● 摘要
以动物秋毫制备的毛笔是我国的一种传统的书写工具，被誉为“文房四宝”之一。数千年来，一代代的东方人用毛笔为主要书写工具来绘画和书法以表达自己的情感和传递人类文明。和其他书写工具相比，毛笔的一个显著特征是能可控的操控低粘度的水性墨水。毛笔蘸墨时，大量的墨水可以有效的储存在毛笔内部；而一旦和纸接触，毛笔中的墨水又可以稳定、均匀而且连续的传递到纸上，形成可控的墨迹。然而毛笔的这种高效储墨机理还尚未解开，特别是对于组成毛笔的新生毛发对于其高效储墨的关系还尚不清楚。本文从毛笔可控操控液滴的现象出发，建立液滴在各向异性纤维上的运动模型，分析液滴的受力情况，揭示各向异性结构纤维协同作用下的液滴的动态平衡机制，实现各向异性纤维对液体的可控操控，并进一步实现将功能性液体直接印刷为微米线和纳米膜，实现有机小/高分子功能纳米膜材料的大面积可控制备。主要内容如下：
（1）通过观测墨水在毛笔上的动态输运行为，发现毛笔的尖端是实现高效存储和可控输运墨水的关键因素。微观结构观测结果表明，几乎所有的动物新生毛发都具有相似的各向异性多尺度结构：即锥形结构的毛发表面覆盖有定向梯度排列的毛鳞片结构。通过建立液滴在平行的动物新生毛发系统上的自驱动模型，成功揭示了毛笔动态储墨的物理机制，解密出困扰中国几千年来关于毛笔储墨的秘密。研究发现，液滴在这种具有各向异性多尺度结构的毛发表面具有动态平衡行为：液滴会在锥形毛发上自驱动运动并最终停止于一定的位置，从而形成一个“储墨点”。 通过这个储墨点，毛笔可以储存大量墨水在其内部，从而保证毛笔一次蘸墨后能连续高效的进行水墨传输。机理分析表明，动物新生毛发的锥形结构产生的Laplace力和毛发表面的定向鳞片产生的各向异性驱动力及重力的综合作用使得液滴最终动态平衡于一定位置，从而使得液滴可控存储于毛笔内部。这一研究成功揭示了毛笔高效可控储运墨汁的秘密，为液滴的可控转运提供了研究基础。
（2）通过电化学动态腐蚀法成功制备了仿毛发结构的锥形铜丝，并通过调节铜丝的腐蚀速率实现了表面粗糙度的可控改变。将其应用于液滴输运后发现，液滴在锥形铜丝表面具有和在平行毛发表面类似的自驱动行为，且液滴最终会动态平衡于锥形铜丝的一个固定位置。液滴的平衡高度与液滴的体积，锥形铜丝的顶角和放置角度有关，而与其释放位置无关。同时，研究证明当液滴悬挂于锥形铜丝尖端时，液滴的转移效率达到最大。改变锥形铜丝的顶角和放置角度可以可控的改变液滴的最大转运效率。研究还发现，在顶角为14.7o，倾斜角为24o时，锥形铜丝可以实现可控操控自重428倍的液体材料。这一研究为液滴的高效输运和可控转运提供了良好的基础和广阔的应用前景。
（3）基于毛笔可控输运液滴的行为，我们成功制备了一种微米线的直接印刷装置。研究发现，将两根动物新生毛发平行排列并供给其液体材料后，随着毛发的运动可以直接印刷产生微米线结构。表面形貌的观测结果表明，通过这种直接印刷工具制备的微米线边缘整齐，分布均匀。改变印刷工具的运行速度和印刷工具与基底的距离可以可控的调节微米线的宽度和厚度。同时，通过引入具有不同功能的有机小/高分子及纳米粒子后，实现了功能性微米线及其阵列的直接印刷。这种直接印刷产生的微米线及其阵列在印刷电、化学传感器和液体的定向浸润上都具有一定的应用前景。这一研究为功能材料的制备提供了一种简单高效的方法。
（4）基于毛笔对液体的可控输运基础，我们成功制备了一种纳米膜的直接印刷工具。通过将多根动物新生毛发平行排列，可以实现厚度为纳米级的膜材料的直接印刷。同时研究发现，印刷中毛发的多尺度结构会对液体产生一种剪切力，影响了膜材料中功能分子的定向排列，最终直接印刷出具有定向晶体结构的膜材料。将其应用于场效应晶体管后发现，直接印刷的膜材料制备的器件的载流子迁移率得到明显提高，其迁移率表现出比用旋涂法制备得到的薄膜2-3倍优异的性能。因此，利用非对称纤维对液态材料的可控操控，非常有望实现微尺度参数可控的有机纳米薄膜图案化的制备，从而实现更多的应用。
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