锥序列不是很有序,如何快速廉价的制备出有序的仿蝉翼纳米锥序列是目前亟需解决的关键问题。针对传统制备纳米锥方法的缺陷,本文从理论上分析了纤维拉丝技术制备玻璃纳米锥的工艺过程,这种工艺过程类似于传统制备玻璃光纤的棒管法工艺,需要的实验设备主要是纤维拉丝塔,包括送料装置、融化系统以及定长切割系统等。经过理论研究发现,首先这种方法对玻璃的材质要求较高,需要采用硼硅酸盐玻璃,选择尺寸合适的玻璃棒和玻璃管,制成预制棒,比如肖特玻璃8487和8330,这两种玻璃软化温度相近,热膨胀系数相近但是对于HF酸的刻蚀反应速率不同;其次,当拉伸比为225时,拉伸四次,然后通过化学腐蚀即可得到高度有序的玻璃纳米锥。另一方面,通过更加简单的阳极氧化和纳米热压印相结合的方法在最常用的聚合物聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)表面构筑出仿蝉翼纳米锥序列。实验的关键之处在于倒锥形有序多孔阳极氧化铝(AAO,porous anodic aluminum oxide)模板的制备,首先通过硬质阳极氧化(HA,hard anodization)在高纯铝片表面得到高度有序的纳米凹坑序列,控制电压大小以及电解液的组成来控制电流密度的大小,这种纳米凹坑呈六边形密堆积,主要起着聚集电荷、快速长孔以及提高下一步氧化小孔的有序性;其次,本文采用软质阳极氧化(MA,mild anodization)和磷酸扩孔交替进行的方式,在具有凹坑序列的铝片表面快速生长出高度有序的倒锥形AAO小孔序列,小孔间距约180 nm,比较吻合蝉翼表面锥间距170 nm这个数量值。最后本文以倒锥形AAO为模板,采用热压印的方法,将AAO模板上的倒锥形结构复制到PMMA表面上,并通过热的NaOH进行腐蚀,增加锥的高径比。


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