[发明专利]以水凝胶为模板胶体晶体为墨水进行微接触图案印刷的方法

说明书

技术领域

本发明描述了一种新型简便的微接触的图案印刷方法，这种方法是基于胶体晶体从水凝胶模板上空间性的转移到另一模板上的微接触印刷而成的。相对于以其他物质为模板进行微接触印刷而言，以水凝胶为模板不仅非常简便，而且能够得到很好的印刷效果及具有很好的实用性。

背景技术

直径为亚微米、单分散的无机或聚合物胶体微球在重力、静电力或毛细力的作用下可以自组装形成二维或三维的有序排列。这些有序排列的微球聚集体通常被称为胶体晶体或合成蛋白石。胶体晶体是光子晶体的一种，这类材料在电子、光学以及生物传感方面都有广泛的应用。

微纳米尺度的图案化印刷已经称为当代研究的热点，许多新技术行业的发展都来自新型微观结构的图案化处理。例如微流体芯片，它的微加工技术最初也是从微电子行业中应用十分成熟的硅平板印刷技术中借鉴过来的。再有，如化学分析和生物检测，表面图案化技术也为这些微纳米尺度范围内发生的反应研究提供了可能。随着表面图案化技术及其潜在应用的发展，近年来已经涌现出不少的物理化学及生物上的表面图案化应用。由此，人们可以在小尺度上实现对材料各种性质的研究和控制。软光刻技术是目前为止最广泛、最可靠的非光刻的表面图案化技术。软光刻技术是1993年由美国哈佛大学的Whitesides研究小组首先发展的，涉及传统光刻、有机分子自组装、电化学、聚合物科学等领域的一类综合性技术的统称。软光刻技术包含了一系列灵活的图案化材料的方法。主要有微接触印刷、复制模塑、微转移模塑、毛细管内微模塑和溶剂协助微模塑。在这些方法中，毛细管内微模塑已经被直接应用于图案化胶体晶体。基于不同的相互作用力，如共价键、静电相互作用、物理吸附等，许多材料都可以用微接触印刷的方法在固体基底上进行图案化。

水凝胶(Hydrogel)是一种高分子网络体系，性质柔软，能保持一定的形状，能吸收大量的水。凡是水溶性或亲水性的高分子，通过一定的化学交联或物理交联，都可以形成水凝胶。这些高分子按其来源可分为天然和合成两大类。天然的亲水性高分子包括多糖类(淀粉、纤维素、海藻酸、透明质酸，壳聚糖等)和多肽类(胶原、聚L-赖氨酸、聚L-谷胺酸等)。合成的亲水高分子包括丙烯酸及其衍生物类(聚丙烯酸，聚甲基丙烯酸，聚丙烯酰胺，聚N-聚代丙烯酰胺等)。作为一种高吸水高保水材料，水凝胶被广泛用于多种领域。

Asher小组于1994年制备了胶体晶体凝胶，这是一种既具有光子晶体的光学性质又具有水凝胶的环境响应和形状记忆特性的新型材料。当水凝胶骨架与特定的识别元件结合后，识别元件与相应配基作用会导致凝胶体系的膨胀或收缩。这改变了胶体晶体凝胶的晶格常数，使胶体晶体凝胶的衍射峰发生迁移。利用水凝胶的环境敏感性和记忆性，可以通过测定胶体晶体凝胶的衍射峰位置的变化分析相应配基的浓度。Asher小组已建立了对金属离子、葡萄糖和pH等传感材料和光学开关材料等。除Asher小组外，还有两个小组开展胶体晶体凝胶方面的研究，Sawada小组及Foulger小组。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种以水凝胶为模板胶体晶体为墨水进行微接触图案印刷的方法，这种方法可以为微接触印刷技术中的物质转移提供了一条简便的途径，而且还可以把微接触印刷技术的应用范围拓展到基于胶体晶体领域中。

技术方案：本发明的目的可以通过以下方案来实现：采用溶胶—凝胶方法制备的单分散二氧化硅微球和用悬浮乳液聚合方法制备的聚苯乙烯微球进行自组装制备有序的胶体晶体，然后利用其在水凝胶模板上自组装成有序结构实现其图案化转移的构造。

该方法包括有序胶体晶体的制备、水凝胶模板的制备、涂有胶体晶体膜层、胶体晶体的微接触印刷四个步骤，

①有序胶体晶体的制备：将单分散的二氧化硅或聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯微球，加去离子水稀释，调节质量百分数为0.5％-2.0％备用，

②水凝胶模板的制备：质量体积比为10％的丙烯酰胺和甲叉双丙烯酰胺混合液稀释至体积比为3％-6％，加引发剂偶氮异二丁腈混匀后，通入氮气2-4min或真空脱气2-4min，灌入模具中，静置20min；4℃下高压汞灯照射聚合40min，即得水凝胶，将其从模具上剥落，用纯水充分洗涤后置于4℃纯水中保存，

③涂有胶体晶体膜层：将制备好的模板浸泡在胶体晶体溶液中，用提拉仪进行提拉，在模板表面自组装成胶体晶体薄膜，待其在室温下干燥，

④胶体晶体的微接触印刷：在步骤②中形成的带有图案化的水凝胶模板和涂有胶体晶体的涂层的疏水材质基底轻轻接触，然后将模板移走，有序的胶体晶体就被转移到基底的表面上了。