CN113304985B - 一种使液滴快速稳定运输的超滑轨道及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使液滴快速稳定运输的超滑轨道及其制备方法，在超滑轨道的基础上，进一步引入了单凹纹理，为气‑液界面提供稳定的悬挂点，提升轨道的稳定性。同时利用灌注硅油的聚二甲基硅氧烷与连续性条纹结构的复合表面，使气液界面在该表面上塌陷过程需要克服更大的能垒。此外，顶部结构内的油层也起到润滑剂的作用，这种润滑剂降低了轨道的粘附性，实现了在一个轨道上超滑与抗浸润两种性质的结合。

Description

一种使液滴快速稳定运输的超滑轨道及其制备方法

技术领域

本发明属于超滑轨道技术领域，具体涉及到一种使液滴快速稳定运输的超滑轨道及其制备方法。

背景技术

能够使液滴在其表面上快速稳定运输的超滑轨道，是智能液体操纵的重要形式，在数字微流体，化学分析，生物测试，微反应器和液体收集等领域中得到了广泛的关注。超滑轨道的实现，减少了液滴在固体表面上运动产生的能量损失，且无需外部能量输入(例如，光，磁场或电场)。通过引入特定的条纹单凹微结构来提供连续稳定的轨道，与离散微结构(例如，微柱阵列表面)相比，其减少了循环运动的钉扎力对液滴运输造成的影响；同时，单凹纹理的引入，为液滴运输过程提供了能垒，使液滴快速运输过程中很难浸润轨道，增强了轨道的运输距离与耐久性。

在以往的运输液滴表面设计方面的研究中发现，微小液滴在运输过程中很可能留在轨道上。这种液体残留物在许多应用中显然有害：它会改变运输试剂的量，并导致质量的损失；在生物测定和化学分析中，这种残留物使得难以准确测量分析物的浓度；甚至浸润表面使其失效。虽然已经报道使用疏水轨道代替亲水性轨道，则可消除运输水滴过程中的质量损失，但对于长距离或高温环境的运输，液滴的快速蒸发会导致拉普拉斯压力的增大而容易浸润表面。

发明内容

本发明的目的是提供一种使液滴快速稳定运输的超滑轨道及其制备方法，将润滑剂灌入轨道顶部使液滴快速移动的同时，单凹结构提供能垒，提升轨道的抗浸润性，在一个轨道上同时实现超滑和高稳定两种特性。

为达上述目的，本发明提供了一种使液滴快速稳定运输的超滑轨道的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备连续性条纹结构

于基底一上通过光刻或3D打印制得连续性条纹结构，对连续性条纹结构表面进行等离子体活化，活化时间为15min-20min，再依次进行硅化和氟化处理，制得氟化后的连续性条纹结构；

(2)制备硅胶薄膜表面

将硅胶溶液涂覆于基底二上，得到硅胶薄膜表面；

(3)固化的硅胶薄膜表面；

将硅胶溶液涂覆于基底三上，再于60-80℃条件下烘干1-3h，制得固化的硅胶薄膜表面；

(4)制备单凹复合结构

将氟化后的连续性条纹结构表面与硅胶薄膜表面接触，剥离基底二后倒置于固化的硅胶薄膜表面上，固化处理并分离固化的硅胶薄膜表面，制得单凹复合结构；

(5)制备超滑轨道

对单凹复合结构的硅胶顶注入润滑剂，制得超滑轨道。

进一步地，光刻制得连续性条纹结构的过程为：通过正性光刻胶在基底表面旋涂均匀，再通过掩膜刻蚀对涂有光刻胶的基底表面进行结构设计，制备连续性条纹结构。

进一步地，3D打印制得连续性条纹结构的过程为：通过双光子吸收的3D直接激光写入来构造不同级次的连续性条纹结构，经过紫外光固化2h获得连续性条纹结构。

进一步地，连续性条纹结构的条纹宽度为2-40μm，条纹高度为4-80μm，相邻两个条纹之间的间距为10-200μm。

进一步地，硅化处理的过程为：将连续性条纹结构放入于装有等体积氨水和四乙氧基硅烷的真空干燥器中，于0.8-1.0MPa、20-30℃下反应20-28h。

采用上述方案的有益效果是：硅化处理使连续性条纹结构表面沉积有二氧化硅层，二氧化硅层使表面强度增加，并可以让表面与氟化试剂很好的结合。

进一步地，氟化处理的过程为：将连续性条纹结构表面放于装有氟化试剂的真空干燥器中，于0.8-1.0MPa、20℃-30℃下反应1-3h；反应过程中，真空干燥器内的相对湿度低于20％。

进一步地，氟化试剂为全氟辛基三氯硅烷、全氟奎基三氯硅烷、全氟辛基二甲基氯硅烷、全氟辛基三乙氧基硅烷、全氟辛酰氯或十六烷基三氯硅烷。

进一步地，步骤(2)的硅胶薄膜厚度小于连续性条纹结构的高度。

进一步地，硅胶溶液由聚二甲基硅氧烷预聚物和交联剂按10:1质量比混合均匀，并通过真空除净气泡得到。

进一步地，步骤(5)具体过程为：将单凹复合结构置于硅油中浸泡36-60h，甲苯洗涤后，制得超滑轨道。

采用上述方案的有益效果是：润滑剂可以完全渗透至聚二甲基硅氧烷顶中再使用甲苯洗掉连续性条纹结构之间的过量硅油，得到稳定运输的超滑轨道。

一种采用使液滴快速稳定运输的超滑轨道的制备方法制备得到的使液滴快速稳定运输的超滑轨道。

综上所述，本发明具有以下优点：

1、本发明提出了一种使液滴快速稳定运输的超滑轨道，通过将润滑剂注入单凹结构的多孔聚二甲基硅氧烷形成超滑的表面，既可以保留用于稳定气液接触线的能垒，又可以进一步提高液滴在与条纹水平方向上移动的灵活性；

2、本发明提出的制备方法设置了不同大小的连续性条纹结构，且可通过多种方式制备得到；除此之外，硅胶顶的弹性也可以根据需求调控，可以适应多种实验研究；

3、本发明提出的制备方法简单实用，提高表面疏液稳定性和降低表面粘滞力的效果明显，为智能液体操纵表面的设计制备提供了新思路，给现实生活和生产带来实际的便利和经济效益。

附图说明

图1为本发明的制备流程示意图；

图2为连续性条纹结构结构的光学显微镜图；

图3为快速稳定运输的超滑轨道的扫描电镜图；

图4为微水滴在快速稳定运输的超滑轨道上的接触角与滚动角图；

图5为快速稳定运输的超滑轨道顶部聚二甲基硅氧烷提供能垒的概念图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

由图1所示，本实施例提供了一种使液滴快速稳定运输的超滑轨道的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备连续性条纹结构

如图2所示，于基底一上的一面通过旋涂仪旋涂45μm厚的SU8-2025负性光刻胶，并通过通光宽度为30μm，两个通光宽度间距为150μm的掩膜曝光40s制备得到连续性条纹结构表面；将连续性条纹结构表面经过氧气与氩气按照体积比为4:1混合后的混合气体等离子体活化20min后，将其放入分别装有4mL氨水和4mL四乙氧基硅烷的真空干燥器中，在真空度为1MPa且温度为20℃的条件下反应24h；再将其放入装有200μL全氟辛基三氯硅烷的真空干燥器中，在真空度为1MPa，温度为20℃且相对湿度为20％以下的反应条件下反应2h，获得具有超疏水性的条纹宽度为20μm，间距为150μm，高度为30μm的连续性条纹结构表面；其中通过负性光刻胶制备连续性条纹结构表面具体步骤为：匀胶、前烘(65℃烘5min，95℃烘10min)、曝光(功率为5mw/cm²)、后烘(65℃烘5min，95℃烘10min)、显影(显影液中浸泡6min)和坚模(150℃烘15min)，且基底一需要通过食人鱼溶液(浓硫酸与35％双氧水以7:3的体积比混合得到)清洗1h以上，以保持基底干净；

(2)制备硅胶薄膜表面和固化的硅胶薄膜表面

将聚二甲基硅氧烷预聚物和交联剂按10:1的质量比混合均匀后，通过真空干燥箱除净气泡，将2mL的硅胶溶液分别滴在两份24mm×60mm的矩形盖玻片上(即基底二和基底三)，以6000转/秒的速度旋转20s后，获得平整的硅胶薄膜，并将基底三放入温度为70℃的烘箱中烘烤2h，使硅胶薄膜完全交联固化后制得到固化的硅胶薄膜表面；

(3)制备超滑轨道

将经过氟化处理的连续性条纹结构表面与未固化的硅胶薄膜表面充分接触5min，再剥离未固化的硅胶薄膜表面的基底，将粘上未固化硅胶薄膜的连续性条纹结构表面倒置并与经过氟化处理的固化硅胶薄膜表面接触放置2h，再将其放入温度为70℃的烘箱中烘烤2h，使硅胶完全交联固化后再将两个表面分离，制得快速稳定运输的超滑轨道，其结构的宽度为22μm，间距为150μm，高度为30μm，如图3所示。

其中微水滴在超滑轨道上的接触角与滚动角的示意图，以及灌入硅油与未灌入硅油的对比示意图如图4所示，接触角并没有多大变化，但是灌入硅油后的滚动角明显低于未灌入硅油的滚动角，因此在超滑轨道的制备过程中，硅油即润滑剂的浸泡可以作为优选；其具有快速稳定效果的原理如图5所示。

实施例2

本实施例提供了一种使液滴快速稳定运输的超滑轨道的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备连续性条纹结构

于基底一上的一面通过旋涂仪，以4500转/秒的速度旋转20s旋涂1500μL的SU1813正性光刻胶，并通过通光宽度为40μm，两个通光宽度间距为200μm的掩膜曝光6s制备得到连续性条纹结构表面；首先将连续性结构表面经过氧气与氩气按照体积比为4:1混合后的混合气体等离子体活化20min后，于加热平台上以280℃烘烤30min，冷却后将其放入分别装有4mL氨水和4mL四乙氧基硅烷的真空干燥器中，在真空度为1MPa且温度为30℃的条件下反应24h；再将其放入装有200μL全氟辛基三氯硅烷的真空干燥器中，在真空度为1MPa，温度为30℃且相对湿度为20％以下的反应条件下反应2h，获得具有超疏水性的条纹宽度为40μm，间距为200μm，高度为80μm的连续性条纹结构表面；其中通过正性光刻胶制备连续性条纹结构表面，具体步骤为匀胶、前烘(110℃烘1min)、曝光(功率为5mw/cm²)、显影(显影液中浸泡40s，去离子水清洗2min，再100℃烘3min)、氢氟酸刻蚀(刻蚀3min，去离子水清洗2min，再用140℃的丙酮和乙醇分别清洗)和四甲基氢氧化铵刻蚀(70℃水浴刻蚀)；

(2)制备硅胶薄膜表面和固化的硅胶薄膜表面

将聚二甲基硅氧烷预聚物和交联剂按10:1的质量比混合均匀后，通过真空干燥箱除净气泡，将2mL的硅胶溶液分别滴在两份24mm×60mm的矩形盖玻片上(即基底二和基底三)，以10000转/秒的速度旋转20s后，获得平整的硅胶薄膜，并将基底三放入温度为70℃的烘箱中烘烤2h，使硅胶薄膜完全交联固化后制得到固化的硅胶薄膜表面；

(3)将经过氟化处理的连续性条纹结构表面与未固化的硅胶薄膜表面充分接触5min，再剥离未固化的硅胶薄膜表面的基底二，将粘上未固化硅胶薄膜的连续性条纹结构表面倒置并与经过氟化处理的固化硅胶薄膜表面接触放置2h，再将其放入温度为70℃的烘箱中烘烤2h，使硅胶完全交联固化后再将两个表面分离，制得快速稳定运输的超滑轨道，其结构的宽度为47μm，间距为200μm，高度为80μm。

虽然对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (6)

1.一种使液滴快速稳定运输的超滑轨道的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）制备连续性条纹结构

于基底一上通过光刻或3D打印制得连续性条纹结构，对连续性条纹结构表面进行等离子体活化，活化时间为15min-20min，再依次进行硅化和氟化处理，制得氟化后的连续性条纹结构；其中所述连续性条纹结构的条纹宽度为2-40μm，条纹高度为4-80μm，相邻两个条纹之间的间距为10-200μm；

（2）制备硅胶薄膜表面

将硅胶溶液涂覆于基底二上，得到硅胶薄膜表面；所述硅胶薄膜表面中硅胶溶液涂覆层的厚度小于连续性条纹结构的高度；

（3）固化的硅胶薄膜表面；

将硅胶溶液涂覆于基底三上，再于60-80℃条件下烘干1-3h，制得固化的硅胶薄膜表面；

（4）制备单凹复合结构

将氟化后的连续性条纹结构表面与硅胶薄膜表面接触，剥离基底二后倒置于固化的硅胶薄膜表面上，固化处理并分离固化的硅胶薄膜表面，制得单凹复合结构；本步骤所述的固化的硅胶薄膜表面为经过氟化处理的固化硅胶薄膜表面；

（5）制备超滑轨道

将单凹复合结构置于硅油中浸泡36-60h，甲苯洗涤后，制得超滑轨道。

2.如权利要求1所述的使液滴快速稳定运输的超滑轨道的制备方法，其特征在于，所述硅化处理的过程为：将连续性条纹结构放入于装有等体积氨水和四乙氧基硅烷的真空干燥器中，于0.8-1.0MPa、20-30℃下反应20-28h。

3.如权利要求1所述的使液滴快速稳定运输的超滑轨道的制备方法，其特征在于，所述氟化处理的过程为：将硅化处理后的连续性条纹结构放于装有氟化试剂的真空干燥器中，于0.8-1.0MPa、20℃-30℃下反应1-3h；反应过程中，真空干燥器内的相对湿度低于20%。

4.如权利要求3所述的使液滴快速稳定运输的超滑轨道的制备方法，其特征在于，所述氟化试剂为全氟辛基三氯硅烷、全氟奎基三氯硅烷、全氟辛基二甲基氯硅烷、全氟辛基三乙氧基硅烷或全氟辛酰氯。

5.如权利要求1所述的使液滴快速稳定运输的超滑轨道的制备方法，其特征在于，所述硅胶溶液为聚二甲基硅氧烷预聚物和交联剂按10:1的质量比混合后的混合物。

6.采用权利要求1-5任一项所述的使液滴快速稳定运输的超滑轨道的制备方法制备得到的使液滴快速稳定运输的超滑轨道。

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