CN111604018A - 一种引发液滴定向自弹跳的薄膜及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种引发液滴定向自弹跳的薄膜及其制备方法与应用，其中，所述引发液滴定向自弹跳的薄膜包括：多个阵列排布的三维结构单元；其中，所述三维结构单元的表面轮廓形状为预设图案；所述预设图案关于垂直于预设液滴弹跳方向的直线不对称；所述三维结构单元的表面为疏水表面。本发明中所述三维结构单元的表面轮廓形状为关于垂直于预设液滴弹跳方向的直线不对称的图案，会对滴落的液滴产生不对称的拉普拉斯压强，从而使液滴形成预定向运动的速度，同时结合所述三维结构单元的疏水表面，实现液滴的定向远距离弹跳运输。

Description

一种引发液滴定向自弹跳的薄膜及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及液滴驱动领域，尤其涉及一种引发液滴定向自弹跳的薄膜及其制备方法与应用。
背景技术
近年来，对于能够定向驱动液滴的材料的研究越来越多，大部分都是在外场的作用下定向驱动，比如电场、磁场等。自发驱动液滴的表面，是指液滴能够不依靠外力实现液滴进行定向运动的表面。具体地，表面张力可以用来克服重力作为引导液滴运动的工具，例如，化学梯度已经被用来驱动水滴上坡，但是具有典型的低速度特征。到目前为止，现有的定向驱动液滴的材料制备方法存在加工过程复杂，分辨率低，难以大面积制造，以及液滴的运输距离有限等问题。现有的材料难以实现液滴的定向弹跳运输以及存在定向弹跳距离有限的技术问题。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种引发液滴定向自弹跳的薄膜及其制备方法与应用，旨在解决现有材料难以实现液滴的定向弹跳运输的问题。
一种引发液滴定向自弹跳的薄膜，其中，包括：多个阵列排布的三维结构单元；
所述三维结构单元的表面轮廓形状为预设图案；
所述预设图案关于垂直于预设液滴弹跳方向的直线不对称；
所述三维结构单元的表面为疏水表面。
所述的引发液滴定向自弹跳的薄膜，其中，所述预设图案包括梯形、三角形、扇形、月牙形、五边形中的一种或多种。
所述的引发液滴定向自弹跳的薄膜，其中，所述的三角形为等腰三角形。
所述的引发液滴定向自弹跳的薄膜，其中，所述等腰三角形的顶角夹角为15-60°。
所述的引发液滴定向自弹跳的薄膜，其中，所述疏水表面为具有微米级凹凸结构的表面。
一种引发液滴定向自弹跳的薄膜的制备方法，其中，包括：
提供薄膜板；
对所述薄膜板的表面进行激光扫描处理，在所述薄膜板上形成疏水表面，得到疏水薄膜板；
将疏水薄膜板采用飞秒激光技术加工出阵列排布的多个如上所述三维结构单元，得到引发液滴定向自弹跳的薄膜。
所述的引发液滴定向自弹跳的薄膜的制备方法，其中，所述薄膜板为金属薄膜板、硅薄膜板中的一种。
所述的引发液滴定向自弹跳的薄膜的制备方法，其中，所述提供薄膜板，还包括：
将薄膜板进行抛光处理；
将抛光处理后的薄膜板进行洗涤和干燥。
所述的引发液滴定向自弹跳的薄膜的制备方法，其中，所述飞秒激光技术中的振镜扫描速度为0.1mm/s-30m/s。
一种如上所述的引发液滴定向自弹跳的薄膜在制备微化学反应器中的应用。
有益效果：本发明中所述三维结构单元的表面轮廓形状为关于垂直于预设液滴弹跳方向的直线不对称的图案，会对滴落的液滴产生不对称的拉普拉斯压强，从而产生一个定向弹跳运动的速度，同时结合所述三维结构单元的疏水表面，实现液滴的定向远距离弹跳运输。
附图说明
图1为本发明所述引发液滴定向自弹跳的薄膜中梯形三维结构单元阵列排布的示意图。
图2为本发明所述引发液滴定向自弹跳的薄膜中三角形三维结构单元阵列排布的示意图。
具体实施方式
本发明提供一种引发液滴定向自弹跳的薄膜及其制备方法与应用，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
自然界不乏具容易使液滴滚离或定向驱动液滴功能的生物体表面。例如，荷叶表面具有微米纳米复合的突起结构，液滴在其表面受到小的黏滞阻碍而可以自由滚离，使其具有自清洁功能；又如，蝴蝶翅膀不仅光彩绚丽美观，其表面具有微米级鳞片形成的不对称锯齿结构，液滴在这种结构各向异性的表面可以快速定向滚离，从而减轻自身重量保持翅膀干燥；在如，黑麦草表面具有棘齿结构，液滴在其表面可以定向滚离。
本发明提出一种引发液滴定向自弹跳的薄膜，其中，包括：多个阵列排布的三维结构单元；
所述三维结构单元的表面轮廓形状为预设图案(也称不对称图案)；
所述预设图案关于垂直于预设液滴弹跳方向的直线不对称；
所述三维结构单元的表面为疏水表面。
如图1及图2所示，本发明中所述三维结构单元具有立体结构，具体地所述三维结构单元具有上表面1(简称表面)、下底面以及侧面2。多个所述三维结构单元进行规律性地阵列排布，形成了所述引发液滴定向自弹跳的薄膜。
本发明中所述三维结构单元的表面1轮廓形状为关于垂直于预设液滴弹跳方向不对称的图案，其中，所述三维结构单元的表面1轮廓形状是指所述三维结构单元表面1的外部轮廓形成的形状，不包含所述三维结构单元外部轮廓范围内具有的形状。所述预设的液滴弹跳方向通常是指所述液滴弹跳时分解在所述三维结构单元表面1所在平面的运动方向。所述垂直于预设的液滴弹跳方向的直线是指，在所述三维结构单元的表面1所在平面内，所述直线垂直于所述预设的液滴弹跳方向。
由于薄膜中所述三维结构单元的表面1轮廓形状为关于垂直于预设液滴弹跳方向不对称的图案，当液滴降落在薄膜上与其接触的瞬间，液滴的一侧与薄膜表面的实际接触面积小于另一侧与薄膜表面的实际接触面积，会对液滴产生不对称的拉普拉斯压强，实现液滴自发的定向弹跳运动。
具体地，液滴在掉落到薄膜表面的时候发生碰撞和弹跳，在与薄膜表面接触的瞬间，液滴沿着表面铺展，由于所述三维结构单元的表面轮廓形状为关于垂直于预设液滴弹跳方向不对称的图案，液滴呈现各向异性润湿特性，且液滴在弹起瞬间，由于液滴左右两侧表面张力不对称，其中一侧收缩比另一侧收缩快，不同的收缩速度使得液滴在弹跳的瞬间呈现不对称的形状，两侧的表观接触角不同，说明三维结构单元对液滴两侧的粘附力不同，这种不对称的粘附力产生一个定向运动的速度，因此液滴在掉落接触薄膜表面后，弹跳起的瞬间会同时自发的定向弹跳运动。
本发明中所述三维结构单元的表面1为疏水表面，具体地为超疏水表面，提高液滴弹跳效果。也就是说，本发明所述薄膜的表面为粗糙表面。
本发明中所述三维结构单元的表面1轮廓形状为关于垂直于预设液滴弹跳方向的直线不对称的图案，会对滴落的液滴产生不对称的拉普拉斯压强，从而形成预定方向运动的速度，同时结合所述三维结构单元的疏水表面，实现液滴的定向远距离弹跳运输。
所述预设图案是关于垂直于预设液滴弹跳方向的直线不对称，其目的是对滴落的液滴产生不对称的拉普拉斯压强，从而产生一个定向弹跳运动的速度。在本发明的一个实施方式中，所述预设图案包括如图1所示梯形、如图2所示三角形、扇形、月牙形、五边形。本发明所述图案不限于上述形状的预设图案，还可以是其他的多边形，例如奇数多边形。
在发明的一个实施方式中，所述的三角形为等腰三角形。如图2所示，等腰三角形的三维结构单元排布成多行多列的阵列，例如10行10列；具体地，所述薄膜的阵列中，所述等腰三角形的顶角相对位于左侧，而所述等腰三角形的底边位于右侧。液滴在掉落到薄膜表面的时候发生碰撞和弹跳，在与薄膜表面接触的瞬间，液滴沿着表面铺展，由于薄膜表面为三维立体的三角形阵列结构，液滴呈现各向异性润湿特性。液滴在弹起瞬间，由于液滴左右两侧表面张力不对称，左侧收缩比右侧快，不同的收缩速度使得液滴在弹跳的瞬间呈现不对称的形状，左侧的表观接触角大于右侧的表观接触角，说明左侧对液滴的粘附力小于右侧，这种不对称的粘附力产生一个向右侧运动的速度，因此液滴在掉落接触薄膜表面后，弹跳起的瞬间会同时自发的向右侧运动。
在发明的一个实施方式中，所述等腰三角形的顶角夹角为15-60°。试验发现，当所述等腰三角形顶角夹角在15-60°度，液滴的远距离运输的效果较好。具体地，所述等腰三角形的顶角夹角为30°、40°、50°。
在发明的一个实施方式中，所述疏水表面为具有微米级凹凸结构的表面。本发明在所述三维结构单元表面形成微米级凹凸结构(粗糙结构)，或在所述三维结构单元表面形成微米级锯齿结构，从而获得超疏水表面。
进一步地，在发明的一个实施方式中，所述引发液滴定向自弹跳的薄膜还包括：高度高于所述三维结构单元的调节结构单元，用于调节液滴弹跳方向的稳定性。具体地，所述调节结构单元的高度比所述三维结构单元的高度高1μm-1mm，所述调节结构单元的上表面同样为疏水表面，此外，所述调节结构单元的上表面大于下底面的宽度的长条形结构。在所述薄膜中，所述三维结构单元与所述调节单元相间排布形成阵列，例如所述三维结构单元在预设的液滴弹跳方向排成多列，两两相邻列的三维结构单元之间间隔有一列调节结构单元，从而控制滴落的液滴进入两列调节结构单元之间并与三维结构单元表面相接触，进而通过三维结构单元驱动液滴定向弹跳运动。
从微纳米加工的角度讲，在设计和制造用于引发液滴定向自弹跳的薄膜过程相对比较复杂，且加工灵活性比较低。因此，开发能够超越大自然并能灵活精准的实现定向无源自驱动、长距离输运的人工薄膜结构是目前面临的主要挑战。
基于此，本发明提供一种引发液滴定向自弹跳的薄膜的制备方法，其中，包括：
S100、提供薄膜板；
S200、对所述薄膜板的表面进行激光扫描处理，在所述薄膜板上形成疏水表面，得到疏水薄膜板；
S300、将疏水薄膜板采用飞秒激光技术加工出多个如上所述三维结构单元，得到引发液滴定向自弹跳的薄膜。
飞秒激光技术在切割、打孔方面具有独特的优势，可以冷加工出非常平整的切面，可以可控的加工出任意形状的三维结构，相比于电子束刻蚀、离子束刻蚀、湿法刻蚀等传统的三维结构加工方式，飞秒激光技术是加工出这种结构的最佳工具。与目前已有的技术相比，飞秒激光技术在设计和制造过程方面相对比较简单，加工灵活性比较高，能够制备得到具有上述三维结构单元的薄膜，从而灵活精准地实现液滴的定向无源自驱动、长距离输运。
可见，本发明提供了一种在疏水基体上实现液滴定向自弹跳的方法，在此，基于飞秒激光加工技术的出色的三维加工的能力，提出一种由周期性不对称图案微阵列组成的微各向异性疏水表面，使微滴在引导方向上进行相对长距离的跳跃传输。
在发明的一个实施方式中，所述薄膜板为金属薄膜板、硅薄膜板中的一种。具体地，所述薄膜板为金属或者合金，例如不锈钢、铝合金、钛合金等，所述薄膜板还可以是硅薄膜板。
在发明的一个实施方式中，所述S100，具体包括：
S101、将薄膜板进行抛光处理；
S102、将抛光处理后的薄膜板进行洗涤和干燥。
本发明对所述薄膜板的表面进行抛光预处理，得到表面抛光后的薄膜板；再将抛光处理后的薄膜板进行洗涤和干燥，去除残留的污染物，得到平整且光亮的薄膜板。
所述S200中，通过激光扫描技术在所述薄膜板的表面形成微米级的凹凸结构，从而得到具有疏水表面的薄膜板。所述激光扫描技术可以是超快激光扫描技术。
所述S300中，通过飞秒激光加工技术对所述薄膜板进行刻写，从而在薄膜板的表面获得设计的三维结构单元。在本发明的一个实施方式中，所述飞秒激光技术中的振镜扫描速度为0.1mm/s-30m/s。
具体地，所述引发液滴定向自弹跳的薄膜的制备方法包括如下步骤：
步骤一，将待处理的铝合金薄膜板表面进行抛光预处理，得到表面抛光后的铝合金薄膜板；
步骤二，将步骤一所述表面抛光后的铝合金薄膜板放在盛有去离子水的超声波清洗仪中清洗，然后用无水乙醇清洗，清洗干净后，将所述铝合金薄膜板表面用冷风吹干或室温自然晾干，得到洁净的铝合金薄膜板；
步骤三，利用激光加工技术，采用超快激光器调节好相关的工艺参数后对步骤二所述得到的洁净铝合金薄膜板的表面进行激光扫描处理，在样品表面构建微米级粗糙结构，获得具有疏水表面的铝合金薄膜板；
步骤四，将步骤三所述得到的铝合金薄膜板继续用飞秒激光加工出三维结构单元组成的阵列，得到表面带有疏水表面的三维结构单元阵列薄膜。
将水滴滴落在步骤四所得薄膜，水滴将沿着设定方向跳跃式前进。
其中，步骤三和步骤四所述激光扫描采用振镜系统进行光束扫描，振镜扫描的速度为0.1mm/s-30m/s，例如100mm/s，激光的通断及振镜系统的扫描范围、扫描轨迹和加工速度均由计算机程序控制和设定；或所述激光扫描使用运动平台系统实现，将光束固定，薄膜板相对光束运动，平台运动的速度为0.1mm/s-3m/s，例如100mm/s，激光的通断、平台运动轨迹和速度均由计算机程序控制和设定；其中，步骤三所述的超快激光器波长小于或等于1000nm，例如500nm，所述激光加工参数为：脉宽大于或等于30fs，例如35fs，单脉冲能量小于或等于0.1mJ，例如0.05mJ。
此外，本发明还提供一种刻蚀法制备引发液滴定向自弹跳的薄膜的方法，具体包括：
提供钛合金薄膜板；
通过激光直写技术将所述不对称图案刻写的钛合金薄膜板上，得到图案化的钛金属层；
将得到的图案化的钛金属层浸入质量分数为8％的氟化氢稀释液，所述二氧化钛对氟化氢稀释液具有抗刻蚀作用，刻蚀后可得到带有三维结构单元阵列排布的薄膜；
对带有三维结构单元阵列排布的薄膜表面作进一步疏水处理，得到引发液滴定向自弹跳的薄膜。
所述进一步疏水处理具体可采用利用激光加工技术在带有三维结构单元阵列排布的薄膜表面制作微米级凹凸结构。
本发明所述薄膜能够实现液滴的长距离弹跳运输，基于此本发明提供一种如上所述的引发液滴定向自弹跳的薄膜在制备微化学反应器中的应用。此外，所述引发液滴定向自弹跳的薄膜还可以实现在制备集雾器件、热传导器件、微流控制器件及防冰器件中的应用。
本发明提供了一种可引发液滴定向自弹跳的薄膜及其制备方法，解决了现有液滴定向驱动中，运动速度慢，需要外力辅助，薄膜器件加工过程复杂，分辨率低，难以大面积制造，对液滴的远输距离有限等问题。
本发明基于液滴在拉普拉斯压强下可以自发的沿着某一个方向运动的基本原理，通过加工不对称的三维结构，当液滴掉落并接触样品表面的瞬间，通过结构特性来引发液滴在弹起的瞬间有一个驱动力，引发液滴能不断沿着预设的方向进行自弹跳。本发明可以改变传统的依靠二维表面的表面能梯度来驱动液滴的方案中液滴运动速度慢、驱动距离有限这一技术瓶颈。并且相比其他加工方式，本发明所述飞秒激光技术加工灵活，分辨率高，可加工三维结构，实现带有疏水特性表面的三角形阵列的加工，方法十分简单、方便，整个加工过程不需要掩模。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种引发液滴定向自弹跳的薄膜，其特征在于，包括：多个阵列排布的三维结构单元；
其中，所述三维结构单元的表面轮廓形状为预设图案；
所述预设图案关于垂直于预设液滴弹跳方向的直线不对称；
所述三维结构单元的表面为疏水表面。
2.根据权利要求1所述的引发液滴定向自弹跳的薄膜，其特征在于，所述预设图案包括梯形、三角形、扇形、月牙形、五边形中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的引发液滴定向自弹跳的薄膜，其特征在于，所述的三角形为等腰三角形。
4.根据权利要求3所述的引发液滴定向自弹跳的薄膜，其特征在于，所述等腰三角形的顶角夹角为15-60°。
5.根据权利要求1所述的引发液滴定向自弹跳的薄膜，其特征在于，所述疏水表面为具有微米级凹凸结构的表面。
6.一种引发液滴定向自弹跳的薄膜的制备方法，其特征在于，包括：
提供薄膜板；
对所述薄膜板的表面进行激光扫描处理，在所述薄膜板上形成疏水表面，得到疏水薄膜板；
将疏水薄膜板采用飞秒激光技术加工出阵列排布的多个如权利要求1所述三维结构单元，得到引发液滴定向自弹跳的薄膜。
7.根据权利要求6所述的引发液滴定向自弹跳的薄膜的制备方法，其特征在于，所述薄膜板为金属薄膜板、硅薄膜板中的一种。
8.根据权利要求6所述的引发液滴定向自弹跳的薄膜的制备方法，其特征在于，所述提供薄膜板，还包括：
将薄膜板进行抛光处理；
将抛光处理后的薄膜板进行洗涤和干燥。
9.根据权利要求6所述的引发液滴定向自弹跳的薄膜的制备方法，其特征在于，所述飞秒激光技术中的振镜扫描速度为0.1mm/s-30m/s。
10.一种如权利要求1所述的引发液滴定向自弹跳的薄膜在制备微化学反应器中的应用。
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