利用微流控层流实现多种先进聚合物薄膜的可控制设备

微流控技术已在材料、化学、生物等诸多领域得到了广泛应用，可以在微通道中产生并控制液体层流。利用微流控层流，科学家实现了多种先进聚合物薄膜的可控制备。这些聚合物薄膜对可穿戴设备、电子皮肤、柔性电池等新兴领域的发展具有重要意义。基于此，武汉理工大学张鹏超教授团队提出基于微流控层流的先进聚合物薄膜制备新策略，旨在将微流控技术与材料、柔性电子等领域交叉融合，促进先进聚合物薄膜的发展及其在柔性电子等战略新兴领域中的应用。相关研究成果以“Developing advanced polymer films based on microfluidic laminar flow”为题发表在Giant期刊上。

先进聚合物薄膜是如可穿戴设备、电子皮肤、柔性电池等柔性电子器件的重要组成部分。而柔性电子器件的快速发展对先进聚合物薄膜提出了越来越高的要求，如超薄、多层、异质结构等。然而，传统方法无法有效构筑这类先进聚合物薄膜。因此，亟需发展一种聚合物薄膜制备新技术以满足上述重大需求。微流控技术可以在微尺度上产生并控制液体层流，为先进聚合物薄膜的发展及其规模化生产提供了新的可能，这将促进柔性电子产业的蓬勃发展。

通过合理设计微流控通道，即可在微流控芯片中产生并在微米尺度上精准操纵液体层流。在层流作用下，液体可以在微流控通道内并行流动，即使多个互溶性流体平行交汇，相邻流体之间也不会发生混合。通过固化或界面聚合的方式即可以将微流控层流转变为先进聚合物薄膜。

 

图1 利用微流控层流制备先进聚合物薄膜策略示意图

如图1所示，将单个微通道内的层流定义为单通道微流控层流。单通道微流控层流可以通过适当的成膜方法（如离子交联、光聚合等）制备单层均质或异质聚合物薄膜（图2）。重要的是，利用光聚合和合适的掩膜版，可以获得图案化聚合物薄膜。此外，通过调节微流控通道的厚度和宽度，可以很容易地调控聚合物薄膜的厚度和宽度。
 

 

图2 利用单通道微流控层流制备聚合物薄膜

两个或多个单通道微流控层流平行堆积可以形成双通道或多通道微流控层流。双通道微流控层流可以形成稳定的液/液界面。因此，可以通过界面聚合制备聚合物薄膜。利用多通道微流控层流，流体在微通道内不断地分流-混合，可以形成连续的且互不干扰的浓度或组分梯度，通过固化层流可以制备异质聚合物薄膜（图3）。
 

 

图3 利用多通道微流控层流制备异质聚合物薄膜

此外，可以通过垂直组装两个或多个单通道微流控层流形成双层或多层微流控层流。多层微流控层流固化后可获得多层聚合物薄膜（图4）。
 

 

图4 利用多层微流控层流制备多层聚合物薄膜

利用可控的微流控层流，可以连续、简便地大规模制备先进聚合物薄膜。利用多通道、多层微流控层流技术可以制备异质或多层的聚合物薄膜。但是，目前报道的利用微流控层流制备的聚合物薄膜多为水凝胶薄膜，而其他种类的聚合物薄膜的相关文献报道较少。因此，利用微流控层流技术探索其他功能性先进聚合物薄膜的开发和应用是该领域未来研究的重点。

审核编辑：刘清