CN109665585B - 一种基于光热效应的热气泡驱动水平运动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于光热效应的热气泡驱动水平运动装置，通过光照驱动在液体中水平运动，所述热气泡驱动水平运动装置由具有亲水表面的亲水材料体和具有疏水表面的疏水材料体复合组装而成，所述疏水材料体由具有光热转换效应的光热转化材料制成，其表面还经处理形成可束缚气泡的微纳米结构层。与现有技术相比，本发明实现了基于光热效应的热气泡驱动装置的液体中水平运动模式，实现了光能到动能的转换，并且此方法突破了液体中潜浮运动所带来的应用限制，具有广泛的适用范围，可用于药物输运和释放，污水净化等众多领域。

Description

一种基于光热效应的热气泡驱动水平运动装置
技术领域
本发明属于功能材料新型驱动技术领域，涉及一种基于光热效应的热气泡驱动水平运动装置。
背景技术
实现液体中物体的可控运动对液体环境中物质运输与释放、污水净化、油水分离等领域有着重要的意义。目前，液体中物体的可控运动方式主要以潜浮运动为主，而针对液体中物体的可控水平运动研究较少。同时现有的物体驱动方法对液体环境要求较高，如利用化学反应产生气体对物体进行驱动这一方法只能在特定液体中实现，限制了液体中物体的可控运动的实际应用。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于光热效应的热气泡驱动水平运动装置，使用光源作为驱动力，同时通过合理选择材料，设计装置结构以及形状，实现了液体中光驱动装置的持续可控水平运动。该方法以光源作为能量来源，无特定液体环境要求，同时不受液体表面张力、粘度、pH等性质的影响，具有广泛的应用范围。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于光热效应的热气泡驱动水平运动装置，通过光照驱动在液体中水平运动，所述热气泡驱动水平运动装置由具有亲水表面的亲水材料体和具有疏水表面的疏水材料体复合组装而成，所述疏水材料体由具有光热转换效应的光热转化材料制成，其表面还经处理形成可束缚气泡的微纳米结构层。
本发明的装置中，光热转化材料可以采用高效光热转换效应的金属、合金、无机非金属、有机聚合物以及上述复合材料等。亲水材料体可以采用与疏水材料体材质相同的材料制成，也可以换用其他密度大于水的材料，如使用金属块体来配合疏水部分调节整体密度。
进一步的，亲水材料体与疏水材料体的复合程度满足：热气泡驱动水平运动装置的整体密度稍稍大于液体的密度，使得平常状态时，热气泡驱动水平运动装置浸没在液体中，同时，当光照设疏水材料体使得表面束缚微气泡膨胀时，整体密度即会大于液体密度上浮。
疏水材料体与亲水材料体的重量与形状满足：整个装置静置浸没在液体中时，两者不会呈垂直状态。进一步的，所述疏水材料体在亲水材料体侧部对称布置有若干块，使得两者可以呈水平状态静置浸没在液体中，这样，更利于整个装置水平运动的实现。
进一步的，所述微纳米结构层为其表面不被液体润湿的微纳米尺度的阵列式的孔、圆柱、圆锥、片状结构或球状结构。整个装置在运动过程中，微纳米结构层束缚的微气泡保持附着在其表面。
进一步的，所述疏水材料体的疏水表面通过附着疏水材料制成。
更进一步的，疏水材料附着在疏水材料体的方式为浸泡，浸渍，雾化喷涂，化学气相沉积，物理气相沉积或原位合成。
进一步的，亲水材料体与疏水材料体复合组装后，两者固有特性不被破坏。
进一步的，亲水材料体与疏水材料体复合组装的方式为粘接或咬合，包括表面特定形状的咬合及锁定、通过外加物质如胶体对两者进行粘接或外加特定形状的金属或非金属对两者进行连接、通过热处理或化学方法对两者进行连接及固定等，但不破坏两者固有的特性。
进一步的，液体为水或含水的混合溶液等，包括纯水、纯水与其他物质的混合溶液，如海水等，以及具有不同特性如温度、pH值等的纯水与其他物质的混合溶液。
本发明的热气泡驱动水平运动装置的工作原理是：将亲水材料体和具有高效光热转换效应且表面带有可束缚微小气泡的微纳米结构的疏水材料体进行组装，通过调节亲水部分(即亲水材料体)和疏水部分(即疏水材料体)的比例，使装置整体密度稍大于水的密度。装置浸没在液体中时，疏水部分表面能够附着一层微小的气泡，并在光照下由于材料光热效应将光能转化为热能用于加热疏水部分表面气泡以及内部的空气。气泡膨胀导致装置所受的浮力增加，由于本发明中所设计装置形状及结构的影响，当光照射装置疏水部分时，该装置产生旋转运动同时装置整体上浮。移除光照后，热量逐渐传向装置其他部分以及周围液体，气泡冷却收缩，装置浮力减小，在重力、浮力以及流体阻力的作用下，装置在下沉过程中产生水平运动趋势。通过反复照射装置疏水部分实现了装置的液体中可控水平运动。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明通过特定的结构设计，通过合理调节光照，可以实现该装置在液体中连续可控水平运动，具有广泛应用范围。
(2)使用本征吸收或等离激元共振效应吸收光能，直接转换为热能，提高了光热转化效率。
(3)本发明不受液体表面张力、粘度、pH等性质的影响，具有广泛的应用范围。
(4)本发明可在水溶液中实现水平运动，同以通过表面微结构设计以及化学修饰等手段，可实现在其他液体中的水平运动，具有广泛的应用范围。
(5)本发明不仅可以实现自身的水平运动，也可通过合理设计结构为其他物体在液体中的运动提供推动力。
附图说明
图1为本发明的驱动过程示意图；
图2为疏水材料体表面的扫描电子显微镜照片；
图3为装置在水中水平运动距离随时间的变化图。
图中标记说明：
1-液体，2-疏水材料体，3-亲水材料体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明提供了一种基于光热效应的热气泡驱动水平运动装置，通过光照驱动在液体1中水平运动，热气泡驱动水平运动装置由具有亲水表面的亲水材料体3和具有疏水表面的疏水材料体复合组装而成，疏水材料体由具有光热转换效应的光热转化材料制成，其表面还经处理形成可束缚微气泡的微纳米结构层。具体工作时，当光照射装置疏水材料体时，该装置产生旋转运动同时装置整体上浮。移除光照后，热量逐渐传向装置其他部分以及周围液体1，气泡冷却收缩，装置浮力减小，在重力、浮力以及流体阻力的作用下，装置在下沉过程中产生水平运动趋势。通过反复照射装置的疏水材料体实现了装置的液体1中可控水平运动。
在本发明的具体的实施方式中，光热转化材料可以采用高效光热转换效应的金属、合金、无机非金属、有机聚合物以及上述复合材料等。亲水材料体3可以采用与疏水材料体材质相同的材料制成，也可以换用其他密度大于水的材料，如使用金属块体来配合疏水部分调节整体密度。
在本发明的一种具体的实施方式中，亲水材料体3与疏水材料体的复合程度满足：热气泡驱动水平运动装置的整体密度大于液体1的密度，使得平常状态时，热气泡驱动水平运动装置浸没在液体1中。
在本发明的一种具体的实施方式中，疏水材料体与亲水材料体3的重量与形状满足：整个装置静置浸没在液体1中时，两者不会呈垂直状态。更进一步的，疏水材料体在亲水材料体3侧部对称布置有若干块，使得两者可以呈水平状态静置浸没在液体1中，这样，更利于整个装置水平运动的实现。
在本发明的一种具体的实施方式中，微纳米结构层为其表面不被液体1润湿的微纳米尺度的阵列式的孔、圆柱、圆锥、片状结构或球状结构。整个装置在运动过程中，微纳米结构层束缚的微气泡保持附着在其表面。
在本发明的一种具体的实施方式中，疏水材料体的疏水表面通过附着疏水材料制成。更进一步的，疏水材料附着在疏水材料体的方式为浸泡，浸渍，雾化喷涂，化学气相沉积，物理气相沉积或原位合成，附着后，疏水材料与疏水材料体仍会保留各自的固有特性。
在本发明的一种具体的实施方式中，亲水材料体3与疏水材料体复合组装后，两者固有特性不被破坏。
在本发明的一种具体的实施方式中，亲水材料体3与疏水材料体复合组装的方式为粘接或咬合，包括表面特定形状的咬合及锁定、通过外加物质如胶体对两者进行粘接或外加特定形状的金属或非金属对两者进行连接、通过热处理或化学方法对两者进行连接及固定等，但不破坏两者固有的特性。
在本发明的一种具体的实施方式中，液体1为水或含水的混合溶液等，包括纯水、纯水与其他物质的混合溶液，如海水等，以及具有不同特性如温度、pH值等的纯水与其他物质的混合溶液。
以下结合具体实施例对上述实施方式进行进一步的说明。
以下实施例中，如无特别说明，则表明所采用的原料或处理工艺均为本领域的常规市售原料或常用技术。
实施例1
(1)将切好的具有一定尺寸的铜泡沫进行清洗，然后将其浸没在65℃下3.2M KOH和0.48M(NH4)2S2O8的混合溶液中进行化学处理15分钟，使铜泡沫氧化并且表面出现微结构。将清洗后的氧化铜泡沫浸没在用正己烷稀释后的PDMS溶液(PDMS和正己烷体积比：1:100)中10分钟，随后放置于烘箱中烘干。
(2)将块体氧化铜泡沫(即作为亲水材料体3)和表面附着PDMS的块体氧化铜泡沫(即作为疏水材料体2)用硅胶进行粘接，参见图2所示，可见，作为疏水材料体2的表面附着PDMS的块体氧化铜泡沫表面具有微纳米结构层，其可以束缚一层微气泡。通过组装，使块体氧化铜泡沫置于中间，表面附着PDMS的块体氧化铜泡沫位于两侧如图1所示，并置于烘箱中烘干。调节氧化铜泡沫和表面附着PDMS的氧化铜泡沫的比例使装置整体密度稍大于水。
(3)参见图1所示，将装置放于水中，逐渐下降到水的底部。同时可以在装置疏水部分的表面观察到一层微气泡。用波长532nm激光照射该装置疏水部分(即疏水材料体2)，该部分由于光热效应将光能转化为热能用于加热表面气泡以及内部的空气。气泡膨胀导致装置所受的浮力增加，由于本发明中所设计装置结构以及形状如图1所示，当光照射装置疏水部分时，该装置由于两侧所受的浮力不同，进而产生不同力矩，右侧力矩大于左侧力矩，实现了旋转运动同时装置整体上浮。去掉光照后，热量逐渐散失于周围的液体中，气泡冷却，装置浮力减小，在重力、浮力以及流体阻力的作用下，装置在下沉过程中产生沿箭头方向的水平运动趋势。通过反复照射装置疏水部分实现了装置的水下水平运动。
图3显示了上述整个装置在水中水平运动距离随时间的变化关系，可见，通过反复光照，本实施例制备的装置实现了在液体中的有效水平移动。
实施例2
将铜泡沫进行化学处理表面形成微结构后，再将石墨烯或碳黑通过有机物粘接在铜泡沫表面或将铜泡沫浸泡在含有石墨烯或碳黑的溶液中，随后将铜泡沫取出离心使铜泡沫表面覆盖一层石墨烯或炭黑，将经过上述处理后的铜泡沫作为电磁波吸收材料，然后附着疏水材料，使其表面表现出疏水性。其余同施例1。
实施例3
实施例1中的热气泡驱动水平运动装置中的亲水部分可换用其他密度大于水的块体材料如铁块等，或换成待运输物质或可实现某种功能如油水分离等的材料，将实施例1中的热气泡驱动水平运动装置作为动力来源，与其他物体一起实现水平可控水平运动，从而制备多功能水下可控运动装置。其余同施例1。
实施例4
将氯化钠或柠檬酸颗粒，炭黑或石墨粉和液态PDMS以一定的比例进行混合，(其中比例可以根据需要获得不同孔径的多孔材料进行调配，如所用材料为氯化钠颗粒，炭黑颗粒和液态PDMS，一般质量比为606:1:100)，然后倒入模具中，放到烘箱中使其凝固。然后将其浸泡在水中，通过不断挤压，PDMS内部的氯化钠或柠檬酸颗粒不断溶于水中，在相应部位留下尺寸相同的小孔，从而制备掺有炭黑或石墨的PDMS泡沫(作为疏水材料体2)，并与金属块体(作为亲水材料体3)如铁块进行组装，使整体密度稍大于水的密度。其余同施例1。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于光热效应的热气泡驱动水平运动装置，通过光照驱动在液体中水平运动，其特征在于，所述热气泡驱动水平运动装置由具有亲水表面的亲水材料体和具有疏水表面的疏水材料体复合组装而成，所述疏水材料体由具有光热转换效应的光热转化材料制成，其表面还经处理形成可束缚气泡的微纳米结构层；
亲水材料体与疏水材料体的复合程度满足：热气泡驱动水平运动装置的整体密度大于液体的密度，使得平常状态时，所述热气泡驱动水平运动装置浸没在液体中；
所述疏水材料体的疏水表面通过附着疏水材料制成；
亲水材料体与疏水材料体复合组装后，两者固有特性不被破坏。
2.根据权利要求1所述的一种基于光热效应的热气泡驱动水平运动装置，其特征在于，所述疏水材料体在亲水材料体侧部对称布置有若干块。
3.根据权利要求1所述的一种基于光热效应的热气泡驱动水平运动装置，其特征在于，所述微纳米结构层为其表面不被液体润湿的微纳米尺度的阵列式的孔、圆柱、圆锥、片状结构或球状结构。
4.根据权利要求1所述的一种基于光热效应的热气泡驱动水平运动装置，其特征在于，疏水材料附着在疏水材料体的方式为浸泡，浸渍，雾化喷涂，化学气相沉积，物理气相沉积或原位合成。
5.根据权利要求1所述的一种基于光热效应的热气泡驱动水平运动装置，其特征在于，亲水材料体与疏水材料体复合组装的方式为粘接或咬合。
6.根据权利要求1所述的一种基于光热效应的热气泡驱动水平运动装置，其特征在于，液体为水或含水的混合溶液。
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