CN110325736B - 用于包括克服外部压力的定向流体输送的表面 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于被动定向流体输送的毛细管结构，其包括：毛细管，所述毛细管具有在x‑y平面中延伸的前向方向和后向方向以及在z方向上延伸的深度，所述毛细管包括第一毛细管单元和第二毛细管单元，每个所述毛细管单元具有分叉部分，所述分叉部分具有后端、前端和y方向上的宽度，其中所述宽度从所述后端到所述前端增加，其中所述第二毛细管单元分叉部分的所述后端连接到所述第一毛细管单元分叉部分的所述前端，以形成从所述第一毛细管单元分叉部分的所述前端到所述第二毛细管单元分叉部分的所述后端宽度逐步减小的过渡部分，并且其中所述过渡部分中的所述深度小于每个分叉部分中的所述深度。
Description
背景技术
通常，由于在可见于吸收和流体处理结构中的许多多孔结构中纤维的随机取向，需要大量材料来移动流体体积。因此，几种不同性质的材料被结合使用来输送流体。可促进流体移动的表面将使结构性能更好，并可利用通常不使用的能力。可以形成或放置这样的表面以促进液体移动。以这种方式，即使表面结构以另一种方式弯曲或定位，使得存在流体克服重力或克服另一外部压力源进行输送的情况，流体也不会随机移动而是遵循表面结构。这为人们提供了管理流体流向哪里的能力。
以前，解决这些或相关问题的不成功尝试包括授予Comanns等人的加拿大专利申请号CA2875722 A1，它描述了互连的毛细管；以及技术出版物“One-way Wicking in OpenMicro-channels Controlled by Channel Topography”,Journal of Colloid andInterface Science 404(2013)169-178，它描述了尝试最小化但不消除回流的定向流体输送。Baumgartner等人的专利申请号US 2016/0167043描述了用于定向流体输送的表面，但没有公开或教导通道深度的变化或其任何影响。另外，专利申请号WO 2016/124321 A1描述了正交于表面的定向输送，其中没有公开或教导垂直于液体输送方向的深度的变化。微流体阀诸如在技术出版物“Valves for Autonomous Capillary Systems”Microfluidicsand Nanofluidics 5(2008)395-402中描述的那些被设计成停止或延迟液体沿着一个方向的流动；然而，它们被布置成使得不允许沿着表面流动。此外，毛细管通道具有相等深度，并且仅能够使液体前沿停止几秒钟。
发明内容
本文描述的公开解决了上述问题，并提高了流体处理的效率。
根据本公开，一种用于被动定向流体输送的毛细管结构包括：毛细管，该毛细管具有在x-y平面中延伸的前向方向和后向方向以及在z方向上延伸的深度，该毛细管包括第一毛细管单元和第二毛细管单元，每个毛细管单元具有扩散部分，该扩散部分具有后端、前端和y方向上的宽度，其中该宽度从后端到前端增加，其中第二毛细管单元扩散部分的后端连接到第一毛细管单元扩散部分的前端，以形成从第一毛细管单元扩散部分的前端到第二毛细管单元扩散部分的后端宽度逐步减小的过渡部分，并且其中过渡部分中的深度小于每个扩散部分中的深度。
本公开还描述了一种用于定向输送具有接触角的流体的基底，该基底包括用于被动定向流体输送的毛细管结构，该毛细管结构包括多个毛细管，每个毛细管具有在x-y平面上延伸的前向方向和后向方向以及在z方向上延伸的深度，每个毛细管包括第一毛细管单元和第二毛细管单元，每个毛细管单元具有扩散部分，该扩散部分具有后端、前端和y方向上的宽度，其中该宽度从后端到前端增加，其中每个第二毛细管单元扩散部分的后端连接到对应的第一毛细管单元扩散部分的前端，以形成从第一毛细管单元扩散部分的前端到第二毛细管单元扩散部分的后端宽度逐步减小的过渡部分，并且其中过渡部分中的深度小于每个扩散部分中的深度。
本公开还描述了一种用于被动定向输送流体的毛细管结构，该流体相对于毛细管结构具有接触角，该结构包括毛细管，该毛细管具有在x-y平面中延伸的前向方向和后向方向以及在z方向上延伸的深度，该毛细管包括第一毛细管单元和第二毛细管单元，每个毛细管单元具有扩散部分，该扩散部分具有后端、前端和y方向上的宽度，其中宽度从后端到前端线性增加；连接部分，该连接部分插入在第一毛细管单元扩散部分的前端和第二毛细管单元扩散部分的后端之间，其中连接部分与每个扩散部分流体连通，其中每个第二毛细管单元扩散部分的后端连接到连接部分，其中对应的第一毛细管单元扩散部分的前端连接到连接部分，以形成从第一毛细管单元扩散部分的前端到连接部分宽度逐步减小的过渡部分，并且其中过渡部分中的深度小于每个扩散部分中的深度，并且其中具有宽度轮廓w(x)的连接部分随着角度轮廓β(x)改变深度，并且具有纵横比a(x)连接＝h(x)/w(x)＞(1-cos(θ+β))/(2cosθ)＞0，其中扩散部分以角度从连接部分扩散，使得a＜π/2-θ且α＜θ，并且其中过渡部分的深度小于扩散部分的深度。
本公开的其他特征和方面在下文更详细地讨论。
附图说明
通过参考以下说明、所附权利要求书和附图，本公开的前述及其他特征和方面以及实现它们的方式将变得更显而易见，并且本公开本身将得到更好的理解，其中：
图1是本公开的液体二极管的毛细管的表面设计的示意性平面图；
图2A是针对双向流动的可选连接部分的示意性剖视图，在图1中用A表示；
图2B是针对双向流动的具有小倾斜角的锥形毛细管部件或扩散部分的示意性剖视图，在图2中用B表示；
图2C是针对双向流动的可选连接部分的示意性剖视图，在图1中用A表示，其具有限定的曲率半径；
图3是图2B的锥形毛细管部件和图2A的连接毛细管部件之间的接合的示意性剖视图，其中突然变窄形成导致定向流动的单过渡点，如图1中的C所示，其中图3中的曲率半径r1和r2具有不同长度；
图4是本公开的局部毛细管的一个方面的透视图，其中毛细管具有变化的深度；
图5是图4的局部毛细管的平面图，具有示例性尺寸；
图6是图4的局部毛细管的正视图，具有示例性尺寸；
图7是本公开的局部毛细管的另一个方面的透视图，其中毛细管具有变化的深度；
图8是图7的局部毛细管的平面图，具有示例性尺寸；
图9是图7的局部毛细管的正视图，具有示例性尺寸；
图10是本公开的局部毛细管的又一个方面的透视图，其中毛细管具有恒定的深度；
图11是图10的局部毛细管的平面图，具有示例性尺寸；
图12是图10的局部毛细管的正视图，具有示例性尺寸；并且
图13是具有多个平行毛细管的表面的透视图，其中表面设置成与水平面成角度Ω，以便能够测试表面的流体输送属性。
在本说明书和附图中反复使用参考字符旨在表示本公开相同或类似的特征或元件。附图是表示性的，并且未必按比例绘制。图中的某些比例可能被放大了，而其他部分则可能被最大程度缩小了。
具体实施方式
本领域的普通技术人员应当理解，本讨论仅是对本公开的示例性方面的描述，并且不旨在限制本公开的更广泛的方面。
本公开总体上涉及受益于定向流体输送的应用。一般来讲，这种定向液体输送的应用范围很广，从吸收制品到微流体、医疗应用、酿酒厂、热交换器、电子冷却、过滤系统、润滑、电子墨水显示和集水装置。
本公开涉及一种用于定向流体输送(包括通过毛细力的完全定向液体输送)的表面。该设计通过使用封闭、部分封闭或开放毛细管(即毛细管)来控制流体从源位置到单独的期望位置的流体输送，以允许克服重力(或不克服重力)定向流动。
在一个实例中，由于在许多多孔结构中纤维的随机取向，需要大量材料来移动流体体积。因此，在一种方法中，几种具有不同性质的材料被结合使用来输送流体。即使克服外部压力诸如由重力引起的力仍可促进流体移动(特别是向结构的更远部分)的表面将允许结构利用通常不使用的流动面积或吸收能力。例如，这种表面可以形成或放置在层合物、复合物、箔片或膜上，以促进液体移动。这样，流体不会随机移动，而是遵循表面结构。这为人们提供了设计和管理流体流向哪里的能力。
此外，纤维性多孔结构一旦润湿就容易发生孔隙坍塌或结垢，导致液体输送效率低下。本公开的表面结构被设计成使得毛细管通过将液体转移到另一个位置或储存材料来提供可再生的空隙空间，从而使得通道再次可供使用。这可以通过由膜、凝胶、膜状结构或包括刚性聚合物材料的刚性材料制造材料来实现。
根据本公开，接触角为0<θ<90°(固有地或通过处理)的所有液体材料组合都适用于定向液体输送。合适材料的示例包括聚合物、金属、陶瓷、半导体、玻璃、膜、非织造物或任何其他合适材料。术语聚合物不限于技术聚合物，而是包括可生物降解的聚合物，例如纤维素化合物、聚磷腈、聚乳酸(PLA)和诸如聚二甲基硅氧烷(PDMS)的弹性体。特别适用于本申请的是聚合物，诸如聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、PLA、聚丙烯(PP)、硅酮、环氧树脂、水凝胶、聚酰胺(PA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、醋酸纤维素(CA)和乙酸丁酸纤维素(CAB)和非化学计量比硫醇烯。不具有0<θ<90°固有接触角的液体材料组合可以通过表面处理或化学处理来改变，诸如等离子体改性、电晕放电、旋涂、喷涂或任何合适的方法或方法组合。该材料可以是或可以变成亲水的或亲脂的。
关于本公开的特定表面结构，其上形成表面结构的基底包括至少在流体流动的一些区域与液体的接触角小于90°的表面。该表面具有包括多个毛细管的结构，这些毛细管具有不同基本类型的毛细管部件的独特顺序排列。
该结构可以激光雕刻或通过其他制造方法形成到PMMA(聚(甲基丙烯酸甲酯))板或其他合适的聚合物基底中。合适的制造方法包括热压印、丝网印刷、3D印刷、微铣削、复制模塑、铸造、注塑成型、压印、蚀刻、光刻(包括光学光刻和UV光刻)、光聚合、双光子聚合或任何其他合适的方法或方法的组合。
与其他微流体二极管技术相比，在本公开的结构中避免了可移动部件，如瓣片或圆柱形盘。本公开采用传统的散装材料，而不需要化学处理或使用多孔基底。虽然本公开提供了一种用于单向芯吸的结构，但是所制造的结构也允许液体前沿在相反方向上完全停止。
本公开的结构的性能消除了对两个或更多个毛细管互连的要求，如之前的尝试中所示，例如在授予Comanns等人的加拿大专利申请号CA2875722 A1中所示，该专利描述了互连的毛细管。本公开的单个毛细管足以进行明显的定向流体输送。然而，在本公开的其他方面，如果需要毛细管网络，毛细管可以互连。例如，几个毛细管的网络可以更容错，以响应一个或多个毛细管中的堵塞，因为提供了替代路径来绕过堵塞单个毛细管的障碍。
由于与先前结构相比不同的设计，本文描述的结构提供了优点。这种结构提供了更高的体积流量(即，每给定的与流体接触的表面积)，部分原因是由于更紧密地填充毛细管的能力，因为两个毛细管之间不需要相互作用。换句话说，两个相互作用的毛细管之间没有振荡流。这种较高的体积流量是由于较高的输送速度，部分是由于没有倾向于限制在前向方向上的输送速度的振荡流。在前向方向上的较高净体积流量也可能由后向流量的减少引起。此外，本公开的毛细管在设计上更简单。因此，该结构更能容忍毛细管尺寸的变化，这意味着该结构更能容忍所施加流体的润湿性质(例如，表面张力和接触角)的变化。该结构也更能容忍制造误差。
本结构的毛细管通常在x-y平面中延伸，例如如图2所示。本结构还结合了z方向上的深度轮廓。因此，本结构采用这样的方式设计，即该结构增强了克服外部压力(诸如重力引起的压力)的定向液体输送的性能。
本结构结合了正交的深度轮廓，该深度轮廓设计成使得其增强了克服外部压力诸如重力压力的定向液体输送性能，并且增强了定向液体输送的稳健性(例如，克服制造误差)。此外，与总体较浅的毛细管通道轮廓相比，该深度轮廓不仅增加了结构在后向方向上停止液体的能力，而且还减少了整体摩擦力并增加了较深区域中的毛细管驱动压差，这导致总体较高的流速，并且因此允许增加体积流量。
图1示意性地示出了具有连续毛细管单元25的毛细管20的一个示例性总体布置。毛细管20包括线性布置的一个或多个毛细管单元25，其中每个毛细管单元25与前一个和后一个毛细管单元25流体连通。如图13所示，两个或更多个毛细管20可以布置成并排布置以提供平行的流体路径。本文描述的毛细管20可以在z方向上打开、部分闭合或闭合，z方向是垂直于图中x-y平面的方向。
流动通过毛细管20的流体优选地沿前向方向40流动，也称为定向流动。
如图1所示，并且如下文更详细描述的，毛细管单元25包括至少两种基本类型的限定形状的毛细管部件并且在正交或z方向上具有特定的深度轮廓。包括适度变宽的毛细管部件(扩散部分)和在流体流动方向40上从宽到窄快速过渡的毛细管部件。在扩散部分中的锥形毛细管的适度变宽伴随着毛细管的适度加深，并且在C处沿流体输送方向40从宽到窄的快速过渡也在深度方向上发生。过渡部分包括在垂直于液体输送方向的两个空间维度的突然变窄。突然变窄可以以斜坡或台阶的形式实现，使得毛细管通道更浅。
毛细管单元25还可以包括连接部分毛细管部件。基本类型的毛细管部件以独特的方式顺序布置，并且基本类型的毛细管部件的这种独特顺序布置导致在前向方向上40的被动定向流体输送，即使在克服重力情况下。
本申请的结构包括至少一个毛细管20，其具有或不具有连接到其他毛细管的任何接头或叉。每个毛细管20包括三个特定几何参数的潜在重复序列，这些参数的设计取决于与基底的性质结合的流体性质。几何参数是可选的连接部分A、扩散部分B和至少一个过渡点C。深度的变化引起毛细管压力的变化，其能够补偿系统上的特定外部压力；这种外部压力可以是不同的来源，并且可以由例如重力或由流体静压引起。
凹形的定义意味着“向内弯曲”或“向内凹陷”，意味着物体在某种程度上向其中心点弯曲。在本申请中，凹形流体在图2A和图2B中示出。以毛细管力作为其后的驱动力的凹形液体前沿将有利于液体在图2A和图2B所示的所有方向上的液体移动。如图2C所示，液体前沿相对于液体的中心点具有凹形形状，并且曲率半径r由配合穿过液滴前沿的(假想的)圆形给出。对于图2A所示的情况，曲率半径在图2C中示出。曲率半径r是假想球体的半径，该球体使液滴在两侧向内“凹陷”。
相比之下，凸形意味着“拱起”或“向外拱起”。在本申请中，凸形流体在图3中示出。左手侧的凸形半径阻止流体在后向方向上流动。在这种情况下，假想球体源自液滴内部，曲率半径由r1给出。在右手侧的凹形液体前沿具有曲率半径r2。由于毛细管壁的不对称性，一个液滴有两种不同的曲率半径，导致液滴的毛细管驱动力不对称，并有利于定向流动。
弯月面的曲率半径可用于确定流体是否会在前向方向上流动，或者流体是否会停止在后向方向上流动。简单的指导原则是凹形等于前向移动，凸形等于在后向方向上停止。液体前沿近似由两个主要曲率半径r和r*描述，这两个主要曲率半径彼此垂直并且两者可以是凹的，两者都是凸的，或者是一个凹的，而另一个是凸的。如果一个曲率半径是凸的并且另一个曲率半径是凹的，凹形弯月面将增加毛细流，即毛细管驱动压差Δp＝γ(1/r+1/r*)，而凸形弯月面将减少流动。然而，需要首先定义与毛细管驱动压差和凸形和凹形曲率半径相关的符号。这里，分别使用以下符号：Δp>0表示毛细管流动，Δp<0表示停止液体前沿，r>0表示凹形曲率半径，并且r<0表示凸形曲率半径。如果毛细管通道打开，则与毛细管通道的深度相关联的曲率半径总是凸形的，并且因此减小了毛细管驱动压差。毛细管通道与宽度相比越深，与毛细管通道深度相关联的曲率半径对总毛细管驱动压差的贡献就越小。
在给定恒定表面张力溶液和添加的恒定体积溶液的水平表面上，具有不同深度的样品能够锁定流体并阻挡通道中沿后向方向45的流动，而恒定深度的通道允许流体沿后向方向流动。当样品保持在与水平面成角度Ω时，诸如图13中建议的取向，包括成角度诸如Ω＝45度和90度时，只有具有不同深度的样品能够锁定流体前沿，以克服重力引起的外部压力阻挡沿着后向方向45的流动，同时允许克服重力垂直流动。
不依赖于理论，认为本文描述的效果至少部分地由过渡点处的深度引起的压力变化产生。这种压降可以比恒定深度的毛细管更好地补偿外部压力。
毛细管在过渡点C附近可较浅。在第一实例中，所得结构的典型深度约为0.7mm，但过渡点C周围的区域除外，其中深度约为0.4mm。在过渡点C附近，可选的连接部分A具有145μm的宽度并且比锥形毛细管通道B浅，深度约为0.4mm，产生的深度与宽度的比率约为2.8，表示该比率为毛细管的纵横比。应当注意，连接部分A可以是直的并且如图所示平行于x轴，或者连接部分A可以是弯曲的、成角度的或任何其他合适的几何形状。在第二实例中，毛细管的宽度与第一实例相比增大至其两倍，但深度没有增加。在该实例中，连接部分A也较浅，深度约为0.4mm，产生的纵横比约为1.4。在两个实例中，扩散部分B在前向方向40上以斜坡方式从过渡点C加深，并且对于第一实例和第二实例斜坡分别具有20°和11°的适度倾斜角。然而，对于第一实例和第二实例，在后向方向45上从过渡点C具有更突然的加深，倾斜角分别大至70°和79°。一般来讲，连接部分A中的一些或全部可以比扩散部分B更浅。深度的变化允许液体前沿被有效地锁定在过渡点C，而过渡点C的位置不会被毛细管通道的底板和壁上的不期望的流动所克服。特定方面的深度轮廓在图4至图12中示出，其中顶视图和横截面视图相匹配。毛细管20在过渡点C处最浅。
测试已经证明，毛细管通道的深度没有变化的毛细管通道设计可以在施加液滴时(也在一定程度上克服重力)阻止液体前沿在后向方向上前进。在过渡点附近具有深度变化的毛细管通道比具有相同深度的毛细管通道提供更大的流体流动。与深度相等的毛细管通道相比，在过渡点附近具有深度变化的毛细管通道提供了更大的液体输送方向性，特别是在克服外部压力时。
实例
实例：连接部分在图1中用A表示，并在图2A中示意性地示出。连接部分A的设计允许双向流动。为了说明连接部分A的示例几何形状，对毛细管驱动压差Δp采用以下推导，其由杨氏-拉普拉斯方程描述：
Δp＝γ·((-1+cos(θ(x)+β(x)))/h(x)+2cos(θ(x)+α(x))/w(x))。
这里，表示液体对周围气体的表面张力，(x)表示毛细管的深度(在图6、图9和图12中表示为D1和/或D2)，w(x)表示毛细管的宽度(在图5、图8和图11中表示为W1和/或W2)，α(x)和β(x)表示连接毛细管的壁在宽度.y和深度方向z上的倾斜角。这里，α(x)＞0和β(x)＞0分别描述了宽度和深度方向上的变宽的毛细管。这里表示液体与固体的接触角。
在A型直的连接部分的实例中，对于具有相等深度(Δpeds)的直的毛细管通道α，β＝0；并且对于斜坡、直的毛细管(Δpeds)，α＝0，β(针对小布置和大布置分别为20°和11°)。
Δprds＝γ·((-1+cos(θ+β))/h(x)+2cosθ/w)且
Δpeds＝γ·((-1+cosθ)/h+2cosθ/w)。
对于示例性连接毛细管中的双向液体输送，必须分别满足以下方程：
Δprds＝γ·((-1+cos(θ+β))/h(x)+2cosθ/w)＞0或Δpeds＝γ·((-1+cosθ)/h+2cosθ/w)＞0。这些公式也可以表示为毛细管通道长宽比必须满足的条件：ards(x)＝h(x)/w＞(1-cos(θ+β))/(2cosθ)＞0，由Δprds＞0得到；以及aeds＝h/w＞(1-cosθ)/(2cosθ)＞0，由Δpeds得到。
因此，必须满足上述条件，并且连接部分A需要是亲水的。
扩散部分在图1中以B表示，并在图2B中示意性地示出。具有小倾斜角α和β的扩散部分B的大体锥形设计也允许双向流动。应当注意，α和β不需要沿着扩散部分恒定。为了说明扩散部分B的示例几何形状，对毛细管驱动压差Δpconic采用以下推导，其由杨氏-拉普拉斯方程描述：
Δpconic，±＝·γ·((-1+cos(θ(x)±β(x)))/h(x)+2cos(θ(x)±α(x))/w(x))。
这里，Δpconic，+和Δpconic，-分别是在前向方向和后向方向上的毛细管驱动压差。这里，表示液体对周围气体的表面张力，conic(x)表示毛细管的深度，wconic(x)表示锥形毛细管的宽度，并且α(x)和β(x)分别表示锥形毛细管的壁在宽度和深度方向上的倾斜角。这里θ表示液体与固体的接触角。
对于具有相等深度(Δpconic，ed，±)并且具有斜坡毛细管深度(Δpconic，rd，±)的示例性锥毛细管中的双向液体输送，必须满足以下方程：
Δpconic，ed，±＝γ·((-1+cosθ)/h+2cos(θ±α)/w(x))＞0且
Δpconic，rd，±＝γ·((-1+cos(θ±β(x)))/h(x)+2cos(θ±α)/w(x))＞0。
因此，2cos(θ±α)/w(x)＞-(-1+cosθ)/h或aconic，ed，±(x)＝h/w(x)＞(1-cosθ)/(2cos(θ±α))＞0，以使第一表达式＞0；且2cos(θ±α)/w(x)＞-(-1+cos(θ±β(x)))/h(x)或aconic，rd，±(x)＝h(x)/w(x)＞(-1+cos(θ±β(x))/(2cos(θ±α))＞0，以使第二表达式＞0。
另外，cos(θ+α)要求0度＜θ+α＜90度才能为正；cos(θ-α)要求0度＜θ-α＜90度才能为正。类似地，cos(θ+β(x))要求0度＜θ+β(x)＜90度才能为正；cos(θ-β(x))要求0度＜θ-β(x)＜90度才能为正。
转换为弧度，如果之前假设接触角0度＜θ＜90度且倾斜角0度＜α，β(x)＜90度成立，则α＜π/2-θ，α＜θ，β(x)＜π/2-θ且β(x)＜θ必须为真表达式才能＞0。在制作的实例中，β(x)是分段常数并且表示为β和β′。
过渡部分在图1中的C处表示。大致锥形扩散部分B和过渡部分C之间的接合导致在宽度方向y和深度方向z上沿前向方向上的突然变窄(在实例中为90°角)，从而形成单过渡点50，导致沿前向方向40的定向流动。在类型C的过渡点附近，连接部分A与扩散部分B相比较浅。在一个示例性毛细管布置中，恰好在过渡点50之前的连接部分A的深度大约为400微米，并且恰好在过渡点50之前的锥形毛细管的深度大约为700微米。这种在过渡点50附近的连接部分和较深锥形毛细管通道之间毛细管深度差异的布置防止沿后向方向45的回流，即使克服外部压力诸如来自重力的压力也是如此。
换句话讲，在过渡部分C中的过渡点50处，流体前沿从凹到凸的过渡停止了流体在后向方向45上的输送。毛细管驱动压力可以补偿由重力施加到毛细管中的液塞的质量上的某个流体静压。这意味着单向液体流动甚至可以在毛细管上升一定高度的情况下克服重力工作，其中过渡点作为液体输送在后向方向45上的停止点，甚至克服特定体积的液体的重力。
不受理论的限制，以下分析可以帮助阐明描述并且是毛细管几何形状的实例。对于在正交方向上具有相等且斜坡深度的示例性毛细管通道几何形状，弯月面可以克服重力在结构中沿着前向方向行进(而在后向方向上停止)的距离Led和Lrd可以通过以下针对相等且斜坡深度的毛细管通道的解析公式估计：
在液体停止在具有恒定深度的毛细管通道的锥形毛细管部分的情况(或直毛细管部分，α＝0)，ρg Led sinΩ＝γ·((-1+cosθ)/h+2cos(θ+α)/w(xf))-γ·((-1+cosθ)/h-2sinθ/w(xb))，且
在液体停止在具有斜坡深度的毛细管通道的锥形毛细管部分的情况(或直毛细管部分，α＝0)，ρg Lrd sinΩ＝γ·((-1+cos(θ+β(xf)))/h(xf)+2cos(θ+α)/w(xf))-γ·((-1+cos(θ+β，))/h(xb)-2sinθ/w(xb))。这里，xf和xb分别是液体弯月面在示例性锥形毛细管通道中前向方向(或者在直的连接毛细管通道中，其中α＝0)和在过渡点处后向方向的位置。
这里，ρ、g和Ω是液体的密度、重力常数和倾斜角，并且假设毛细管通道以90°角瞬间变宽。请注意，通过分别计算具有相等深度和斜坡深度的三角形行的体积容量Ved(Led)和Vrd(Lrd)与穿透距离Led和Lrd之间的关系，可以将行进距离Led和Lrd与液体的施加体积相关。
在各种实例中，通过压印工艺将样品原型化为非化学计量比硫醇烯(OSTE)材料。使用通过显微机械加工设计制成的工具将OSTE样品制造成铝板。在具有如图4至图12所示的毛细管尺寸和布置的OSTE材料的一部分中重复每种毛细管设计的多行。图10至图12示出了具有恒定深度的样品的样品设计，而图4至图9示出了具有不同深度的样品的样品设计。使用来自BASF的(0.1重量％)Pluronic F-38表面活性剂和含水红色染料(Ponceau S，0.25重量％)的水溶液作为测试液体。在标准实验室条件下，发现该测试液体具有52±4达因/厘米的一致表面张力和约1g/mL的密度。该测试液体对特定OSTE样品具有接触角，该接触角为65±3(n＝20)。所研究的样品包含不同数量的通道并且包含不同的总通道体积，总通道体积的液滴尺寸被添加到每个样品的中心。在OSTE样品处于水平、45倾斜和90垂直构型时，重复这一“流体添加”步骤。视频分析显示，在所有情况下，具有不同深度的样品在前向方向上输送流体，同时在相反方向停止液体前沿。在所有情况下，具有恒定深度通道的样品在前向和后向方向两者上输送流体。具有恒定深度的样品显示沿着前向方向的优先流体流动，但是在通道前端被填充之后，流体也沿着后向方向流动。在所有情况下，对于小例示物和大例示物，沿着两个方向的测试距离分别为8mm和16mm。
在本公开的各个方面中，图4至图6示出了具有不同深度的毛细管单元的特定布置。换句话讲，毛细管单元的深度在前向流动方向40上改变。图4至图6中所示的布置以大尺寸和小尺寸两者产生，尺寸和角度如下(尺寸以微米为单位，并且仅给出角度的绝对值)：
在本公开的其他方面中，图7至图9示出了具有不同深度的毛细管单元的特定布置。换句话讲，毛细管单元的深度在前向流动方向40上改变。图7至图9中所示的布置以大尺寸和小尺寸两者产生，尺寸和角度如下(尺寸以微米为单位，并且仅给出角度的绝对值)：
在本公开的其他方面中，图10至图12示出了具有平坦底部的毛细管单元的特定布置。换句话讲，毛细管单元具有恒定的深度。图10至图12中所示的布置以大尺寸和小尺寸两者产生，尺寸和角度如下(尺寸以微米为单位，并且仅给出角度的绝对值)：
描述流体流动的另选方法是将样本与坐标平面对准，其中“零”位于流体液滴放置的中心，而前向方向由正距离表示，后向方向由负距离表示。考虑到实验的时间范围(总观察时间通常在1/2分钟到5分钟之间)，由于流体流动的双向性，具有不同深度的通道导致流体输送的净正距离，而具有恒定深度的样品显示净零距离。
在第一特定方面，一种用于被动定向流体输送的毛细管结构包括：毛细管，所述毛细管具有在x-y平面中延伸的前向方向和后向方向以及在z方向上延伸的深度，所述毛细管包括第一毛细管单元和第二毛细管单元，每个所述毛细管单元具有扩散部分，所述扩散部分具有后端、前端和y方向上的宽度，其中所述宽度从所述后端到所述前端增加，其中所述第二毛细管单元扩散部分的所述后端连接到所述第一毛细管单元扩散部分的所述前端，以形成从所述第一毛细管单元扩散部分的所述前端到所述第二毛细管单元扩散部分的所述后端宽度逐步减小的过渡部分，并且其中所述过渡部分中的所述深度小于每个扩散部分中的所述深度。
第二特定方面包括所述第一特定方面，其中在每个扩散部分中从所述后端到所述前端的宽度增加是线性的。
第三特定方面包括所述第一和/或第二方面，还包括插入在所述第一毛细管单元扩散部分的所述前端和所述第二毛细管单元扩散部分的所述后端之间的连接部分，其中所述连接部分与每个扩散部分流体连通。
第四特定方面包括方面1至3中的一个或多个，其中所述过渡部分中的所述深度小于或等于所述连接部分中的所述深度。
第五特定方面包括方面1至4中的一个或多个，其中所述毛细管在所述z方向上至少部分打开。
第六特定方面包括方面1至5中的一个或多个，其中每个扩散部分构造成在所述前向方向上引起凹形弯月面，并且其中所述过渡部分在所述后向方向上引起具有无限曲率半径的凸形液体弯月面或直形液体弯月面。
第七特定方面包括方面1至6中的一个或多个，还包括彼此平行设置的多个毛细管。
第八特定方面包括方面1至7中的一个或多个，其中每个毛细管没有与另一个毛细管的互连。
第九特定方面包括方面1至8中的一个或多个，其中所述毛细管是亲水的或亲脂的。
第十特定方面包括方面1至9中的一个或多个，其中所述过渡部分停止在所述后向方向上的流体输送。
第十一特定方面包括方面1至10中的一个或多个，其中所述过渡部分停止流体克服重力或流体静压在所述后向方向上输送。
第十二特定方面包括方面1至11中的一个或多个，其中所述深度经历从所述扩散部分到所述过渡部分的阶跃变化。
第十三特定方面包括方面1至12中的一个或多个，其中所述深度经历从所述扩散部分到所述过渡部分的斜坡变化。
在第十四特定方面，一种用于定向输送具有接触角的流体的基底，所述基底包括用于被动定向流体输送的毛细管结构，所述毛细管结构包括多个毛细管，每个毛细管具有在x-y平面上延伸的前向方向和后向方向以及在z方向上延伸的深度，每个毛细管包括第一毛细管单元和第二毛细管单元，每个毛细管单元具有扩散部分，所述扩散部分具有后端、前端和y方向上的宽度，其中所述宽度从所述后端到所述前端增加，其中每个第二毛细管单元扩散部分的所述后端连接到所述对应的第一毛细管单元扩散部分的所述前端，以形成从所述第一毛细管单元扩散部分的所述前端到所述第二毛细管单元扩散部分的所述后端宽度逐步减小的过渡部分，并且其中所述过渡部分中的所述深度小于每个扩散部分中的所述深度。
第十五特定方面包括所述第十四特定方面，进一步在每个毛细管中包括插入在所述第一毛细管单元扩散部分的所述前端和所述第二毛细管单元扩散部分的所述后端之间的连接部分，其中所述连接部分与每个扩散部分流体连通。
第十六特定方面包括所述第十四和/或第十五方面，其中所述过渡部分中的所述深度小于或等于所述连接部分中的所述深度。
在第十七特定方面，用于被动定向输送流体的毛细管结构，所述流体相对于所述毛细管结构具有接触角，所述结构包括毛细管，所述毛细管具有在x-y平面中延伸的前向方向和后向方向以及在z方向上延伸的深度，所述毛细管包括第一毛细管单元和第二毛细管单元，每个毛细管单元具有扩散部分，所述扩散部分具有后端、前端和y方向上的宽度，其中所述宽度从所述后端到所述前端线性增加；连接部分，所述连接部分插入在所述第一毛细管单元扩散部分的所述前端和所述第二毛细管单元扩散部分的所述后端之间，其中所述连接部分与每个扩散部分流体连通，其中每个第二毛细管单元扩散部分的所述后端连接到所述连接部分，其中所述对应的第一毛细管单元扩散部分的所述前端连接到所述连接部分，以形成从所述第一毛细管单元扩散部分的所述前端到所述连接部分宽度逐步减小的过渡部分，并且其中所述过渡部分中的所述深度小于每个扩散部分中的所述深度，并且其中具有宽度轮廓w(x)的所述连接部分随着角度轮廓β(x)改变深度，并且具有纵横比a(x)连接＝h(x)/w(x)＞(1-cos(θ+β))/(2cosθ)＞0，其中所述扩散部分以角度从所述连接部分扩散，使得α＜π/2–θ且α＜θ，并且其中所述过渡部分的深度小于所述扩散部分的深度。
第十八特定方面包括所述第十七特定方面，其中所述连接部分在所述前向方向上的深度增加，其中角度轮廓β(x)≥0。
第十九特定方面包括所述第十七和/或第十八方面，其中所述连接部分在所述前向方向上深度增加，其中恒定角度β≥0。
第二十特定方面包括方面17至19中的一个或多个，其中所述过渡部分停止流体克服流体静压或重力压力在所述后向方向上输送。
在不脱离本公开的精神和范围的情况下，本公开的这些和其他修改和变型可由本领域的普通技术人员实践，在所附权利要求中对此更具体地描述。此外，应当理解，本公开的各个方面中的方面可以整体或部分地互换。此外，本领域的普通技术人员将会知道，上述描述仅仅是举例，并非意图限制此类所附权利要求书中进一步描述的本公开。
Claims (20)
1.一种用于被动定向流体输送的毛细管结构，所述结构包括：
毛细管，所述毛细管具有在x-y平面中延伸的前向方向和后向方向以及在z方向上延伸的深度，所述毛细管包括第一毛细管单元和第二毛细管单元，每个毛细管单元具有扩散部分，所述扩散部分具有后端、前端和y方向上的宽度，其中所述宽度从所述后端到所述前端增加，
连接部分，所述连接部分插入在第一毛细管单元扩散部分的所述前端和第二毛细管单元扩散部分的所述后端之间，
其中所述第二毛细管单元扩散部分的所述后端连接到所述连接部分，其中所述第一毛细管单元扩散部分的所述前端连接到所述连接部分，以形成从所述第一毛细管单元扩散部分的所述前端到所述连接部分宽度阶梯式减小的过渡部分，并且其中所述过渡部分中的所述深度小于每个扩散部分中的所述深度。
2.如权利要求1所述的毛细管结构，其中在每个扩散部分中从所述后端到所述前端的宽度增加是线性的。
3.如权利要求1所述的毛细管结构，其中所述连接部分与每个扩散部分流体连通。
4.如权利要求3所述的毛细管结构，其中所述过渡部分中的所述深度小于或等于所述连接部分中的所述深度。
5.如权利要求1所述的毛细管结构，其中所述毛细管在所述z方向上至少部分打开。
6.如权利要求1所述的毛细管结构，其中每个扩散部分构造成在所述前向方向上引起凹形液体弯月面，并且其中所述过渡部分在所述后向方向上引起具有凸形液体弯月面或无限曲率半径的直形液体弯月面。
7.如权利要求1所述的毛细管结构，还包括多个彼此平行设置的毛细管。
8.如权利要求7所述的毛细管结构，其中每个毛细管没有与另一毛细管的互连。
9.如权利要求1所述的毛细管结构，其中所述毛细管是亲水的或亲脂的。
10.如权利要求1所述的毛细管结构，其中所述过渡部分停止在所述后向方向上的流体输送。
11.如权利要求1所述的毛细管结构，其中所述过渡部分停止流体克服重力或流体静压在所述后向方向上输送。
12.如权利要求1所述的毛细管结构，其中所述深度经历从所述扩散部分到所述过渡部分的阶跃变化。
13.如权利要求1所述的毛细管结构，其中所述深度经历从所述扩散部分到所述过渡部分的斜坡变化。
14.一种用于定向输送具有接触角的流体的基底，所述基底包括用于被动定向流体输送的毛细管结构，所述毛细管结构包括多个毛细管，每个毛细管具有在x-y平面上延伸的前向方向和后向方向以及在z方向上延伸的深度，每个毛细管包括第一毛细管单元和第二毛细管单元，每个毛细管单元具有扩散部分，所述扩散部分具有后端、前端和y方向上的宽度，其中所述宽度从所述后端到所述前端增加，
进一步在每个毛细管中包括插入在第一毛细管单元扩散部分的所述前端和第二毛细管单元扩散部分的所述后端之间的连接部分，
其中每个第二毛细管单元扩散部分的所述后端连接到所述连接部分，其中所述第一毛细管单元扩散部分的所述前端连接到所述连接部分，以形成从所述第一毛细管单元扩散部分的所述前端到所述连接部分宽度阶梯式减小的过渡部分，并且其中所述过渡部分中的所述深度小于每个扩散部分中的所述深度。
15.如权利要求14所述的基底，其中所述连接部分与每个扩散部分流体连通。
16.如权利要求15所述的基底，其中所述过渡部分中的所述深度小于或等于所述连接部分中的所述深度。
17.一种用于流体的被动定向输送的毛细管结构，所述流体相对于所述毛细管结构具有接触角𝜃，所述结构包括：
毛细管，所述毛细管具有在x-y平面中延伸的前向方向和后向方向以及在z方向上延伸的深度，所述毛细管包括第一毛细管单元和第二毛细管单元，每个毛细管单元具有扩散部分，所述扩散部分具有后端、前端和y方向上的宽度，其中所述宽度从所述后端到所述前端线性增加；
连接部分，所述连接部分插入在第一毛细管单元扩散部分的所述前端和第二毛细管单元扩散部分的所述后端之间，其中所述连接部分与每个扩散部分流体连通，
其中所述第二毛细管单元扩散部分的所述后端连接到所述连接部分，其中所述第一毛细管单元扩散部分的所述前端连接到所述连接部分，以形成从所述第一毛细管单元扩散部分的所述前端到所述连接部分宽度阶梯式减小的过渡部分，并且其中所述过渡部分中的所述深度小于每个扩散部分中的所述深度，并且
其中具有宽度轮廓w(x)的连接部分随着深度方向的角度轮廓β(x)改变深度h(x)，并且具有纵横比= h(x)/w(x) > (1-𝑐𝑜𝑠(𝜃+β))/(2 𝑐𝑜𝑠𝜃) > 0，其中扩散部分以宽度方向的角度𝛼从连接部分扩散，使得𝛼 < π/2 – 𝜃且𝛼 < 𝜃，并且其中过渡部分的深度小于扩散部分的深度。
18.如权利要求17所述的毛细管结构，其中所述连接部分在所述前向方向上的深度增加，其中角度轮廓β(x) ≥ 0。
19.如权利要求17所述的毛细管结构，其中所述连接部分在所述前向方向上的深度增加，恒定角度β≥0。
20.如权利要求17所述的毛细管结构，其中所述过渡部分停止流体克服流体静压或重力压力在所述后向方向上输送。
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