CN108479871B - 一种基于形状梯度与表面能梯度的液滴自驱动的功能层及其制备方法 - Google Patents

一种基于形状梯度与表面能梯度的液滴自驱动的功能层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于形状梯度与表面能梯度的液滴自驱动的功能层，功能层划分成多个区域，每个区域均由亲水的图案按照矩阵式排列而成，且各个区域中单个图案面积一致；同一个区域中，各个图案的各向异性因子相同；从基体加样端沿基体轴向方向向基体检测端，区域内图案的各向异性因子依次增大，图案间距呈梯度递减，相应的，区域内的亲水区所占比例呈梯度递增，相邻区域间的间距依次减少；本发明相较于只有各向异性梯度的形状梯度表面，在液滴自驱动的长度上有了较大的提升；不需要外力驱动，在平面微流控系统中可省去外力驱动系统等辅助设备；设备简单，操作简便、对制作环境(在空气中即可实施)和基体材料无严格要求。

Description

一种基于形状梯度与表面能梯度的液滴自驱动的功能层及其 制备方法
技术领域
本发明涉及一种基于形状梯度与表面能梯度的液滴自驱动的功能层及其制备方法。
背景技术
人们对梯度润湿表面的研究最早起源于1855年，Thmson对“葡萄酒的眼泪”这一现象进行了解释。他认为，由于酒精挥发，在酒杯内壁形成由下而上酒精浓度逐渐减小的梯度浓度薄膜，因而在侧壁表面形成表面张力梯度，诱导液滴向上运动。目前，梯度润湿表面的制备方式主要分为两种，即控制表面化学组成和表面微观形貌。
我们知道具有各向异性的结构形状可以用来进一步改善润湿梯度的效果。由于在各向异性结构表面，垂直于结构方向上会限制液滴的铺展，从而使得液滴在平行于结构方向的流动距离更长。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于形状梯度与表面能梯度的液滴自驱动的功能层及其制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于形状梯度与表面能梯度的液滴自驱动的功能层，功能层划分成多个连续的区域，每个区域均具有多个亲水的图案，图案以外部分疏水；所述图案按照矩阵式排列而成，且各个区域中单个图案面积一致；所述图案为矩形、圆形结构或椭圆形；同一个区域中，各个图案的各向异性因子相同；从基体加样端沿基体轴向方向向基体检测端，区域内图案的各向异性因子依次增大，图案间距呈梯度递减，相应的，区域内的亲水区所占比例呈梯度递增；所述各向异性因子β＝l1/l2，其中，l1为图案沿轴向的长度，l2为沿垂直于所述轴向方向的宽度。
进一步地，所述区域数量为八个。
进一步地，始端的区域(与加样端相邻的区域)中的图案为圆形。
进一步地，末端的区域(与检测段相邻的区域)中的图案为长条形。
上述功能层的制备方法为：对一疏水的基底进行光刻，构建亲水的图案。
本发明的有益效果：
1.本发明所需设备简单，操作简便、对制作环境(在空气中即可实施)和基体材料无严格要求，制备好的超疏水涂层能够喷涂或旋涂到任何基底上；掩膜板采用打印技术，制作成本低廉；
2.本发明克服以往润湿梯度难以调控的局限，只需在掩膜板上设计好形状不同间距不同的图案，便可得到具有各向异性梯度和表面能梯度的复合梯度表面；本发明涉及的复合梯度表面相较于只有各向异性梯度的形状梯度表面，在液滴自驱动的长度上有了较大的提升。
3.水能在该表面上实现方向性的自驱动，不需要外力驱动，该设计方法在平面微流控系统中可省去外力驱动系统等辅助设备，更易实现微流控系统的微型化和便携化。
附图说明
图1为功能层示意图，箭头方向为基体加样端沿基体轴向方向向基体检测端方向。
图2a～g是4μL的水滴在梯度表面自驱动的过程图。
图3为各向异性因子的说明图，其中x为轴向，y为垂直于所述轴向的方向。
具体实施内容
下面结合附图进一步说明本发明。
如图1所示，一种基于形状梯度与表面能梯度的液滴自驱动的功能层，功能层划分成多个连续的区域，每个区域均具有多个亲水的图案，图案以外部分疏水；所述图案按照矩阵式排列而成，且各个区域中单个图案面积一致；所述图案为矩形、圆形结构或椭圆形；同一个区域中，各个图案的各向异性因子相同；从基体加样端沿基体轴向方向向基体检测端，区域内图案的各向异性因子依次增大，图案间距呈梯度递减，相应的，区域内的亲水区所占比例呈梯度递增；所述各向异性因子β＝l1/l2，其中，l1为图案沿轴向的长度，l2为沿垂直于所述轴向方向的宽度。基于此，本发明梯度表面由两个梯度表面组合而成，一个是能产生各向异性梯度的形状梯度，另一个是在不同区域里不同面积分数形成的表面能梯度。此复合梯度表面能使液滴自驱动距离比其中任何一个梯度表面更长。
图中，区域数量为八个，始端的区域(与加样端相邻的区域)中的图案为圆形，末端的区域(与检测段相邻的区域)中的图案为长条形。
实施例1
一种基于形状梯度与表面能梯度的液滴自驱动的功能层的制备方法，包括以下步骤：
1)制备超疏水二氧化钛涂覆液：将0.1g粒径大小为25nm的二氧化钛粉末与10mL无水乙醇混合后在100Hz条件下超声15min配成0.01g/mL的二氧化钛悬浮液，再加入0.2mL十八烷基三甲氧基硅烷，继续在100Hz条件下超声10min混匀，然后室温下反应12h，得到用于涂覆的超疏水二氧化钛涂覆液，即超疏水二氧化钛涂层，其中所述十八烷基三甲氧基硅烷与二氧化钛悬浮液体积比为0.02:1；
2)制备超疏水表面的基体：利用旋涂机将超疏水二氧化钛覆液分5次旋涂到已清洗干净的基体上表面，每次采集5滴(每次共50μL)超疏水二氧化钛涂覆液，然后置于烘箱中120℃处理1h，得到带超疏水表面的基体，液滴在该表面的接触角为152.5°；所述的旋涂机的转速为1000rad/min；所述的超疏水层的厚度为5μL；所述的超疏水二氧化钛涂覆液的涂覆用量为0.1g/cm3；
3)制备掩膜板：通过高分辨率的激光打印机在石英玻璃上打印出预先设计的图案，其中图案的参数包括几何形状、排布、图案密度以及图案间距等，得到的带透光图案的石英玻璃即为掩膜板；所述的透光区整体划分为多个区域，同一区域均布若干透光微图案，各个区域内的微图案形状不同，面积相同，微图案中心距保持不变，且排列方向一致，相邻区域的亲水图案间距递减，即相邻区域的亲水图案个数递增，相应的基体上的亲水区所占比例呈梯度递增；
4)制备形状梯度与表面能梯度结合的润湿表面：将带有透光图案的掩膜板覆盖在带有超疏水涂层的基体表面，然后开启UV光源，使得超疏水涂层表面在UV光源下选择性曝光10min，被曝光区域由超疏水转变为超亲水，未被曝光区域仍然保持超疏水，即可将掩膜板上设计的图案复制到超疏水涂层表面，得到梯度润湿的表面，其中所述的UV辐照强度为15mW cm-2，波长为390nm；
步骤2)中的基体为玻璃片、金属片或者棉织品。
所述的基体的清洁方式为：将基体依次在丙酮、乙醇、去离子水中超声10～20min，超声频率为50～100Hz。
实验例2：制备梯度润湿表面：
设计如图1所示的掩膜板，设计八个不同的区域，从左到右每个区域内的图案形状不同，单个图案的面积相同，相邻区域的亲水图案间距递减，即相邻区域的亲水图案个数递增，相应的基体上的亲水区所占比例呈梯度递增，就能实现一种基于形状梯度与表面能梯度结合的实现液滴自驱动的表面制备。
所述的单个圆形图案半径为25μm。
实验例3：液滴的定向自驱动实验：
注射器取4μL的水滴，从圆形图案端滴入，液滴在梯度表面运动的图像如图2所示。具体流动过程如下：如图2(a)所示，水滴从加样端滴落；水滴覆盖在圆形图案区域上方，图像如图2(b)所示；水滴向前铺展，经过第一个椭圆图案区域，图像如图2(c)所示；水滴继续向前铺展，经过第二个椭圆图案区域，图像如图2(d)所示；水滴经过第三个椭圆图案区域，图像如图2(e)所示；水滴流经长条形区域，图像如图2(f)所示；受限于水滴体积，水滴最终在长条形图案某个区域停止铺展，图像如图2(g)所示。测得液滴的最大运动距离是5.3mm。液滴定向运动的驱动力由形状梯度和表面能梯度共同提供，阻力为表面的滞后力。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (4)

1.一种基于形状梯度与表面能梯度的液滴自驱动的功能层，其特征在于：功能层划分成多个连续的区域，每个区域均具有多个亲水的图案，图案以外部分疏水；所述图案按照矩阵式排列而成，且各个区域中单个图案面积一致；所述图案为矩形、圆形结构或椭圆形；同一个区域中，各个图案的各向异性因子相同；从基体加样端沿基体轴向方向向基体检测端，区域内图案的各向异性因子依次增大，图案间距呈梯度递减，相应的，区域内的亲水区所占比例呈梯度递增；所述各向异性因子β＝l1/l2，其中，l1为图案沿轴向的长度，l2为沿垂直于所述轴向方向的宽度；始端的区域即与加样端相邻的区域中的图案为圆形。
2.根据权利要求1所述的功能层，其特征在于：所述区域数量为八个。
3.根据权利要求1所述的功能层，其特征在于：末端的区域即与检测段相邻的区域中的图案为长条形。
4.一种权利要求1所述功能层的制备方法，其特征在于，该方法为：对一疏水的基底进行光刻，构建亲水的图案。
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