本发明涉及三维动态表面领域，应用于触觉及人机界面材料表面的光学性质、力学性质、润湿性的调制，透镜的结构以及焦距的动态自动化控制，微流体器件中流体流动和反应的动态控制转换等。
背景技术
响应型的表面形貌在大自然中广泛存在且具有重要作用，在人类探索大自然的过程中，受自然现象所启发，越来越多的功能表面结构被人类设计出来，例如受荷叶表面的自清洁启发设计出了防水涂层；受壁虎启发设计出攀登机器人和超黏胶水。但是，上述的表面形貌均为静态，无法在不需要的时候变平坦，因此容易磨损及损坏。
近年来，已有大量采用新方法或新材料制备动态响应表面的相关报道。其中，采用薄膜收缩带动可变形柔性衬底形成褶皱结构是实现表面形貌变化的最常见的方法。类似于此种机理，采用处于约束状态下的水凝胶的溶胀也可以实现表面的动态响应，但是这种方法中的渗透压难于精确控制，其动态表面较难控制，同时尺寸和形状比较受限。
液晶聚合物网络技术手段可以通过实现动态表面形貌的制备。液晶聚合物网络是基于液晶材料的特殊聚合物，其内部液晶分子可按照一定的排序规则排列。同时，聚合物网络中的液晶分子有一定的自由度，因此分子的排序可以在电场、温度、光、化学元素等外界因素的影响下发生改变，从而引起液晶聚合物整体特性或形貌的改变。由于液晶分子的取向精确可控，因此利用液晶聚合物的形貌变化制备动态表面，可实现表面结构的准确控制，是制备动态表面的最有效途径之一。
光刺激响应是以非接触的方式远程控制局部或整体的动态响应，具有广泛的应用，一直以来均为研究的热点。光响应的液晶聚合物网络通常采用掺杂偶氮苯分子的方式实现。偶氮苯具有很好的光响应开关性质，在特定波长的照射下会发生顺反异构化反应，这个异构体同时也会导致分子的结构和大小几何的改变，这就提供了一个与响应幅度相关的光响应机制。该体系已被证实为实现动态表面可控光响应的有效途径。因此，通过刺激响应实现表面结构切换的动态表面将带来新的应用，提升效率、精确控制及鲁棒性。动态表面也可以使一些现代科技受益，例如控制微流控芯片中液体中流动和混合，通过表面粗糙变化实现touch-in-put设备的触觉反馈等。由此可见，动态表面具有极其广泛的应用，展开其制备方法的研究非常具有应用价值。
技术实现要素：
本发明的目的是在紫外光源打开或关闭的状态下，光响应液晶聚合物中的偶氮苯分子转变为顺式异构体形态或反式异构体的形态，从而实现宏观的光响应三维动态表面。
本发明的技术方案如下：
基于光响应液晶聚合物材料的三维动态表面，包括一基板和所述基板表面上的液滴阵列或涂层，所述液滴阵列或涂层由喷墨打印机喷射光响应液晶混合物制成，所述光响应液晶混合物包括向列相液晶、偶氮苯、光引发剂和表面活性剂，在紫外光源关闭的状态下，所述光响应液晶聚合物中的偶氮苯分子呈反式异构体的形态，在紫外光源打开的状态下，所述光响应液晶聚合物中的偶氮苯分子呈顺式异构体的形态。
上述基板为玻璃、不同固化程度的聚二甲基硅氧烷（pdms）、聚酰亚胺（pi）取向层、全氟聚合物（af）涂层、聚丙烯（pp）薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯（pet）、聚甲基丙烯酸甲酯（pmma）、聚乙烯醇（pva）或柔性基板中的一种。
上述光响应液晶混合物包括以下质量份数的成分：向列相液晶a为0~40质量份数；向列相液晶b为0~50质量份数；向列相液晶c为0~80质量份数；偶氮苯为1~5质量份数；光引发剂为1~2质量份数；表面活性剂0.5~1质量份数。
上述光引发剂为苯基双（2,4,6-三甲基苯甲酰基）氧化膦、2-羟基-4’-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮、安息香双甲醚或1-羟基环己基苯基甲酮中的一种或几种的混合物。
上述表面活性剂为甲基丙烯酸n-乙基全氟辛烷磺酰胺基乙酯。
上述光响应液晶聚合物的聚合过程在蓝光区进行。
基于光响应液晶聚合物材料的制备方法，步骤如下：
s1：以四氢呋喃溶液溶解光响应液晶混合物作为墨盒中的打印油墨；
s2：在具有不同表面能的基板上喷射打印光响应液晶液滴阵列或涂层；
s3：将光响应液晶液滴阵列或涂层放在蓝光区进行聚合，并在热板上完成光响应液晶聚合物网络的充分形成过程；
s4：将s3步骤中制备的光响应液晶聚合物材料曝光在紫外区，并控制紫外光的开关状态，以形成光响应液晶聚合物材料的三维动态形貌。
上述s1步骤中光响应液晶混合物的混合比例为向列相液晶a为0~40质量份数；向列相液晶b为0~50质量份数；向列相液晶c为0~80质量份数；偶氮苯为1~5质量份数；光引发剂为1~2质量份数；表面活性剂0.5~1质量份数。
上述s2步骤中的喷墨打印过程是指利用墨盒将1pl~20pl的功能材料溶液以每秒数百次以上的频率喷洒在特定衬底上并制备成大面积图案化的阵列或涂层。
上述s4步骤中的光响应液晶聚合物材料的三维动态形貌是指在光刺激因素的影响下，聚合物网格中的液晶分子的排序将发生改变，由此引起液晶聚合物整体特性或形貌的改变，进而可以响应实现材料三维表面的切换。
本发明的有益效果：在紫外光源关闭的状态下，光响应液晶聚合物中的偶氮苯分子呈反式异构体的形态，在紫外光源打开的状态下，光响应液晶聚合物中的偶氮苯分子转变为顺式异构体的形态，这个顺反式异构体转变的过程不仅导致偶氮苯分子的结构和大小几何的改变，也改变了液晶聚合物网络的序参数，从而带动聚合物网络一起发生形变，实现宏观的光响应三维动态表面。
附图说明
图1为本发明光响应液晶聚合物材料的三维动态表面的转换过程示意图；
图2为本发明紫外光源开关时液晶基元的排序变化示意图；
图3为本发明喷墨打印程序中图案设计示例的示意图。
具体实施方式
为了更好的说明本发明，现结合实施例及附图作进一步的说明。
如图1所示，基于光响应液晶聚合物材料的三维动态表面，包括一基板和所述基板表面上的液滴阵列或涂层，液滴阵列或涂层由喷墨打印机喷射光响应液晶混合物制成，光响应液晶混合物包括向列相液晶、偶氮苯、光引发剂和表面活性剂，在紫外光源关闭的状态下，光响应液晶聚合物中的偶氮苯分子呈反式异构体的形态，在紫外光源打开的状态下，光响应液晶聚合物中的偶氮苯分子呈顺式异构体的形态。
进一步的，基板为玻璃、不同固化程度的聚二甲基硅氧烷（pdms）、聚酰亚胺（pi）取向层、全氟聚合物（af）涂层、聚丙烯（pp）薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯（pet）、聚甲基丙烯酸甲酯（pmma）、聚乙烯醇（pva）或柔性基板中的一种；光响应液晶混合物包括以下质量份数的成分：向列相液晶a为0~40质量份数；向列相液晶b为0~50质量份数；向列相液晶c为0~80质量份数；偶氮苯为1~5质量份数；光引发剂为1~2质量份数；表面活性剂0.5~1质量份数；光引发剂为1~2质量份数；表面活性剂0.5~1质量份数；光引发剂为苯基双（2,4,6-三甲基苯甲酰基）氧化膦、2-羟基-4’-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮、安息香双甲醚或1-羟基环己基苯基甲酮中的一种或几种的混合物；表面活性剂为甲基丙烯酸n-乙基全氟辛烷磺酰胺基乙酯。
优选的，上述光响应液晶聚合物的聚合过程在蓝光区进行。
实施例1
制备基于光响应液晶聚合物的三维动态表面，步骤如下：
s1：配制光响应液晶混合物，溶解在四氢呋喃溶液中作为打印油墨，并注入墨盒中；
s2：准备一块干净的普通玻璃作为打印基板，并在玻璃上利用喷墨打印设备喷射打印光响应液晶液滴阵列；
s3：将步骤s2中完成光响应液晶混合物打印的玻璃基板放置在充满氮气的盒子中，覆上滤光片后，打开紫外光源，使光响应液晶混合物聚合，然后取出玻璃，并放置在热板一段时间使光响应液晶混合物充分聚合，以制备光响应液晶聚合物；
s4：通过偏光显微镜、3d形貌仪、sem仪器上观察并记录光响应液晶聚合物的三维表面；
s5：打开紫外光源，对样品进行进行照射一段时间后，通过偏光显微镜、3d形貌仪、sem仪器上观察并记录光响应液晶聚合物的三维表面；
s6：将样品放在可见光区或热板上，观察并记录光响应液晶聚合物网络的表面形貌的动态恢复过程，由喷墨打印程序设计得到的打印图案示例如图3所示，得到的三维动态表面转换过程示意图如图1所示。
制备得到的基于光响应液晶聚合物在紫外光源打开时的三维表面如图2右所示。由观测结果可以得出，液滴表面形貌出现了明显的变化，且在偏光显微镜下的图像变得模糊，由此推断，液滴内的分子排序已发生明显的变化，即液晶基元在偶氮苯顺反异构化的牵引下，倾向平行于玻璃基板的方向排列。所以本发明的基于光响应液晶聚合物的三维动态表面在紫外光源关闭和打开时，呈现的表面拓扑结构是不同的。同时，可以通过改变打印基板的表面能来控制液滴内液晶基元的排序变化。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：s2中的打印基板为完全固化的聚二甲基硅氧烷（pdms）膜，聚二甲基硅氧烷（pdms）膜由聚二甲基硅氧烷质量份数与固化剂质量份数以9：1比例混合配制，并在80℃温度下固化一小时制得。
实施例3
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：s2中的打印基板为垂直取向的聚亚酰胺（pi）薄膜，聚亚酰胺（pi）薄膜是以2000r/min速度旋涂聚亚酰胺溶液后，并在90℃温度下固化1分钟制得。