CN106044705A - 一种纳米结构定向有序组装装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种纳米结构定向有序组装装置，包括基底、导管、液体泵、控制器、进液口、阿基米德通道、出液口、移动平台和电机，所述基底固定在移动平台的上方，所述阿基米德通道固定在基底上，所述进液口位于基底的中心位置，即阿基米德通道的起始位置，所述出液口位于阿基米德通道的边缘位置，所述导管连接进液口和液体泵，所述移动平台和出液口间隔一定距离，能够相对运动，电机位于移动平台侧面，控制移动平台的位置和移动速度，控制器控制液体泵和电机。本发明可以对金属、非金属或生物等材料组装，实现单纳米结构依次顺序排列，快速精确收集组装。

Description

一种纳米结构定向有序组装装置
技术领域
本发明涉及一种纳米结构定向有序组装装置，具体来说是一种对液体中的众多纳米微结构利用流体剪切力进行有序排列组装的装置。
背景技术
纳米线、纳米颗粒、微细胞等纳米结构通过各种方法得到，这些纳米结构被用作关键部件不同用途，例如生物或气体传感器、电子逻辑门等。将这些纳米结构有序集成到设备或器件平台上是一个关键性难题，开发一种定向有序组装的可控结构和方法成为当前研究的热点，尤其是液体中悬浮的众多纳米结构，如何对单一纳米结构的高效有序组装是当前研究的难题。
剪切力组装是一种常见的组装方法，包括运动流体的剪切力（液滴、气泡、气液界面）和机械剪切力等进行定向有序组装。都是对大面积纳米线的操作，不能对单一纳米线组装，而且不能对纳米颗粒、细胞等单一精确组装。为了提高组装的精度和效率，需要一种对单纳米结构的定向有序组装的装置和方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纳米结构定向有序组装装置，从而实现液体中单纳米结构的定向有序组装，具有精度高，操作方便，节约成本的优点。
为达到上述目的，本发明的设计思路为：
当粘性流体在管道内低速流动时，管壁产生的摩擦力大于液体内摩擦力而出现边界层。一般微流控微流道内雷诺系数较小，液流状态多为层流。所以在以亲水性材料做的微流控微流道内，流动的液体出现层流边界层，沿着管壁垂直方向流速递增，层与层之间存在剪切力。处在其中的纳米结构受到剪切力和分布不均的流速作用而被拉直排列，适当的浓度和管道长度下实现单纳米结构定向有序排列。利用移动平台和出液口的相对运动关系或者纳米结构的沉积作用收集定向有序排列的纳米结构。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种纳米结构定向有序组装装置，包括基底、导管、液体泵、控制器、进液口、阿基米德通道、出液口、移动平台和电机，所述基底固定在移动平台的上方，所述阿基米德通道固定在基底上，所述进液口位于基底的中心位置，即阿基米德通道的起始位置，所述出液口位于阿基米德通道的边缘位置，所述导管连接进液口和液体泵，所述移动平台和出液口间隔一定距离，能够相对运动，电机位于移动平台侧面，控制移动平台的位置和移动速度，控制器控制液体泵和电机。
所述基底为微流通道加工的基材硅材料，加工后阿基米德通道表面氧化一层二氧化硅，表现为亲水性。
所述阿基米德通道由两条具有起始角度差和螺距差的右旋阿基米德螺旋线构成，侧面有一玻璃盖板，阿基米德通道由中心向外螺旋，宽度逐渐减小，阿基米德通道的深度和出液口的宽度根据加工精度来确定，均为1微米以下。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：
（1）本发明依靠边界层流速差和流体剪切力定向排列纳米结构，适用纳米材料范围广，不仅可以对纳米线、纳米颗粒等金属或非金属材料定向排列，而且可以对细胞等生物材料定向排列；
（2）本发明构造宽度渐变平滑的长通道，通道采用亲水材料构成，平滑渐变保证流体的流动状态，实现单纳米结构依次顺序排列，大大提高纳米结构的组装精度和效率；
（3）本发明利用移动平台运动速度和出液口流速的速度差，实现单纳米结构的快速组装；
（4）本发明还可以在出液口处利用纳米结构的沉积作用，实现单纳米结构的沉积组装。
附图说明
图1为本发明装置组成示意图。
图2为本发明微流通道示意图。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，一种纳米结构定向有序组装装置，包括基底1、导管2、液体泵3、控制器4、进液口5、阿基米德通道6、出液口7、移动平台8和电机9，所述基底1固定在移动平台8的上方，所述阿基米德通道6固定在基底1上，所述进液口5位于基底1的中心位置，即阿基米德通道6的起始位置，所述出液口7位于阿基米德通道6的边缘位置，所述导管2连接进液口5和液体泵3，所述移动平台8和出液口7间隔一定距离，能够相对运动，电机9位于移动平台8侧面，控制移动平台8的位置和移动速度，控制器4控制液体泵3和电机9。
所述基底1为微流通道加工的基材硅材料，加工后阿基米德通道6表面氧化一层二氧化硅，表现为亲水性。
如图2所示，所述阿基米德通道6由两条具有起始角度差和螺距差的右旋阿基米德螺旋线构成，侧面有一玻璃盖板，阿基米德通道6由中心向外螺旋，宽度逐渐减小，阿基米德通道6的深度和出液口7的宽度根据加工精度来确定，均为1微米以下。
本发明装置的使用过程如下：
首先将装有纳米结构的溶液稀释分散，然后装入液体泵3，启动控制器4，装有纳米结构的溶液以一定的流速顺着导管2流入进液口5，在液体泵3压力作用下，溶液向前流动。由于阿基米德通道6壁面为亲水材料，液体为理想粘性流体，管壁产生的摩擦力大于液体内摩擦力而出现边界层。一般微流控微流道内雷诺系数约为1左右，远远小于下临界雷诺数，所以液流状态基本为层流。所以在阿基米德通道6内，流动的液体出现层流边界层。沿着管壁垂直方向流速递增，层与层之间存在剪切力。处在其中的纳米结构受到剪切力和分布不均的流速作用而被拉直排列，由于阿基米德通道6宽度平滑渐小，通道中间流速仍最大，因而纳米结构向中间靠拢，在出液口7处宽度最小，最终实现纳米结构单个定向有序排列。
移动平台8和出液口7可以相对移动，电机9控制移动平台8的速度大于或等于出液口7的液流速度可以精确收集单纳米结构。移动平台8往复运动，实现单纳米结构精确快速组装。若将基底1平放，可以利用纳米结构自身重力作用，实现沉积收集单纳米结构。

Claims (3)

1.一种纳米结构定向有序组装装置，其特征在于，包括基底（1）、导管（2）、液体泵（3）、控制器（4）、进液口（5）、阿基米德通道（6）、出液口（7）、移动平台（8）和电机（9），所述基底（1）固定在移动平台（8）的上方，所述阿基米德通道（6）固定在基底（1）上，所述进液口（5）位于基底（1）的中心位置，即阿基米德通道（6）的起始位置，所述出液口（7）位于阿基米德通道（6）的边缘位置，所述导管（2）连接进液口（5）和液体泵（3），所述移动平台（8）和出液口（7）间隔一定距离，能够相对运动，电机（9）位于移动平台（8）侧面，控制移动平台（8）的位置和移动速度，控制器（4）控制液体泵（3）和电机（9）。
2.根据权利要求1所述的纳米结构定向有序组装装置，其特征在于，所述基底（1）为微流通道加工的基材硅材料，加工后阿基米德通道（6）表面氧化一层二氧化硅，表现为亲水性。
3.根据权利要求1所述的纳米结构定向有序组装装置，其特征在于，所述阿基米德通道（6）由两条具有起始角度差和螺距差的右旋阿基米德螺旋线构成，侧面有一玻璃盖板，阿基米德通道（6）由中心向外螺旋，宽度逐渐减小，阿基米德通道（6）的深度和出液口（7）的宽度根据加工精度来确定，均为1微米以下。
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