题目：表面多级结构的可调生物成形基础研究

        现代机械产品表面性能要求越来越高，功能需求越来越多，导致其表面结构日趋复杂，使多级结构表面的需求不断增加，例如航行器表面的吸波、减阻、高强度多级结构，手术医疗器械表面的防脱、防粘多级结构等。自然界中的生物拥有高度复杂的表面多级结构，将生物引入表面结构制造领域，可以弥补现有物理、化学方式加工能力的不足。目前通过生物方式制造多级复杂表面结构，已取得一定进展，如仿蝴蝶翅膀多级光学结构，仿鲨鱼皮多级沟槽结构等。但还不能根据需求，调整这些多级结构，实现其功能范围的拓展。因此迫切需要实现可调生物成形。

        本文针对两种用于制造表面多级结构的生物原型模板：颗粒状生物微粒，以及连续生物体表面，提出了不同的可调生物成形方法。针对颗粒状生物多级结构，提出了可调生物组装成形技术，选取具有多级孔隙结构的硅藻作为生物原型，对其位置和姿态进行调控，经与基片连接后，可制造阵列化生物颗粒多级结构表面；针对生物体表多级结构，提出了可调生物放大成形技术，分别选取具有倾斜沟槽的鲨鱼皮和高深宽比的壁虎脚掌作为生物原型，调整其复制成形过程中多次翻模工艺中阴模尺寸，实现鲨鱼皮鳞片可调生物放大成形，以及实现壁虎脚体表高深宽比多级结构的完整复制。主要研究内容如下：

        首先选取硅藻颗粒作为研究对象，使用热熔胶/旋涂玻璃作为中间层，结合光刻工艺，精确调整离散硅藻颗粒的空间位置，将其阵列化组装在基片表面；通过调节热熔胶/旋涂玻璃的加热温度，获得高质量阵列化硅藻表面多级结构。利用HF酸辅助键合，实现硅藻与玻璃基片的直接键合；对HF酸浓度和键合时间等关键工艺参数进行了优化，实现了完整硅藻在基片的牢固连接。对所得基片的荧光检测性能进行了测试，验证了阵列化硅藻对目标检测分子的富集增强效应。

        基于圆筛藻在液滴表面的漂浮原理，提出了圆筛藻壳片的姿态调整方法，经与硅基片连接固定后作为掩膜，利用磁控溅射技术在基片表面沉积得到了与硅藻孔隙结构特征相反的多级纳米金柱表面多级结构，并验证了其拉曼增强效应。利用旋涂玻璃辅助定位方法，成功解决了硅藻酸洗过程中易出现的分裂问题，获得了不开壳的空心结构硅藻。

        针对大面积生物体表面的可调放大成形，选取鲨鱼皮为原型模板，基于生物复制成形技术，通过等比例放大加工过程中的聚二甲基硅氧烷（PDMS）阴模，最终获得等比例放大的鲨鱼皮表面多级结构。对其中关键工艺参数进行优化，通过控制气态正己烷浓度有效控制了PDMS的溶胀速度、最佳溶胀比，实现仿鲨鱼等比例放大表面与原始鲨鱼皮表面的复制精度达到95%，而且实验测试结果表明放大后减阻表面最佳减阻速度区域的向低速区移动。

        针对高深宽比生物原型形貌的制造，选取壁虎脚掌为原型模板，利用PDMS阴模溶胀方法成功解决其高深宽比纤毛结构难以脱模问题，并通过实验对其溶胀比-脱模力的规律进行量化分析；成功复制出仿壁虎脚掌多级纤毛表面逼真复制品。

        表面多级结构可调生物成形方法可以制造出更具复杂度及功能性的表面多级结构，扩大了基础生物成形方法的制造能力，在医疗、国防、能源等中具有良好的应用前景。