非均匀润湿性图案化表面加工及其液滴操控研究
发布时间：2020-06-11 04:31
【摘要】：非均匀润湿性图案化表面可实现液滴存贮和运输等操控行为,在药物研发和干旱多雾地区水资源收集等领域具有重要应用价值。但现有非均匀润湿性图案化表面加工技术尚不能满足液滴多样化操控需求。本文采用化学/电化学加工和微铣削等微纳制造技术通过区域性调整材料表面微结构或化学成分加工出非均匀润湿性图案化表面,并研究了液滴在所加工表面上的粘附、运输、混合和分离等静动态行为和相关机制,为新型智能液滴操控平台的设计和制造提供了理论和技术基础。主要研究内容及结果如下:(1)分别采用电液束加工和掩模化学氧化并结合低表面能修饰技术在金属基底加工了疏水/超疏水图案化表面,基于所加工表面,进行液滴滚动试验,分析了疏水/超疏水图案化表面液滴的各向同性/异性滚动特性。结果显示,液滴的各向同性/异性滚动阻力受疏水区微结构、宏观形状和尺寸影响,且影响规律可由Furmidge界面液滴滚动阻力模型预测;通过控制液滴的各向同性/异性滚动可实现液滴存贮和无损转移等操控行为。(2)利用微铣削技术直接在金属超疏水表面加工出亲水微沟道图案,并分析了亲水微沟道上液滴的各向异性滚动机制及其在重力驱动液滴操控方面的应用。结果证明,亲水微沟道上液滴沿平行于和垂直于沟道方向的滚动阻力具有显著各向异性,且各向异性可由沟道宽度、数量、间距及沟道间夹角定量控制;在重力驱动下,各向异性滚动阻力可使液滴沿沟道滚动,实现开放式液滴混合功能,混合效率可达167 μL/s;相比封闭式微流控芯片,此开放式液滴混合系统具有成本低、易观测、无气泡等优点。(3)采用掩模电化学刻蚀法在金属超疏水表面加工了超亲水图案,分析了该超亲水图案上拉普拉斯压力梯度驱动的液滴操控过程。结果表明,掩模电化学刻蚀能够以点蚀及点蚀扩展的形式定域去除超疏水表面氟硅烷层加工出超亲水图案;先用高电位均匀去除大部分氟硅烷层,为避免强电场破坏微结构,再转用低电位去除剩余部分是加工高质量超亲水图案的关键;所加工的楔形超亲水图案可实现拉普拉斯压力梯度驱动的液滴运输和混合,且液滴运输速度和混合体积可分别由楔形图案张角和相对位置控制。(4)采用掩模化学氧化法在铜箔上加工了水下亲油/超疏油图案化表面,并利用该表面提出一种拉普拉斯压差驱动的水下油滴运输方法,研究了油滴运输体积和速度的影响因素及其影响规律。结果表明,掩模化学氧化法可通过定域构建纳米结构来加工水下亲油/超疏油图案化表面;在该表面上,由亲油通道连接的亲油圆形图案(蓄油池)上的油滴在拉普拉斯压差驱动下会自发沿通道运输,且运输体积和运输速度可由蓄油池、连接通道尺寸和油液性质控制;利用多蓄油池间的油滴运输可实现自适应油滴分离和混合。
【图文】：
电场响应：法国电子和纳米技术研宄所的Ｔｈｏｒｎｙ等人利用纳米金颗粒催化硅化学逡逑气相沉积在硅／二氧化硅表面加工硅纳米线表面，该表面经碳氟层修饰后显示低粘附超疏逡逑水性；他们通过施加电压改变固－液表面张力实现表面粘附性由高到低的转变，如图１．１逡逑（ａ）所示［３６］。雅典国家技术大学的Ｋａｖｏｕｓａｎａｋｉｓ等人研究了介电层厚度对粘附控制可逡逑逆性的影响规律，发现当介电层厚度大于７５邋ｐｍ时，粘附控制过程具有可逆性，如图逡逑１．１邋（ｂ）所示［３７］。北京航空航天大学的Ｚｈｕ等人通过施加电位改变聚苯胺纳米线的表面逡逑化学成分控制表面能，实现了水下油滴的抓取和释放等操作［３８］。逡逑ｉ邋ＩＰ邋—邋Ｏ逡逑图１．１电场响应液滴操控：（ａ）超疏水硅纳米线表面液滴（１００邋ｍＭＫＣｌ）的原位逡逑可逆粘附控制，０邋Ｖ时接触角为１６０°邋（低粘附），１５０邋Ｖ时接触角为１３７°邋（高粘附）［３６］；逡逑（ｂ）介电层厚度对粘附控制可逆性的影响［３７］逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｅｌｅｃｔｒｉｃ－ｆｉｅｌｄ－ｒｅｓｐｏｎｓｅ邋ｄｒｏｐｌｅｔ邋ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎｓ：邋（ａ）邋Ｒｅｖｅｒｓｉｂｌｅ邋ａｄｈｅｓｉｏｎ邋ｃｏｎｔｒｏｌ邋ｏｆ邋ａ逡逑ｓａｌｉｎｅ邋ｓｏｌｕｔｉｏｎ邋ｄｒｏｐｌｅｔ邋（１００邋ｍＭ邋ＫＣ１）邋ｏｎ邋ｓｕｐｅｒｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ邋ｓｉｌｉｃｏｎ邋ｎａｎｏ邋ｗｉｒｅｓ邋ｓｕｒｆａｃｅ
铁纳米颗粒与ＰＤＭＳ以不同比例混合制成磁流变弹性体，并采用刮片工艺涂覆于不锈钢逡逑表面，当铁纳米颗粒浓度或所施加磁场增加时，表面微观形貌逐渐由针状结构转变为峰逡逑状结构，粗糙度增加（图１．２），表面由高粘附转变为低粘附［４（）］。逡逑＿＿逡逑图１．２羰h侍擅卓帕Ｓ耄校模停右裕罚板澹鳎簦ケ壤旌系拇帕鞅涞蕴灞砻嬖诓籕嫶佩义铣∏慷认碌奈⒐坌蚊玻海ǎ幔╁澹希恚裕诲澹ǎ猓╁澹保担靛澹恚裕诲澹ǎ悖╁澹玻保板澹恚裕诲澹ǎ洌╁澹玻保埃恚裕逋煎义衔娇蚯姆糯笸迹郏矗ǎ蒎义希疲椋纾澹保插澹樱牛湾澹椋恚幔纾澹箦澹铮驽澹恚幔纾睿澹簦铮颍瑁澹铮欤铮纾椋悖幔戾澹澹欤幔螅簦铮恚澹蝈澹螅酰颍妫幔悖澹箦澹ǎ恚椋簦酰颍邋澹铮驽澹罚板澹鳎簦ュ义希悖幔颍猓铮睿欤椋颍铮铄澹穑幔颍簦椋悖欤澹箦澹幔睿溴澹校模停渝澹╁澹酰睿洌澹蝈澹洌椋妫妫澹颍澹睿翦澹幔穑穑欤椋澹溴澹恚幔纾睿澹簦椋沐澹妫椋澹欤溴澹螅簦颍澹睿纾簦瑁螅哄澹ǎ幔╁澹板澹恚裕诲义希ǎ猓╁澹保担靛澹恚裕诲澹ǎ悖╁澹玻保板澹恚裕诲澹ǎ洌╁澹玻担板澹恚裕澹椋睿螅澹翦澹椋箦澹簦瑁邋澹恚幔纾睿椋妫椋澹溴澹椋恚幔纾邋澹铮驽澹簦瑁邋澹猓铮澹溴澹幔颍澹幔郏矗埃蒎义希保玻脖砻姹湫吻旱尾倏劐义媳砻姹湫吻旱尾倏刂冈谌嵝圆牧媳砻婕庸の⒔峁拐罅校⑼ü嵝员砻姹湫蔚麇义险⒔峁拐罅蟹植甲刺迪止蹋航缑嬲掣搅ψ浜鸵旱尾倏氐姆椒āＨ纾剩椋幔睿珏义虾停祝醯热死梅擅爰す庠冢校模停颖∧ど霞庸こ鑫⒅罅胁⑼ü淝砻嬖黾游⒅ザ隋义霞渚嗉氨砻娲植诙纫蜃邮迪直砻嬗筛哒掣较虻驼掣降淖洌谜庵终掣叫宰浠恚义纤鞘迪至吮砻姹湫吻囊旱挝匏鹱疲郏矗
本文编号：2707377
【图文】：
电场响应：法国电子和纳米技术研宄所的Ｔｈｏｒｎｙ等人利用纳米金颗粒催化硅化学逡逑气相沉积在硅／二氧化硅表面加工硅纳米线表面，该表面经碳氟层修饰后显示低粘附超疏逡逑水性；他们通过施加电压改变固－液表面张力实现表面粘附性由高到低的转变，如图１．１逡逑（ａ）所示［３６］。雅典国家技术大学的Ｋａｖｏｕｓａｎａｋｉｓ等人研究了介电层厚度对粘附控制可逡逑逆性的影响规律，发现当介电层厚度大于７５邋ｐｍ时，粘附控制过程具有可逆性，如图逡逑１．１邋（ｂ）所示［３７］。北京航空航天大学的Ｚｈｕ等人通过施加电位改变聚苯胺纳米线的表面逡逑化学成分控制表面能，实现了水下油滴的抓取和释放等操作［３８］。逡逑ｉ邋ＩＰ邋—邋Ｏ逡逑图１．１电场响应液滴操控：（ａ）超疏水硅纳米线表面液滴（１００邋ｍＭＫＣｌ）的原位逡逑可逆粘附控制，０邋Ｖ时接触角为１６０°邋（低粘附），１５０邋Ｖ时接触角为１３７°邋（高粘附）［３６］；逡逑（ｂ）介电层厚度对粘附控制可逆性的影响［３７］逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｅｌｅｃｔｒｉｃ－ｆｉｅｌｄ－ｒｅｓｐｏｎｓｅ邋ｄｒｏｐｌｅｔ邋ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎｓ：邋（ａ）邋Ｒｅｖｅｒｓｉｂｌｅ邋ａｄｈｅｓｉｏｎ邋ｃｏｎｔｒｏｌ邋ｏｆ邋ａ逡逑ｓａｌｉｎｅ邋ｓｏｌｕｔｉｏｎ邋ｄｒｏｐｌｅｔ邋（１００邋ｍＭ邋ＫＣ１）邋ｏｎ邋ｓｕｐｅｒｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ邋ｓｉｌｉｃｏｎ邋ｎａｎｏ邋ｗｉｒｅｓ邋ｓｕｒｆａｃｅ
铁纳米颗粒与ＰＤＭＳ以不同比例混合制成磁流变弹性体，并采用刮片工艺涂覆于不锈钢逡逑表面，当铁纳米颗粒浓度或所施加磁场增加时，表面微观形貌逐渐由针状结构转变为峰逡逑状结构，粗糙度增加（图１．２），表面由高粘附转变为低粘附［４（）］。逡逑＿＿逡逑图１．２羰h侍擅卓帕Ｓ耄校模停右裕罚板澹鳎簦ケ壤旌系拇帕鞅涞蕴灞砻嬖诓籕嫶佩义铣∏慷认碌奈⒐坌蚊玻海ǎ幔╁澹希恚裕诲澹ǎ猓╁澹保担靛澹恚裕诲澹ǎ悖╁澹玻保板澹恚裕诲澹ǎ洌╁澹玻保埃恚裕逋煎义衔娇蚯姆糯笸迹郏矗ǎ蒎义希疲椋纾澹保插澹樱牛湾澹椋恚幔纾澹箦澹铮驽澹恚幔纾睿澹簦铮颍瑁澹铮欤铮纾椋悖幔戾澹澹欤幔螅簦铮恚澹蝈澹螅酰颍妫幔悖澹箦澹ǎ恚椋簦酰颍邋澹铮驽澹罚板澹鳎簦ュ义希悖幔颍猓铮睿欤椋颍铮铄澹穑幔颍簦椋悖欤澹箦澹幔睿溴澹校模停渝澹╁澹酰睿洌澹蝈澹洌椋妫妫澹颍澹睿翦澹幔穑穑欤椋澹溴澹恚幔纾睿澹簦椋沐澹妫椋澹欤溴澹螅簦颍澹睿纾簦瑁螅哄澹ǎ幔╁澹板澹恚裕诲义希ǎ猓╁澹保担靛澹恚裕诲澹ǎ悖╁澹玻保板澹恚裕诲澹ǎ洌╁澹玻担板澹恚裕澹椋睿螅澹翦澹椋箦澹簦瑁邋澹恚幔纾睿椋妫椋澹溴澹椋恚幔纾邋澹铮驽澹簦瑁邋澹猓铮澹溴澹幔颍澹幔郏矗埃蒎义希保玻脖砻姹湫吻旱尾倏劐义媳砻姹湫吻旱尾倏刂冈谌嵝圆牧媳砻婕庸の⒔峁拐罅校⑼ü嵝员砻姹湫蔚麇义险⒔峁拐罅蟹植甲刺迪止蹋航缑嬲掣搅ψ浜鸵旱尾倏氐姆椒āＨ纾剩椋幔睿珏义虾停祝醯热死梅擅爰す庠冢校模停颖∧ど霞庸こ鑫⒅罅胁⑼ü淝砻嬖黾游⒅ザ隋义霞渚嗉氨砻娲植诙纫蜃邮迪直砻嬗筛哒掣较虻驼掣降淖洌谜庵终掣叫宰浠恚义纤鞘迪至吮砻姹湫吻囊旱挝匏鹱疲郏矗
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