一种能够可视化测量的结构色膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种能够可视化测量的结构色膜及其制备方法和应用，涉及激光表面微纳加工领域，该方法首先在成型透明的PDMS膜上涂覆一层墨水，墨水干燥后，会在PDMS膜表面制备一层墨水层，然后利用聚焦激光干涉光刻技术，采用超快激光器调节好相关参数后对样品进行处理，在样品表面加工出周期性的微纳沟槽阵列，得到所述的结构色表面。本发明专利技术公开了一种利用该结构色膜的制备方法，在柔性执行器上制备出结构色表面，在柔性执行器的变形过程中，对应结构色表面的颜色也会发生变化，以其相应结构色的颜色变化与变形的对应关系，实现了对柔性执行器弯曲角的非接触可视化测量。

A kind of structure color film with visual measurement and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种能够可视化测量的结构色膜及其制备方法和应用
本专利技术涉及激光表面微纳加工领域，尤其涉及聚二甲基硅氧烷(PDMS)基体上结构色膜的制备方法及其应用。
技术介绍
在生物启发下的表面微结构具有独特功能，比如超疏水的荷叶表面、各向异性的水稻叶表面、可收集水雾的沙漠甲壳虫表面以及绚丽多彩的蝴蝶翅膀等结构色表面作为其中的一种，是由于表面上有极薄的蜡层、刻点、沟缝或鳞片等细微结构，使光波发生折射、漫反射、衍射或干涉而产生的各种颜色。比如蝴蝶翅膀由于表面上的脊状微结构，而呈现出绚丽多彩的颜色；很多鸟类的羽毛由于表面的微结构，从特定的角度下观察时都能看到格外耀眼的亮色，换个角度颜色就会发生变化；这些结构色表面不是由色素产生，具有不褪色、环保和虹彩效应等优点，在显示、防伪、传感等领域具有广阔的应用前景，由此引起了结构色膜在相关领域的应用。因此制备出结构色膜得到了越来越多的关注，人们渴望将结构色膜应用于实验生产中，尤其是在聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜上制备结构色表面。聚二甲基硅氧烷(PDMS)具有防水、疏水、透光性高、生物相容性佳、制作过程简便且快速等特性，是一种透明的高弹性柔性材料，被广泛应用于生物医学工程，微流体芯片，柔性执行器等领域。作为柔性执行器的重要组成部分，PDMS所具有的高弹性的特点，可以在柔性执行器上实现较大的变形。用聚焦激光干涉技术加工PDMS膜，得到结构色膜，非常具有应用前景。在PDMS上制备结构色表面的方法有很多，典型的方法有：二氧化硅微球自组装法，纳米压印和转印法等。微球自组装法就是将纳米级的二氧化硅微球自组装成一定结构排列成光子晶体，再倒入未固化的PDMS，使其填补微球之间的空隙，固化后用氢氟酸腐蚀去除二氧化硅微球，合成反蛋白石结构。这种方法的制作工艺复杂，还需要使用氢氟酸，会对人体和环境产生一定的伤害。纳米压印和转印，都是依赖于已有的衍射光栅，对未固化之前的柔性材料进行处理，得到与衍射光栅一样的周期结构，很难灵活的调整周期，在面对复杂图形是，需要定制衍射光栅作为模具，加工的灵活性低。综上所述，开发出一种工艺简单，制备效率高，加工图案灵活，适用于大面积加工，且不产生任何环境污染，快速实现在固化的PDMS上制备结构色表面，是目前科研工作者亟待解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种能够可视化测量的结构色膜及其制备方法和应用，以解决现有技术中工艺复杂技术问题。本专利技术是通过以下技术方案实现的：本专利技术提供一种能够可视化测量的结构色膜，所述结构色膜具体由顶部平整的底板和覆盖在其顶部的可视化测量层构成，且所述结构色膜的顶部开设有周期性微纳米沟槽阵列，所述周期性微纳米沟槽阵列的深度不小于可视化测量层的厚度。进一步，所述底板的制备方法具体为：按照10：1的质量比，取液体聚二甲基硅氧烷和PDMS固化剂,混合搅拌均匀后，旋涂在载玻片上，旋涂后放在加热板上加热固化，得到固化的PDMS膜，即底板。进一步，所述可视化测量层具体为固化在底板顶部的墨水层。本专利技术还提供一种上述的结构色膜的制备方法，该方法包括以下步骤：步骤一，按照10：1的质量比，取液体聚二甲基硅氧烷和PDMS固化剂,混合搅拌均匀后，旋涂在载玻片上，旋涂后放在加热板上加热固化，得到固化的PDMS膜；步骤二，将PDMS膜放在盛有去离子水的超声波清洗仪中清洗，清洗干净后，将所述PDMS膜表面用冷风机吹干或室温自然晾干，得到洁净的PDMS膜；步骤三，在步骤二中得到的洁净的PDMS膜表面涂覆一层黑色的墨水，然后放置在室温下使表面的墨水干燥，得到表面带有一层墨水层的PDMS膜；步骤四，利用聚焦激光干涉光刻加工技术对步骤三得到的表面带有一层墨水层的PDMS膜表面进行聚焦激光干涉光刻扫描处理，在其表面加工出周期性微纳米沟槽阵列，即得到所述的结构色膜。进一步，步骤一中所述的旋涂采用旋涂机进行旋涂，先将混合搅拌后的PDMS滴在载玻片上，用500r/min的转速，保持10s，再用1500r/min的转速，保持60s，所述加热器板上加热，加热的温度为80℃-100℃，加热时间为3-4小时，所述加热板的温度误差为±1℃。进一步，步骤四中所述的聚焦激光干涉光刻扫描，使用二维移动台实现，首先将激光器输出的激光调制成两束光斑大小为1×1cm2具有相同能量的光束，用两个凸透镜将两束光束汇入成1×1mm2正方形光斑；通过对光路的调整，使光束在时间和空间上叠加在样品上，保持激光束不动，汇成的正方形光斑固定，样品相对于光斑运动，平台的移动为0.1mm/s-1m/s。进一步，步骤四中所述的激光器中心波长为355nm，脉宽为10ns，重复频率为10Hz，激光干涉角为7.54°，激光强度为0.40mW/cm2，激光的扫描速度为0.2mm/s。本专利技术还提供一种上述结构色膜在柔性执行器件中的应用，柔性执行器件的外表面具体由所述结构色膜构成。本专利技术还提供一种非接触式测量上述柔性执行器件曲率的测量方法，该方法包括以下步骤：步骤一、利用LED白光照射在所述柔性执行器表面的结构色膜位置上；步骤二、对柔性执行器通电和断电，使柔性执行器发生周期性的弯曲运动，所述柔性执行器上的结构色膜也会进行周期的弯曲运动；步骤三，同步采集柔性执行器上结构色膜周期性弯曲运动过程中其表面因光源照射产生的衍射条纹变化情况的图像信息和柔性执行器周期性弯曲运动的变形图像信息；步骤四、利用数字图形处理法统计在周期性弯曲运动过程中结构色膜表面任一点的颜色、柔性执行器的变形、柔性执行器弯曲角度与时间的对应关系；步骤五、在柔性执行器进行周期性弯曲运动过程中，根据任意时刻结构色膜表面任一点的颜色，确定对应的柔性执行器的弯曲角度。进一步，所述任一点的颜色具体为图形信息中任一点的RGB值。本专利技术一种红掌土培方法，本专利技术的有益效果体现在：(1)利用本专利技术方法制备在成型透明的PDMS上的结构色膜，是在PDMS膜表面加工出周期性的微纳米沟槽阵列，具有与衍射光栅类似的光学特性，在白光的照射下，以不同的角度观察可以看到各种不同的颜色。具有鲜明的结构色表面特征。(2)利用聚焦激光干涉光刻技术在PDMS上制备结构色膜，可对成型后的透明PDMS进行加工，制作的工艺简单，加工速度快、不需要依赖于现有的衍射光栅。加工过程中不需要使用其他的化学试剂，绿色环保，且本专利技术方法的工艺参数容易控制，易于在实际实验生产中的应用。(3)采用本专利技术制备得到的PDMS结构色膜，加工出的图形灵活可控；而且可以对干涉的光路进行调整，使得加工出的微纳米沟槽周期可调，大大增加了PDMS膜的适用范围。(4)结构色膜的制备与柔性执行器相结合，在柔性执行器PDMS层上的特定位置制备出结构色表面。通过分析柔性执行器发生弯曲时，结构色表面的衍射条纹的改变，找出衍射条纹与弯曲程度之间的关系，从而实现对柔性执行器曲率的非接触可视化测量，大大降低了对柔性执行器的测量难度。<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种能够可视化测量的结构色膜，其特征在于，所述结构色膜具体由顶部平整的底板和覆盖在其顶部的可视化测量层构成，且所述结构色膜的顶部开设有周期性微纳米沟槽阵列，所述周期性微纳米沟槽阵列的深度不小于可视化测量层的厚度。/n

【技术特征摘要】
1.一种能够可视化测量的结构色膜，其特征在于，所述结构色膜具体由顶部平整的底板和覆盖在其顶部的可视化测量层构成，且所述结构色膜的顶部开设有周期性微纳米沟槽阵列，所述周期性微纳米沟槽阵列的深度不小于可视化测量层的厚度。


2.根据权利要求1所述的一种能够可视化测量的结构色膜，其特征在于，所述底板的制备方法具体为：
按照10：1的质量比，取液体聚二甲基硅氧烷和PDMS固化剂,混合搅拌均匀后，旋涂在载玻片上，旋涂后放在加热板上加热固化，得到固化的PDMS膜，即底板。


3.根据权利要求2所述的一种能够可视化测量的结构色膜，其特征在于，所述可视化测量层具体为固化在底板顶部的墨水层。


4.一种权利要求3所述的结构色膜的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一，按照10：1的质量比，取液体聚二甲基硅氧烷和PDMS固化剂,混合搅拌均匀后，旋涂在载玻片上，旋涂后放在加热板上加热固化，得到固化的PDMS膜；
步骤二，将PDMS膜放在盛有去离子水的超声波清洗仪中清洗，清洗干净后，将所述PDMS膜表面用冷风机吹干或室温自然晾干，得到洁净的PDMS膜；
步骤三，在步骤二中得到的洁净的PDMS膜表面涂覆一层黑色的墨水，然后放置在室温下使表面的墨水干燥，得到表面带有一层墨水层的PDMS膜；
步骤四，利用聚焦激光干涉光刻加工技术对步骤三得到的表面带有一层墨水层的PDMS膜表面进行聚焦激光干涉光刻扫描处理，在其表面加工出周期性微纳米沟槽阵列，即得到所述的结构色膜。


5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤一中所述的旋涂采用旋涂机进行旋涂，先将混合搅拌后的PDMS滴在载玻片上，用500r/min的转速，保持10s，再用1500r/min的转速，保持60s，所述加热器板上加热，加热的温度为80℃-100℃，加热时间为3-4小时，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晨初，陈任飞，张健明，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34