CN101942638A - 一种仿生可控粘附性疏水金表面的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种仿生可控粘附性疏水金表面的制备方法，该方法包括以用自然界生物材料为模板，通过软印章技术法和表面化学修饰法相结合，制备出具有可控粘附性的，并与生物原型表面微织构相一致的疏水金表面，采用本发明方法获得的表面微织构是典型的微、纳二元结构。获得了具有荷叶和水稻叶表面正、反形貌的微、纳二元织构的金表面。具有不同仿生微、纳织构的金表面对水滴表现出不同的粘附性，可以用于工程设计和仿生机器人等设计。正形貌微织构的金表面，具有滚动性疏水性质，反形貌的金表面，具有粘附性疏水性质，可作为“机械手”实现微量液滴的无损运输、液体携带材料和生物微量溶液移液管等应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种对水滴具有可控粘附性疏水的仿生微、纳织构表面的制备技术领域，特别是利用软印章技术和表面化学修饰方法相结合，在金表面上制备出对水滴具有可控粘附性的仿生微、纳织构的方法，具体地说是一种仿生可控粘附性疏水金表面的制备方法。
背景技术
生物物种为了适应周围的环境以及更好的生存，常常表现出令人惊讶的性质，如：超疏水、紫外线防护、多姿多彩的颜色、自清洁、高粘附等等。如荷叶，水在其表面的接触角大于150°，滑动角小于10°，当叶子稍微倾斜，水珠很快滑落，同时将叶片表面的污染物带走，这种现象被称为荷叶效应，水稻叶也有类似性质。这是由荷叶表面上的疏水性蜡状物质和叶片表面微、纳二元结构协同作用导致的。即使在阴雨天大量雨滴“炮弹”的笼罩下，水黾也可以毫不费力的在水面上自由站立和行走，这主要得益于其脚面上微、纳刚毛阵列结构。小水滴落在玫瑰花瓣表面上时保持球形且不会从花瓣表面滚落，球形水滴在阳光下闪闪发光，可以吸引昆虫前来授粉，这与其表面凹坑状微、纳织构密切相关。壁虎可以利用其足面上紧密堆积的纳米尺寸的刚毛阵列实现在任意粗糙度表面上以任意角度爬行，表现出优异的粘附控制能力。因此，向自然界学习并模仿生物的构造已成为当前纳米科技研究的热点。经过长久的努力，人们研制出很多方法和技术手段来获得仿生织构表面：如溶胶凝胶法，激光、等离子体、化学刻蚀法，微接触印章法，阳极氧化铝模板法，原子力局部阳极氧化法，电化学沉积法，化学气相沉积法等。但是，这些方法制备过程复杂，成本比较高，而且常常受到当前仪器水平和材料的制约。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对当前现有技术现状，提供采用表面软印章技术和表面化学修饰法相结合制备具有可控粘附性疏水表面的一种仿生可控粘附性疏水金表面的制备方法，该方法成本低，重复性好，精度高，而且具有能大面积制得仿生织构的优点。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种仿生可控粘附性疏水金表面的制备方法，该方法包括以用自然界生物材料为模板，通过软印章技术法和表面化学修饰法相结合，制备出具有可控粘附性的，并与生物原型表面微织构相一致的疏水金表面，所述软印章技术法包括以下步骤：
步骤1：预处理步骤：首先将生物叶片用去离子水超声处理进行清洁，并用氮气吹干，然后用双面胶将其固定于玻璃器皿表面备用；
步骤2：制备具有仿生反形貌的金表面：用聚二甲基硅氧烷预聚体与交联剂的混合物作为表面复制材料，复制上述生物叶片的生物模板表面织构后，在真空干燥箱里加热干燥，待聚二甲基硅氧烷混合物固化后，生物模板表面的反形貌就转移到固化的聚二甲基硅氧烷混合物上；然后在将复制有生物模板反形貌的混合物上蒸镀一层金膜，即得到具有生物叶片反形貌的仿生织构金表面；
步骤3：制备具有仿生正形貌的金表面：与步骤2方法相同，用聚二甲基硅氧烷预聚体与交联剂的混合物作为表面复制材料，复制步骤1生物叶片的生物模板表面织构，在真空干燥箱里加热干燥，待聚二甲基硅氧烷混合物固化后，生物模板表面的正形貌就转移到固化的聚二甲基硅氧烷混合物上；然后在将复制有生物模板正形貌的混合物上蒸镀一层金膜，即得到具有生物叶片正形貌的仿生织构金表面。
所采取的进一步技术措施还包括：
上述的表面化学修饰法包括以下步骤：
步骤1：将仿生织构金表面浸泡在无水乙醇溶液中，室温下放置24小时；
步骤2：将浸泡的仿生织构金表面取出，放在干燥箱里加热干燥；
步骤3：用大量的无水乙醇冲洗加热干燥后的金表面，用以去除其表面物理吸附的硫醇分子，最后氮气吹干，完成仿生织构金表面的化学修饰。
上述的生物材料的生物叶片为荷叶或水稻叶子。
上述的软印章技术法步骤2、步骤3中的作为复制材料的聚二甲基硅氧烷预聚体与交联剂的混合物的混合质量比为10∶1，所述在真空干燥箱里加热干燥的处理温度为70℃，处理时间为10小时。
上述的表面化学修饰法步骤2中放在干燥箱里加热干燥的处理温度为70℃，处理时间为3小时。
上述的表面化学修饰法步骤1中的无水乙醇溶液为癸基硫醇无水乙醇，其浓度为5mMol/L。
上述的软印章技术法步骤2、步骤3中蒸镀的一层金膜，其厚度为100nm。
本发明的一种仿生可控粘附性疏水金表面的制备方法，以自然界生物材料荷叶和水稻叶片为模板，利用聚二甲基硅氧烷预聚体与交联剂的混合物作为表面复制材料，采用软印章技术和表面化学修饰方法相结合，在常温下制得具有可控粘附性疏水的金表面，其制备工艺简单，原料易得，成本低，精度高，具有粘附性能可控，重复性好，而且可以大面积制得仿生织构的优点。可作为“机械手”实现微量液滴的无损运输、液体携带材料和生物微量溶液移液管等应用。本方法也可以用于制备具有其它生物，例如芋头叶、玫瑰花瓣、壁虎、水黾、水黾和鲨鱼鳞片等表面微织构及人工有序或者无序织构的金表面，从而可以应用于不同的工程设计和应用。
附图说明
图1是本发明具有可控粘附性疏水表面的制备示意图；
图2是本发明的具有荷叶表面正形貌的滚动性疏水表面的a和b为低倍数，c和d为高倍数的表面SEM图；
图3是本发明的具有水稻叶表面正形貌的滚动性疏水表面的a为低倍数，b、c、d为局部放大的表面SEM图；
图4是本发明的具有荷叶表面反形貌的粘附性疏水表面的a和b为低倍数，c和d为高倍数的表面SEM图；
图5是本发明的具有水稻叶叶表面反形貌的粘附性疏水表面的a为低倍数，b、c、d为局部放大的表面SEM图；
图6a是本发明的具有荷叶表面正形貌金表面的三维形貌图；
图6b是本发明的具有荷叶表面反形貌金表面的三维形貌图；
图7是本发明的具有荷叶表面反形貌的粘附性疏水表面在翻转90°和180°时其表面上水滴的形状变化数码照片；
图8本发明的具有水稻叶表面反形貌的粘附性疏水表面在翻转90°和180°时其表面上水滴的形状变化。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。如图1、图2、图4、图6a、图6b和图7所示：
实施例一，本发明的一种仿生可控粘附性疏水金表面的制备方法，该方法包括以用自然界生物材料的荷叶为模板，通过软印章技术法和表面化学修饰法相结合，制备出具有可控粘附性的，并与生物原型表面微织构相一致的疏水金表面，所述软印章技术法包括以下步骤：
步骤1：预处理步骤：首先将荷叶表面用去离子水超声处理进行清洁，并用氮气吹干，然后用双面胶将其固定于玻璃器皿表面备用；
步骤2：制备具有仿生反形貌的金表面：利用软印章技术，用质量比为10∶1的聚二甲基硅氧烷预聚体与交联剂的混合物作为表面复制材料，复制上述荷叶的生物模板表面织构，在真空干燥箱里70℃加热10小时，待聚二甲基硅氧烷混合物固化后，生物模板表面的反形貌就转移到固化的聚二甲基硅氧烷混合物上；然后在将复制有生物模板反形貌的混合物上蒸镀一层约100nm厚的金膜，即得到具有荷叶反形貌的仿生织构金表面；
步骤3：制备具有仿生正形貌的金表面：与步骤2方法相同，用质量比为10∶1的聚二甲基硅氧烷预聚体与交联剂的混合物作为表面复制材料，复制步骤1荷叶的生物模板表面织构，在真空干燥箱里70℃加热10小时，待聚二甲基硅氧烷混合物固化后，生物模板表面的正形貌就转移到固化的聚二甲基硅氧烷混合物上；然后在将复制有生物模板正形貌的混合物上蒸镀一层约100nm厚的金膜，即得到具有荷叶正形貌的仿生织构金表面。
为取得更好的技术效果上述的表面化学修饰法包括以下步骤：
步骤1：将仿生织构金表面浸泡在5mMol/L的癸基硫醇无水乙醇溶液中，室温下放置24小时；
步骤2：将浸泡的仿生织构金表面取出，放在干燥箱里70℃加热3小时；
步骤3：用大量的无水乙醇冲洗加热干燥后的金表面，用以去除其表面物理吸附的硫醇分子，最后氮气吹干，完成癸基硫醇对制备的仿生织构金表面的化学修饰。
实施例二，如图1、图3、图5、图8所示，本发明的一种仿生可控粘附性疏水金表面的制备方法，该方法包括以用自然界生物材料的水稻叶为模板，通过软印章技术法和表面化学修饰法相结合，制备出具有可控粘附性的，并与生物原型表面微织构相一致的疏水金表面，所述软印章技术法包括以下步骤：
步骤1：预处理步骤：首先将水稻叶表面用去离子水超声处理进行清洁，并用氮气吹干，然后用双面胶将其固定于玻璃器皿表面备用；
步骤2：制备具有仿生反形貌的金表面：利用软印章技术，用质量比为10∶1的聚二甲基硅氧烷预聚体与交联剂的混合物作为表面复制材料，复制上述水稻叶的生物模板表面织构，在真空干燥箱里70℃加热10小时，待聚二甲基硅氧烷混合物固化后，生物模板表面的反形貌就转移到固化的聚二甲基硅氧烷混合物上；然后在将复制有生物模板反形貌的混合物上蒸镀一层约100nm厚的金膜，即得到具有水稻叶反形貌的仿生织构金表面；
步骤3：制备具有仿生正形貌的金表面：与步骤2方法相同，用质量比为10∶1的聚二甲基硅氧烷预聚体与交联剂的混合物作为表面复制材料，复制步骤1水稻叶的生物模板表面织构，在真空干燥箱里70℃加热10小时，待聚二甲基硅氧烷混合物固化后，生物模板表面的正形貌就转移到固化的聚二甲基硅氧烷混合物上；然后在将复制有生物模板正形貌的混合物上蒸镀一层约100nm厚的金膜，即得到具有水稻叶正形貌的仿生织构金表面。
为取得更好的技术效果上述的表面化学修饰法包括以下步骤：
步骤1：将仿生织构金表面浸泡在5mMol/L的癸基硫醇无水乙醇溶液中，室温下放置24小时；
步骤2：将浸泡的仿生织构金表面取出，放在干燥箱里70℃加热3小时；
步骤3：用大量的无水乙醇冲洗加热干燥后的金表面，用以去除其表面物理吸附的硫醇分子，最后氮气吹干，完成癸基硫醇对制备的仿生织构金表面的化学修饰。
采用本发明方法制备出的具有可控粘附性疏水的金表面，具有以下特点：
1、采用生物材料荷叶和水稻叶片为模板。
2、采用聚二甲基硅氧烷预聚体与交联剂混合物为复制材料。
3、制备工艺简单，原料易得，成本低，精度高。以自然界生物材料为模板，利用软印章技术和表面化学修饰方法相结合，在常温下制得具有可控粘附性疏水的金表面。
4、粘附性能可控。结果表明：具有荷叶表面正形貌的金表面化学修饰后，接触角高达137度，滑动角约为7度，而超疏水表面定义的滑动角为小于10度。制备的具有水稻叶表面正形貌的金表面化学修饰后，接触角高达135度，滑动角具有各向异性，横向滑动角为24度，纵向滑动角分别为14度和24度。具有荷叶表面反形貌的金表面化学修饰后，其接触角为136度，表现出超强粘附性，水滴体积即使增大到10μL，无论金表面翻转90度或者180度，水滴都能牢牢粘附于其表面。具有水稻叶表面反形貌的金表面化学修饰后，其接触角为135度，纵向粘附性有所下降，水滴体积为10μL时，两个滑动角分别为84度和65度，横向仍保持高粘附性，无论金表面翻转90度或者180度，水滴都能牢牢粘附于其表面。这主要是具有水稻叶表面反形貌的金表面具有各向异性引起的。受到该现象启示，可以设计一种控制水滴走向的固体表面，应用于生活实际中。
5、重复性好，而且可以大面积制得仿生织构。
本发明的具有荷叶和水稻叶表面正形貌微织构的金表面，具有滚动性疏水性质，可以在自清洁、防结冰、防粘着、防结雾和减阻等领域应用。具有荷叶和水稻叶表面反形貌的金表面，具有粘附性疏水性质，即使将金表面竖立或倒置，其表面的水滴也不滑落，且可以通过表面化学修饰来调控表面粘附力的大小。可作为“机械手”实现微量液滴的无损运输、液体携带材料和生物微量溶液移液管等应用。
虽然本发明已通过参考优选的实施例进行了图示和描述，但是，本专业普通技术人员应当了解，在权利要求书的范围内，所作形式和细节上的各种各样变化，均落在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种仿生可控粘附性疏水金表面的制备方法，其特征是：该方法包括以用自然界生物材料为模板，通过软印章技术法和表面化学修饰法相结合，制备出具有可控粘附性的，并与生物原型表面微织构相一致的疏水金表面，所述软印章技术法包括以下步骤：
步骤1：预处理步骤：首先将生物叶片用去离子水超声处理进行清洁，并用氮气吹干，然后用双面胶将其固定于玻璃器皿表面备用；
步骤2：制备具有仿生反形貌的金表面：用聚二甲基硅氧烷预聚体与交联剂的混合物作为表面复制材料，复制上述生物叶片的生物模板表面织构后，在真空干燥箱里加热干燥，待聚二甲基硅氧烷混合物固化后，生物模板表面的反形貌就转移到固化的聚二甲基硅氧烷混合物上；然后在将复制有生物模板反形貌的混合物上蒸镀一层金膜，即得到具有生物叶片反形貌的仿生织构金表面；
步骤3：制备具有仿生正形貌的金表面：与步骤2方法相同，用聚二甲基硅氧烷预聚体与交联剂的混合物作为表面复制材料，复制步骤1生物叶片的生物模板表面织构，在真空干燥箱里加热干燥，待聚二甲基硅氧烷混合物固化后，生物模板表面的正形貌就转移到固化的聚二甲基硅氧烷混合物上；然后在将复制有生物模板正形貌的混合物上蒸镀一层金膜，即得到具有生物叶片正形貌的仿生织构金表面。
2.根据权利要求1所述的一种仿生可控粘附性疏水金表面的制备方法，其特征是：所述的表面化学修饰法包括以下步骤：
步骤1：将仿生织构金表面浸泡在无水乙醇溶液中，室温下放置24小时；
步骤2：将浸泡的仿生织构金表面取出，放在干燥箱里加热干燥；
步骤3：用大量的无水乙醇冲洗加热干燥后的金表面，用以去除其表面物理吸附的硫醇分子，最后氮气吹干，完成仿生织构金表面的化学修饰。
3.根据权利要求2所述的一种仿生可控粘附性疏水金表面的制备方法，其特征是：所述的生物材料的生物叶片为荷叶或水稻叶子。
4.根据权利要求3所述的一种仿生可控粘附性疏水金表面的制备方法，其特征是：所述的软印章技术法步骤2、步骤3中的作为复制材料的聚二甲基硅氧烷预聚体与交联剂的混合物的混合质量比为10∶1，所述在真空干燥箱里加热干燥的处理温度为70℃，处理时间为10小时。
5.根据权利要求4所述的一种仿生可控粘附性疏水金表面的制备方法，其特征是：所述的表面化学修饰法步骤2中放在干燥箱里加热干燥的处理温度为70℃，处理时间为3小时。
6.根据权利要求5所述的一种仿生可控粘附性疏水金表面的制备方法，其特征是：所述的表面化学修饰法步骤1中的无水乙醇溶液为癸基硫醇无水乙醇，其浓度为5mMol/L。
7.根据权利要求6所述的一种仿生可控粘附性疏水金表面的制备方法，其特征是：所述的软印章技术法步骤2、步骤3中蒸镀的一层金膜，其厚度为100nm。
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