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分级结构材料中的微米、纳米等结构的多尺度效应是形成材料新功能的内在本质。利用不同的模板将纳米粒子以不同的方式自组装成各种分级有序结构，是将功能单元材料按照理想的方式设计组装成结构复杂的高性能材料的有效途径。本论文探讨了基于固体模板和液体模板制备分级结构材料的方法，研究了分级结构材料在特殊浸润性界面、功能显示器件、生物分子编码载体等领域的应用。具体开展的工作如下：
(一)分别以四种具有微米结构的固体材料为模板组装纳米粒子，于微米和纳米两种不同尺度的层面上构建材料的分级结构。第一、用垂直提拉法在具有平行沟槽结构的美洲大闪蝶翅膀上组装纳米粒子。第二、以多孔PDMS模板限制和诱导纳米粒子的自组装，制备出由纳米粒子组成的微米球阵列。第三、基于层层自组装技术，在用聚电解质包覆的微米球阵列表面连续吸附带相反电荷的纳米粒子，实现材料表面多尺度结构的构筑。第四、在PDMS微米球阵列模板表面以热压印的方法黏附结合纳米粒子，制备分级结构材料。
(二)设计和搭建了一套单分散乳液液滴的发生装置，并以乳液液滴为模板，通过蒸发溶剂的方法将乳液中的纳米粒子自组装成大小可控、尺寸均一的分级结构材料的次级可植入性功能单元——胶体晶体微球。研究了胶体晶体微球的固化温度、微观结构、色彩表达以及光谱变化，讨论了影响胶体晶体微球尺寸的因素，得出微球的尺寸随水相出口内径、表面张力、水相流速、粒子浓度的增大而增大，随油相流速、油相黏度的增大而减小的结论。
(三)以低表面能物质氟硅烷修饰分级结构材料表面，得到了具有超高接触角(CA>165°)和极低滚动角(SA<0.5°)的超疏水界面材料。通过研究粗糙系数、空气垫百分比、三相接触线长度等相关参数的变化，得出了材料表面的超疏水性能随纳米结构尺寸的增大而增大、随微米结构尺寸的增大而减小的结论。将温敏性聚合物聚异丙基丙烯酰胺接枝到分级结构材料表面，得到了温度响应的超亲水-超疏水智能转化材料。
(四)对胶体晶体微球应用于阵列显示领域的可行性进行了研究，以胶体晶体微球作为显示的基本单元，通过阵列排布的方法构建了胶体晶体显示材料和器件。成功解决了胶体晶体作为显示材料时普遍出现的视角色差的问题。制备出了液晶耦合的反蛋白石结构胶体晶体微球阵列显示器件，利用液晶分子对外场响应的特性，实现对显示灰度的调制。
(五)将胶体晶体微球作为生物分子的固相载体应用于多元免疫检测，以其特有的反射峰作为载体的编码来跟踪和识别多元检测中的每一个免疫反应。探讨了胶体晶体微球载体的机械稳定性、编码准确性、蛋白包被均匀性等问题。以其为载体的荧光免疫检测的灵敏度可以达到10μg/ml。总结出胶体晶体微球作为编码固相载体具有编码稳定、解码方便、检测灵敏度高、编码可扩展等优点。