CN112171064A - 基于飞秒激光制备的光控驱动微流传输系统 - Google Patents

基于飞秒激光制备的光控驱动微流传输系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于飞秒激光制备的光控驱动微流传输系统，属于激光应用技术领域。本发明在聚合物基底材料表层加工出规则排列的锥体结构；所有锥体结构的同一侧制备有薄片材料；连续激光照射聚合物基底表面，激光辐照区域的锥体结构向同一侧倾斜形成固液接触面处表面张力的差值，从而驱动液滴移动；当连续激光辐照表面锥体阵列结构时，由于AuNPs的光局部增强以及RGO的高光热转化特性，拥有AuNPs&RGO薄片的表面迅速光热引发局部热膨胀导致光辐照区域的结构向同一侧倾斜，形成固液接触面处表面张力的差值，驱动液滴向结构倾斜方向移动。通过控制激光位置可灵活实现液滴在结构表面按指定轨迹移动。该光控驱动微流传输系统将在微流控等领域具有广泛的应用前景。

Description

基于飞秒激光制备的光控驱动微流传输系统
技术领域
本发明涉及一种基于飞秒激光制备的光控驱动微流传输系统，属于激光应用技术领域。
背景技术
近些年来，研究发现控制固体表面上的液滴移动不仅会产生有趣的科学现象，而且有望在各种传热、微型发动机以及微流体技术中得到可行的应用。目前，已经有多种技术被报道用来实现固体表面上液滴的可控移动。例如电湿润技术通过施加电场来控制液滴的接触角从而实现液滴的移动，其具有低能耗、响应速度快等优势。然而，高压源和控制电路的使用增加了微流体系统的复杂性，阻碍了该技术的扩展应用。磁控技术通过改变磁场位置来控制超顺磁微液滴的位移，然而，磁纳米粒子的掺杂不利于药物传递应用等。
随着微纳制造技术的发展，已有研究通过表面微观结构设计来破坏液滴的润湿对称性以及固液界面表面张力的梯度变化，从而实现液滴的定向运输。纳米压印、光刻以及聚焦离子束等工艺为表面结构的制备提供了常规手段，但往往存在材料适应性差、工序复杂、难实现可控加工等挑战。飞秒激光具有超快超强的特性，已成为表面微纳结构最有潜力的加工方法之一。通过飞秒激光直写技术可灵活高效的在材料表面加工微槽、微纳复合结构等，诱导固液界面表面张力的梯度变化并实现液滴的定向传输应用。然而，基于该技术制备的表面结构形貌很难实现后期的有效控制，从而导致液滴的传输路径单一固定，极大地限制了其实用性和应用前景。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有微流传输可控性差、重复利用性弱、应用局限大等问题，提供一种基于飞秒激光制备的光控驱动微流传输系统；该系统基于飞秒激光直写技术加工，无需掩膜、真空环境等。同时，系统具有自恢复和自清洁性能，可多次重复用于可控液滴传输。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
基于飞秒激光制备的光控驱动微流传输系统，通过飞秒激光在聚合物基底材料表层加工出规则排列的微纳锥体结构；所述所有锥体结构的同一侧制备有AuNPs&RGO薄片材料；连续激光照射聚合物基底表面，激光辐照区域的锥体结构向同一侧倾斜形成固液接触面处表面张力的差值，从而驱动液滴移动；
所述锥体结构的锥顶角大小为30°～70°。
系统的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：聚焦飞秒激光光束辐照聚合物材料表面，并在纵横两个垂直方向上进行飞秒激光扫描直写加工，形成微纳双尺度锥体阵列结构。该阵列结构表面具有超疏水和自清洁特性。
步骤2：在步骤1加工的结构表面基础上，均匀旋涂一层金纳米颗粒和氧化石墨烯的混合物(AuNPs&GO)薄层；使用激光还原技术在锥体阵列的单一侧表面还原/掺杂高效光热转换的纳米材料(AuNPs&RGO薄片)；清洗未经激光处理的混合涂层；形成光控驱动微流传输表面。
步骤3：使用连续激光照射步骤2制备的基底表面，激光辐照区域的锥体结构向同一侧倾斜形成固液接触面处表面张力的差值，从而驱动液滴移动。
一种基于飞秒激光制备的光控驱动微流传输系统装置，包括飞秒激光器、能量调节装置、机械快门、超快反射镜、二向色镜、聚焦物镜、分束镜、宽带光源、CCD、高精度位移平台、程控计算机等；
连接关系：飞秒激光器发出飞秒脉冲依次通过能量调节装置和机械快门，并由超快反射镜引导入射聚焦物镜。飞秒脉冲经由聚焦物镜聚焦后辐照安置在高精度位移平台上的材料表面，并通过程控计算机控制位移平台的运功速度与轨迹实现直写加工和还原。宽带光源依次经过分束镜、二向色镜和聚焦物镜辐照样品表面，随后反射光原路返回并经过分束镜入射CCD，实现加工过程的实时监控。
工作过程：
(1)飞秒激光器发射激光脉冲，通过能量调节装置进行能量控制，通过机械快门控制激光的通断；
(2)激光脉冲经由聚焦物镜聚焦后辐照样品表面；
(3)待加工样品被安置在高精度位移平台上，通过程控计算机编程实现预设定轨迹/速度的可控移动，并联合控制机械快门实现材料表面微纳复合结构的直写加工；
(4)使用飞秒激光直写技术配合高精度位移平台和快门的联合控制，在微纳结构的单一侧面局部还原/掺杂高效光热转换的纳米材料，形成光控驱动微流传输表面。
(5)通过连续激光照射基底结构，拥有光热转换纳米材料的表面被快速加热，诱导聚合物结构局部热膨胀导致结构形貌变化并向同一侧倾斜，形成固液接触面处表面张力的差值，从而驱动液滴向结构倾斜方向移动。
(6)通过移动激光位置诱导微纳阵列结构形态的定点倾斜与恢复，灵活实现液滴在结构表面按指定轨迹移动。
有益效果
1、本发明的一种基于飞秒激光直写技术制备的光控驱动微流传输系统，通过设计连续激光的辐照轨迹可灵活控制液滴按照指定路径移动，实现了微流的灵活可控运输，将在微流驱动、药物传递等领域有巨大应用潜力。
2、本发明的一种基于飞秒激光直写技术制备的光控驱动微流传输系统，采用非真空、无掩模的加工工艺，使得本发明的系统制备简单、灵活、高效。
3、本发明制备的结构表面具有超疏水特性，使其具有很好的自清洁效果，可实现重复多次使用。
4、本发明的一种基于飞秒激光直写技术制备的光控驱动微流传输系统，响应速度快，有效促进了其在微流控领域的应用范围。
附图说明
图1为本发明一种基于飞秒激光制备的光控驱动微流传输系统的实验加工光路示意简图；
图2激光直写制备光控驱动微流传输表面的流程示意图；
图3为光控驱动微流传输的示意图。
其中，1-飞秒激光器、2-能量调节装置、3-机械快门、4-二向色镜、5-聚焦物镜、6-样品、7-高精度位移平台、8-宽带光源、9-CCD、10-分束镜、11-程控计算机。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种基于飞秒激光制备的光控驱动微流传输系统，包括如下步骤：
(1)飞秒激光器1产生飞秒脉冲激光，脉冲持续时间为50fs，中心波长为800nm。通过能量调节装置2对入射激光能量进行控制，通过机械快门3控制激光的通过与否。
(2)飞秒激光依次经过能量调节装置2和机械快门3后由超快反射镜4引导入射4x聚焦物镜5，并由聚焦物镜聚焦后辐照安置在高精度位移平台7上的样品5的表面。通过程控计算机11控制位移平台的运功速度与轨迹实现直写加工和还原。宽带光源8依次经过分束镜10、二向色镜4和聚焦物镜5辐照样品表面，随后反射光原路返回并经过分束镜10入射CCD9，实现加工过程的实时监控。
(3)附图2展示了激光直写制备光控驱动微流传输表面的流程示意图。如附图2(I)所示，飞秒激光经聚焦物镜聚焦后辐照PDMS表面，通过程控计算机控制位移平台带动样品在在纵横两个垂直方向上移动实现激光扫描直写加工，形成微纳双尺度锥体阵列结构。该阵列结构表面表现出优越的超疏水特性(附图2(II))。随后，在阵列结构表面均匀旋涂一层含有金纳米颗粒(AuNPs)和氧化石墨烯(GO)的混合液并烘干，形成AuNPs&GO混合物薄层(附图2(III))。最后，如附图2(IV)所示，使用飞秒脉冲在阵列结构的单一同向侧面局部直写还原GO形成AuNPs&RGO薄片，最终形成了单一同向侧面掺有AuNPs&RGO薄片的PDMS锥体阵列结构表面(附图2(V))。该特性表面具有超疏水特性，并且可以通过光控驱动灵活实现液滴的定向传输。
(4)附图3展示了基于步骤(3)得到的基底表面实现光控驱动微流传输的基本原理示意图。由于AuNPs具有很强的局部光增强效应、RGO具有非常高的光热转化特性，使得光照情况下AuNPs&RGO薄片会被快速加热到很高温度。因此，当连续激光辐照表面锥体阵列结构时，拥有AuNPs&RGO薄片的表面由光热迅速引发局部膨胀，导致光辐照区域的结构向同一侧倾斜并与未辐照区域形成固液接触面处表面张力差。该表面张力差可驱动液滴向结构倾斜方向移动，实现了光控驱动微流传输。同时，当入射连续激光以一定速度划过任意路径时，如英文字母“S”形，液滴将按照该指定路径传输移动(附图3(III))。
实施例2
一种基于飞秒激光制备的光控驱动微流传输系统，包括如下步骤：
(1)如附图1所示，掺钛蓝宝石激光器1产生脉宽为50fs、中心波长为800nm的脉冲激光。能量控制装置2将入射激光能量控制为10mW，并通过机械快门3控制激光通过与否。
(2)飞秒激光依次通过能量控制装置2及机械快门3入射至二向色镜4，经二向色镜4反射入射至4x聚焦物镜5，并经由物镜聚焦在安装于高精度平移台7上的样品5表面。通过程控计算机11控制平移台7的运动速度与运动轨迹，实现激光直写加工/还原。
(3)宽带光源8依次经过分束镜10、二向色镜4及聚焦物镜5辐照至样品表面，经样品表面反射后依次经过聚焦物镜5、二向色镜4、分束镜10入射至CCD超快相机9，实现对加工过程的实时监测。
(4)如附图2(I)所示，飞秒激光经聚焦物镜聚焦后辐照在PDMS样品表面，通过程控计算机精准控制平移台在纵横两方向上扫描加工，扫描间距50μm，扫描速度500μm/s，激光重复频率1000Hz，激光聚焦焦点位于样品表面以上400μm处，以此实现对样品的高质量加工过程。
(5)经飞秒激光直写加工后，样品表面生成网格状结构表面，如附图2(I)所示。随后，将所加工样品放置于甲苯中刻蚀后清洗，最终得到微纳双尺度锥体阵列结构，该锥体结构锥顶角为40±5°，如附图2(II)所示。该阵列结构表面表现出优越的超疏水性能，其与水的静态接触角达到155±1°。
(6)将加工后的样品放置于真空环境中，在阵列结构表面均匀旋涂一层含有金纳米颗粒(AuNPs)和氧化石墨烯(GO)的混合液并烘干，形成AuNPs&GO混合物薄层(附图2(III))。随后，将样品以与平移台表面呈40°角度放置于平移台表面(保证锥体结构侧面平行于水平面)，通过程控计算机11控制平移台沿X方向与Z方向以同等速度移动，通过飞秒脉冲直写在阵列结构的单一同向侧面局部还原GO形成固定AuNPs&RGO薄片，最终制备了单一同向侧面掺有AuNPs&RGO薄片的PDMS锥体阵列结构表面(附图2(V))。最后，将样品放置于超声水浴环境中进行清洗，使得结构另一侧未被还原的AuNPs&GO混合物薄层被移除。
(7)附图3展示了基于以上步骤所得表面结构的光控驱动微流传输的基本原理。由于AuNPs具有强的局部光增强效应、RGO具有高的光热转化特性，使得光照情况下AuNPs&RGO薄层会被快速加热。当连续激光辐照表面时，拥有AuNPs&RGO薄层一侧的表面由光热迅速引发局部膨胀，导致光辐照区域的结构向没有AuNPs&RGO薄层一侧倾斜并与未辐照区域在固液接触面处形成表面张力差。该表面张力差可驱动液滴向结构倾斜方向移动，实现了光控驱动微流传输。同时，当入射连续激光以一定速度划过任意路径时，如英文字母“S”形，液滴将按照该指定路径传输移动(附图2(III))。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于飞秒激光制备的光控驱动微流传输系统，其特征在于：通过飞秒激光在聚合物基底材料表层加工出规则排列的锥体结构；所述所有锥体结构的同一侧制备有AuNPs&RGO薄片材料；连续激光照射聚合物基底表面，激光辐照区域的锥体结构向同一侧倾斜形成固液接触面处表面张力的差值，从而驱动液滴移动。
2.如权利要求1所述的基于飞秒激光制备的光控驱动微流传输系统的方法，其特征在于：所述锥体结构的锥顶角大小为30°～70°。
3.制备如权利要求1所述的基于飞秒激光制备的光控驱动微流传输系统的方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤1：聚焦飞秒激光光束辐照聚合物材料表面，并在纵横两个垂直方向上进行飞秒激光扫描直写加工，形成微纳双尺度锥体阵列结构；该阵列结构表面具有超疏水和自清洁特性；
步骤2：在步骤1加工的结构表面基础上，均匀旋涂一层金纳米颗粒和氧化石墨烯的混合物(AuNPs&GO)薄层；使用激光还原技术在锥体阵列的单一侧表面还原/掺杂高效光热转换的纳米材料(AuNPs&RGO薄片)；清洗未经激光处理的混合涂层；形成光控驱动微流传输表面；
步骤3：使用连续激光照射步骤2制备的基底表面，激光辐照区域的锥体结构向同一侧倾斜形成固液接触面处表面张力的差值，从而驱动液滴移动。
4.如权利要求1所述的基于飞秒激光制备的光控驱动微流传输系统的装置，其特征在于：包括飞秒激光器、能量调节装置、机械快门、超快反射镜、二向色镜、聚焦物镜、分束镜、宽带光源、CCD、高精度位移平台、程控计算机等；
飞秒激光器发出飞秒脉冲依次通过能量调节装置和机械快门，并由超快反射镜引导入射聚焦物镜；飞秒脉冲经由聚焦物镜聚焦后辐照安置在高精度位移平台上的材料表面，并通过程控计算机控制位移平台的运功速度与轨迹实现直写加工和还原；宽带光源依次经过分束镜、二向色镜和聚焦物镜辐照样品表面，随后反射光原路返回并经过分束镜入射CCD，实现加工过程的实时监控。
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