CN112717851A - 一种光驱动液态金属微液滴的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光驱动液态金属微液滴的装置，包括基底、导电薄膜、光敏薄膜、容器、直流电源和驱动光源，所述基底、导电薄膜、光敏薄膜依次设置，所述容器设于所述光敏薄膜上且不与所述导电薄膜接触，所述容器内设置有溶液，所述液态金属微液滴放置在所述溶液内，所述驱动光源能够将光照射在所述光敏薄膜上。本发明还公开了一种光驱动液态金属微液滴的方法。本发明能够使液态金属微液滴摆脱只能在两个固定电极之间的移动，大大增强了液态金属微液滴运动的灵活性，增大了其应用范围，本发明可精准控制液态金属微液滴的位置，并将其作为微机器人应用，可回收利用，成本低。

Description

一种光驱动液态金属微液滴的装置及方法

技术领域

本发明涉及液态金属技术领域，尤其涉及一种光驱动液态金属微液滴的装置及方法。

背景技术

液态金属通常是指室温下呈液态的金属，常见的液态金属有镓铟锡合金，镓铟锡合金是金属镓、金属铟和金属锡的共熔合金，在常温下呈液态，有很强的流动性和吸附性。镓铟锡合金具有许多优异特性，例如高的电导率和热导率、高的表面张力、极低的蒸汽压、熔点低于室温，最重要的是具有较好的生物相容性，对人体无害。

目前，驱动液态金属微液滴的方法主要是化学驱动、电场驱动以及磁场驱动。化学驱动是通过液态金属与铝等金属混合，在溶液中，铝与溶液发生化学反应从而产生大量气泡，这些气泡会成为微液滴的推力从而驱动液态金属，但由于产生气泡的不稳定性从而无法精准控制微液滴的驱动。电场驱动可实现微液滴在两固定电极之间的定向移动，但是只能向一个确定的方向运动，无法精准控制液态金属微液滴的运动位置，因而大大限制了其应用范围。磁场驱动是指液态金属微液滴通过与铁或镍的混合，可使其具有磁性，在磁场的操控下可实现微液滴在二维平面上的移动，但混合的铁或镍会与液态金属分离进而无法实现长时间地驱动液态金属微液滴。

发明内容

针对现有技术不足，本发明的目的在于提供一种光驱动液态金属微液滴的装置及方法。

为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：

一种光驱动液态金属微液滴的装置，其特征在于，包括基底、导电薄膜、光敏薄膜、容器、直流电源和驱动光源，所述基底、导电薄膜、光敏薄膜依次设置，所述容器设于所述光敏薄膜上且不与所述导电薄膜接触，所述容器内设置有溶液，所述液态金属微液滴放置在所述溶液内，所述驱动光源能够将光照射在所述光敏薄膜上。

作为本发明的进一步改进，所述导电薄膜为氧化铟锡导电膜。

作为本发明的进一步改进，所述光敏薄膜的材料采用氧钛酞菁。

作为本发明的进一步改进，所述基底为硅硼基基片玻璃。

作为本发明的进一步改进，所述容器为中空的长方体通道。

作为本发明的进一步改进，所述容器的材质为聚二甲基硅氧烷。

作为本发明的进一步改进，所述溶液为氢氧化钠溶液。

作为本发明的进一步改进，所述驱动光源采用波长为650nm的激光笔。

一种光驱动液态金属微液滴的方法，使用所述的装置，包括以下步骤：

(1)将液态金属微液滴放置于容器内，在容器内倒入溶液，溶液的液面高度能够使得溶液浸没液态金属微液滴；

(2)将直流电源的正极、负极分别与导电薄膜、溶液相连；

(3)使用驱动光源照射在光敏薄膜上，产生一个光斑，液态金属微液滴向光斑处移动。

作为本发明的进一步改进，所述直流电源的负极与光斑之间的距离范围在4-10cm。

本发明的有益效果是：

本发明能够使液态金属微液滴摆脱只能在两个固定电极之间的移动，大大增强了液态金属微液滴运动的灵活性，增大了其应用范围，本发明可精准控制液态金属微液滴的位置，并将其作为微机器人应用，可回收利用，成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的优选实施例的基底、导电薄膜、光敏薄膜的结构示意图；

图2为本发明的优选实施例的容器的结构示意图；

图3为本发明的优选实施例的结构示意图；

图4为本发明的优选实施例的液态金属微液滴放置在溶液中的结构示意图；

图5为本发明的优选实施例的直流电源的正极、负极分别与导电薄膜、溶液连接的结构示意图；

图6为本发明的优选实施例的实验图；

图中：8、液态金属微液滴，10、基底，12、导电薄膜，14、光敏薄膜，16、容器，18、直流电源，20、驱动光源，22、溶液，24、光斑。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明可以用来对液态金属微液滴进行光学驱动。不仅限于此，更多的基于闭合电场驱动原理的实验，本发明都具有应用潜力。

如图1-图5所示，一种光驱动液态金属微液滴8的装置，包括基底10、导电薄膜12、光敏薄膜14、容器16、直流电源18和驱动光源20，基底10、导电薄膜12、光敏薄膜14依次设置，容器16设于光敏薄膜14且不与导电薄膜12接触，容器16内设置有溶液22，液态金属微液滴8放置在溶液22内，驱动光源20能够将光照射在光敏薄膜14上。

本发明优选基底10为硅硼基基片玻璃，但并不局限于硅硼基基片玻璃，也可以为硅基底或云母片。

本发明优选导电薄膜12为氧化铟锡(ITO)导电膜，但并不局限于氧化铟锡(ITO)导电膜，也可以为金薄膜或铂薄膜。

进一步优选导电薄膜12的大小为10cm×10cm。

本发明优选光敏薄膜14的材料采用氧钛酞菁(TiOPc)，但并不局限于氧钛酞菁(TiOPc)，也可以为氢化非晶硅(a-Si:H)薄膜或其它光敏材料。

本发明优选容器16为中空的长方体通道。进一步优选长方体通道的内壁尺寸为7cm×7cm×4cm。

进一步优选容器16的材质为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，成本低廉，使用简单，但并不局限于聚二甲基硅氧烷(PDMS)，也可以为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。

进一步优选容器16采用3D打印技术制作而成。

本发明优选溶液22为氢氧化钠溶液，但并不局限于氢氧化钠溶液，也可以为氢氧化钙溶液，或者其它不与液态金属微液滴8发生强反应的碱性溶液。

本发明优选驱动光源20采用波长为650nm的激光笔，为驱动液态金属微液滴8提供光信号，但并不局限于波长为650nm的激光笔，也可以为650-800nm的光源。

以下介绍本发明的方法，一种光驱动液态金属微液滴8的方法，使用上述装置，包括以下步骤：

(1)将液态金属微液滴8放置于容器16内，在容器16内倒入溶液22，溶液22的液面高度能够使得溶液22浸没液态金属微液滴8；

(2)将直流电源18的正极、负极分别与导电薄膜12、溶液22相连；

(3)使用驱动光源20照射在光敏薄膜14上，产生一个光斑24，液态金属微液滴8向光斑24处移动。

作为优选方案，导电薄膜12与基底10构成氧化铟锡(ITO)导电玻璃，其是在硅硼基基片玻璃的基础上，利用溅射、蒸发等多种方法镀上一层氧化铟锡(简称ITO)导电膜加工制作成的。

作为优选方案，光敏薄膜14采用以下步骤制备：

使用3-5ml的丁酮和3-5ml的环己酮混合搅拌，丁酮和环己酮等体积混合搅拌；

加入0.9-1.5g的氧钛酞菁(TiOPc)粉末以及0.45-0.75g的聚乙烯醇缩丁醛，混合后避光磁搅拌7-10h，得到混合溶液；

把混合溶液以1000-1500rpm、20-30s旋涂于氧化铟锡(ITO)导电膜上，并在100-130℃下烘干固化；

在氧化铟锡(ITO)导电膜上沉积1μm厚的氧钛酞菁(TiOPc)层。

作为优选方案，溶液22为氢氧化钠溶液，包括100ml去离子水、2g氢氧化钠。

作为优选方案，直流电源18的负极与光斑24之间的距离D范围在4-10cm。

如图6所示，为了更进一步的说明本发明的方法，作为优选方案，包括以下步骤：

(1)将液态金属微液滴8放置于容器16内，在容器16内倒入溶液22，溶液22的液面高度能够使得溶液22浸没液态金属微液滴8，如图6-(a)所示；

(2)将直流电源18的正极、负极分别与导电薄膜12、溶液22相连，使得液态金属微液滴8处于导电环境，如图6-(a)所示；

(3)使用驱动光源20照射在光敏薄膜14上，产生一个光斑24，如图6-(b)所示，由于氧钛酞菁的光敏特性，光斑24处的电阻急剧下降，从而形成闭合回路，此时光斑24处相当于正极，之后，在光场和电场的共同作用下，液态金属微液滴8受到电毛细现象驱动会向光斑7处移动。电毛细现象：由于通电后产生电荷转移，大量阳离子积聚在阴极附近，反之亦然。因此，在靠近阴极和阳极的液态金属微液滴8表面上分别存在大量阳离子和阴离子。靠近阴极的液态金属微液滴8表面由于电荷交换而发生氧化反应，从而形成局部氧化层。相反，由于靠近阳极一侧的液态金属微液滴8表面上积累的阴离子和液态金属微液滴8的电荷具有相同的极性，这引发相互排斥而导致界面张力减小，液态金属微液滴8为了在通电后维持系统的最小自由能，它增加了与溶液的界面面积。从宏观上看，这种现象看起来像液态金属微液滴8被拉伸。假如液态金属体积较小，可以向阳极运动。

通过一系列实验，我们得出：当直流电源18的负极与光斑24之间的距离D很近(小于4cm)，且直流电源18的电压为5V以上时，便可实现对液态金属微液滴8的驱动，并且响应速度很快。而随着增大直流电源18的负极与光斑24之间的距离，可通过加大直流电源18的电压实现驱动，但灵敏度会降低，当增大直流电源18的负极与光斑24之间的距离至10cm后，液态金属微液滴8将很难驱动。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种光驱动液态金属微液滴的装置，其特征在于，包括基底、导电薄膜、光敏薄膜、容器、直流电源和驱动光源，所述基底、导电薄膜、光敏薄膜依次设置，所述容器设于所述光敏薄膜上且不与所述导电薄膜接触，所述容器内设置有溶液，所述液态金属微液滴放置在所述溶液内，所述驱动光源能够将光照射在所述光敏薄膜上。

2.根据权利要求1所述的一种光驱动液态金属微液滴的装置，其特征在于，所述导电薄膜为氧化铟锡导电膜。

3.根据权利要求1所述的一种光驱动液态金属微液滴的装置，其特征在于，所述光敏薄膜的材料采用氧钛酞菁。

4.根据权利要求1所述的一种光驱动液态金属微液滴的装置，其特征在于，所述基底为硅硼基基片玻璃。

5.根据权利要求1所述的一种光驱动液态金属微液滴的装置，其特征在于，所述容器为中空的长方体通道。

6.根据权利要求1或5所述的一种光驱动液态金属微液滴的装置，其特征在于，所述容器的材质为聚二甲基硅氧烷。

7.根据权利要求1所述的一种光驱动液态金属微液滴的装置，其特征在于，所述溶液为氢氧化钠溶液。

8.根据权利要求1所述的一种光驱动液态金属微液滴的装置，其特征在于，所述驱动光源采用波长为650nm的激光笔。

9.一种光驱动液态金属微液滴的方法，其特征在于，使用如权利要求1-8中任一项所述的装置，包括以下步骤：

(1)将液态金属微液滴放置于容器内，在容器内倒入溶液，溶液的液面高度能够使得溶液浸没液态金属微液滴；

(2)将直流电源的正极、负极分别与导电薄膜、溶液相连；

(3)使用驱动光源照射在光敏薄膜上，产生一个光斑，液态金属微液滴向光斑处移动。

10.根据权利要求9所述的一种光驱动液态金属微液滴的方法，其特征在于，所述直流电源的负极与光斑之间的距离范围在4-10cm。

Images