CN108490736B - 一种基于形状梯度的实现液滴自驱动的功能层及其制备方法 - Google Patents

一种基于形状梯度的实现液滴自驱动的功能层及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108490736B
CN108490736B CN201810259254.3A CN201810259254A CN108490736B CN 108490736 B CN108490736 B CN 108490736B CN 201810259254 A CN201810259254 A CN 201810259254A CN 108490736 B CN108490736 B CN 108490736B
Authority
CN
China
Prior art keywords
matrix
patterns
functional layer
pattern
region
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201810259254.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108490736A (zh
Inventor
吴化平
俞思航
徐聪
刘爱萍
鲁聪达
丁浩
彭翔
梁利华
朱凯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang University of Technology ZJUT
Original Assignee
Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhejiang University of Technology ZJUT filed Critical Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority to CN201810259254.3A priority Critical patent/CN108490736B/zh
Publication of CN108490736A publication Critical patent/CN108490736A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108490736B publication Critical patent/CN108490736B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D3/00—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials
    • B05D3/06—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials by exposure to radiation
    • B05D3/061—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials by exposure to radiation using U.V.
    • B05D3/065—After-treatment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D5/00—Processes for applying liquids or other fluent materials to surfaces to obtain special surface effects, finishes or structures
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41M—PRINTING, DUPLICATING, MARKING, OR COPYING PROCESSES; COLOUR PRINTING
    • B41M5/00—Duplicating or marking methods; Sheet materials for use therein
    • B41M5/24—Ablative recording, e.g. by burning marks; Spark recording
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41M—PRINTING, DUPLICATING, MARKING, OR COPYING PROCESSES; COLOUR PRINTING
    • B41M5/00—Duplicating or marking methods; Sheet materials for use therein
    • B41M5/26—Thermography ; Marking by high energetic means, e.g. laser otherwise than by burning, and characterised by the material used
    • B41M5/262—Thermography ; Marking by high energetic means, e.g. laser otherwise than by burning, and characterised by the material used recording or marking of inorganic surfaces or materials, e.g. glass, metal, or ceramics

Abstract

本发明公开了一种基于形状梯度的实现液滴自驱动的功能层，划分成多个区域，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，且各个区域的矩阵排布一致，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，各个区域内图案的各向异性因子依次增大；本发明创新性地提出了仅通过改变微图案形状以建立一个各向异性梯度的方式来实现液滴的自驱动；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。

Description

一种基于形状梯度的实现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的实现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。
而且，我们发现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，从而时的液滴在平行与结构方向的流动距离更长。
不同于Yang等人通过光刻刻蚀的方法在硅基底表面制备出面积分数呈梯度变化的条状结构，从而实现接触角呈梯度变化。本发明涉及的形状梯度表面通过一种只改变微图案形状而不改变面积分数以建立一个各向异性梯度的方式来实现液滴的自驱动。
发明内容
本发明提出一种新颖的梯度表面，它不依赖于表面能梯度使液滴自驱动，而是通过改变微图案的形状，使液滴在各个图案区域上的各向异性产生差异，从而产生梯度使液滴自驱动。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于形状梯度的实现液滴自驱动的功能层，所述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，且各个区域的矩阵排布一致，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，各个区域内图案的各向异性因子依次增大；所述各向异性因子β＝l1/l2，其中，l1为单个图案沿基体轴向的长度，l2为沿垂直于所述轴向方向的宽度。
进一步地，所述区域数量为六个。
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不同形状的图案，便可得到具有各向异性差异的梯度表面；本发明还突破了以往通过建立接触角梯度使液滴自驱动的思维定势，创新性地提出了通过改变微图案形状以建立一个各向异性梯度的方式来实现液滴的自驱动。
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2是在面积分数f(某一区域内，亲水面积占总面积的百分数)一定，β变化的情况下，液滴在沿着基体轴向方向接触角的变化。所述的β为微图案的各向异性因子。
图3a～d是4μL的水滴在梯度表面自驱动过程图。
图4是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。圆形图案的各向异性因子β＝1。
具体实施内容
下面结合附图进一步说明本发明。
本发明所述的一种实现液滴自驱动的功能层，所述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，且各个区域的矩阵排布一致，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，各个区域内图案的各向异性因子依次增大；所述各向异性因子β＝l1/l2，其中，l1为单个图案沿基体轴向的长度，l2为沿垂直于所述轴向方向的宽度。仅改变图案的形状，使液滴在各个图案区域内各向异性产生差异，然后将此差异按照梯度排列，通过形状梯度即实现液滴自驱动。
图1中，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，中间为椭圆形。
实施例1本发明所述的一种基于形状梯度的实现液滴自驱动的表面制备方法，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5μm；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；
4)制备形状梯度润湿表面：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所示的功能层，设计六个不同的区域，从左到右每个区域内的单个图案的面积及每个区域内图案的排布一致，仅改变图案的形状，从而达到一个各向异性梯度使液滴自驱动，其中亲水单元的圆形图案的半径25μm。水滴接触角图片如图2所示，在各向异性因子β等于1的圆形图案区域，水滴在沿着轴向方向的接触角为135.1°；在β等于2.4的椭圆形图案区域，水滴在沿着轴向方向的接触角为128.8°；在β等于3.8的长条形图案区域，水滴在沿着轴向方向的接触角为123.4°；在β等于4.2的长条形图案区域，水滴在沿着轴向方向的接触角为117.1°；在β等于6.6的长条形图案区域，水滴在沿着轴向方向的接触角为111.4°；在β等于8的长条形图案区域，水滴在沿着轴向方向的接触角为105.2°；可以发现，在面积分数不变时，β增大，水滴在沿着轴向方向的的接触角减小。
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3所示。具体流动过程如下：(a)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(b)所示；水滴向前铺展，经过椭圆图案区域，图像如图(c)所示；水滴继续向前铺展，最终在某个长条形区域停止，图像如图(d)所示。测得单个液滴的最大运动距离是2.4mm。液滴定向运动驱动力由形状梯度提供，阻力为表面的滞后性。
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 (5)

1.一种基于形状梯度的实现液滴自驱动的功能层，其特征在于：所述功能层包括一基体，基体上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，且各个区域的矩阵排布一致，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，基体上设有基体加样端和基体检测端，从基体加样端沿基体长度方向向基体检测端，各个区域图案的各向异性因子依次增大；所述各向异性因子β=l 1/l 2，其中，l 1为单个图案沿基体长度方向的长度，l 2为沿垂直于所述长度方向的宽度。
2.根据权利要求1所述的功能层，其特征在于：所述区域数量为六个。
3.根据权利要求1所述的功能层，其特征在于：与基体加样端相邻的区域中的图案为圆形。
4.根据权利要求1所述的功能层，其特征在于：与基体检测端相邻的区域中的图案为矩形。
5.一种权利要求1所述功能层的制备方法，其特征在于，该方法为：对一疏水的基体进行光刻，构建亲水的图案。
CN201810259254.3A 2018-03-27 2018-03-27 一种基于形状梯度的实现液滴自驱动的功能层及其制备方法 Active CN108490736B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810259254.3A CN108490736B (zh) 2018-03-27 2018-03-27 一种基于形状梯度的实现液滴自驱动的功能层及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810259254.3A CN108490736B (zh) 2018-03-27 2018-03-27 一种基于形状梯度的实现液滴自驱动的功能层及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108490736A CN108490736A (zh) 2018-09-04
CN108490736B true CN108490736B (zh) 2021-05-07

Family

ID=63316545

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810259254.3A Active CN108490736B (zh) 2018-03-27 2018-03-27 一种基于形状梯度的实现液滴自驱动的功能层及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108490736B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110215942A (zh) * 2019-07-08 2019-09-10 哈尔滨工业大学 基于梯度效应的特殊浸润表面液滴定向输运方法

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101456504B1 (ko) * 2006-10-25 2014-10-31 에이전시 포 사이언스, 테크놀로지 앤드 리서치 기판 표면의 젖음성 개질방법
US9322061B2 (en) * 2014-03-06 2016-04-26 International Business Machines Corporation Nanochannel device with three dimensional gradient by single step etching for molecular detection
EP3177904A4 (en) * 2014-08-07 2018-01-03 The General Hospital Corporation Platelet-targeted microfluidic isolation of cells
CN205899242U (zh) * 2016-04-27 2017-01-18 浙江工业大学 一种实现液滴自驱动的梯度润湿表面的设备
CN105938300B (zh) * 2016-04-27 2018-02-13 浙江工业大学 实现液滴自驱动的梯度润湿表面的制备方法及其设备
CN105954151B (zh) * 2016-04-27 2018-08-21 浙江工业大学 利用梯度润湿表面检测白酒真伪的方法
CN105833926B (zh) * 2016-04-27 2017-12-05 浙江工业大学 微流体自驱动式纸基微流控芯片、制备方法及其应用
CN106148187A (zh) * 2016-07-20 2016-11-23 国家纳米科学中心 用于表达egfr的单细胞分选和多基因位点检测的微流控芯片
CN107640739A (zh) * 2017-09-06 2018-01-30 邱丹丹 液滴在润湿梯度表面上长距离自驱动方法
CN107482953A (zh) * 2017-09-16 2017-12-15 邱丹丹 基于润湿梯度表面的液滴自驱动能量转换装置及制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN108490736A (zh) 2018-09-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108479871B (zh) 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
CN105938300B (zh) 实现液滴自驱动的梯度润湿表面的制备方法及其设备
CN100562749C (zh) 一种低通量微阵列生物芯片的制备装置及其制作方法
Hirai et al. Uphill water transport on a wettability-patterned surface: experimental and theoretical results
Li et al. Splitting a droplet for femtoliter liquid patterns and single cell isolation
Liu et al. Asymmetric ratchet effect for directional transport of fog drops on static and dynamic butterfly wings
CN101559914B (zh) 具有深亚微米孔结构的数字微液滴驱动器及制作方法
CN105854964B (zh) 基于sers检测的微流控芯片、制备方法及其应用
CN205899242U (zh) 一种实现液滴自驱动的梯度润湿表面的设备
CN107640739A (zh) 液滴在润湿梯度表面上长距离自驱动方法
CN105833814A (zh) 一种液滴自驱动式微反应器的制备方法及其微反应器
JP2007229851A (ja) マイクロパターン形成装置、マイクロパターン構造体、および、その製造方法
TW200414361A (en) Pattern formation substrate and pattern formation method
CN108490736B (zh) 一种基于形状梯度的实现液滴自驱动的功能层及其制备方法
CN103302987B (zh) 制造喷嘴板的方法
CN109289948B (zh) 一种光热定向操控液滴迁移聚合装置及其使用方法
CN108380253B (zh) 阵列式油包液滴结构的制备方法
CN102556957B (zh) 一种mems空气放大器离子聚集装置的制作方法
Li et al. Enhanced movement of two-component droplets on a wedge-shaped Ag/Cu surface by a wettability gradient
CN103933902B (zh) 一种二元有序胶体晶体、金属纳米阵列及其制备方法
CN101817256B (zh) 基于双碳纳米管微气泡发生器的喷印头及其制备方法
CN108339581A (zh) 基于介电泳的表面微液滴配发结构、制备方法及配发方法
Yu et al. Ink-drop dynamics on chemically modified surfaces
JP2010224201A (ja) レンチキュラープリント形成方法
CN105366631A (zh) 一种楔形硅结构阵列的制作方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20180904

Assignee: Yunhe County Lixin Arts & Crafts Co.,Ltd.

Assignor: JIANG University OF TECHNOLOGY

Contract record no.: X2023980037396

Denomination of invention: A Functional Layer and Its Preparation Method for Droplet Self Drive Based on Shape Gradient

Granted publication date: 20210507

License type: Common License

Record date: 20230704

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract