CN114378460A - 一种仿生疏水微柱阵列结构及其制备方法、液滴操控方法 - Google Patents

一种仿生疏水微柱阵列结构及其制备方法、液滴操控方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种仿生疏水微柱阵列结构及其制备方法、液滴操控方法。所述仿生疏水微柱阵列结构包括硅胶基板以及阵列式设置在所述基板上的多个硅胶微柱；所述硅胶微柱一体成型在所述硅胶基板上，制备所述硅胶微柱的微通孔利用飞秒激光钻孔而成。本发明采用的是飞秒激光加工技术，制备流程简单，对周围无影响，清洁环保。在每一个激光脉冲与物质相互作用的持续期内，避免了热扩散的存在，在根本上消除了类似于长脉冲加工过程中的熔融区、热影响区、冲击波等多种效应对周围材料造成的影响和热损伤，将加工过程所涉及的空间范围大大缩小，从而提高了激光加工的准确程度，即运用飞秒加工决不会伤及无辜。

Description

一种仿生疏水微柱阵列结构及其制备方法、液滴操控方法
技术领域
本发明涉及一种微柱阵列结构及其制备方法，特别是涉及一种仿生疏水微柱阵列结构及其制备方法、液滴操控方法。
背景技术
目前制备微柱阵列的方法主要有：离子刻蚀技术、电化学刻蚀、紫外光刻等技术。然而，光刻或化学刻蚀的方法，加工流程比较复杂；添加的化学腐蚀材料容易造成环境污染。这些制备方法主要适用同等参数的加工，结构单一，功能简单，很难实现不同参数一体式的制备，更重要的是传统微柱阵列结构其润湿性比较差，做不到仿生疏水。
发明内容
基于此，本发明有必要针对现有的微柱阵列结构润湿性比较差的技术问题，提供一种仿生疏水微柱阵列结构及其制备方法、液滴操控方法。
本发明采用以下技术方案实现，一种仿生疏水微柱阵列结构，其包括硅胶基板以及阵列式设置在所述基板上的多个硅胶微柱；所述硅胶微柱一体成型在所述硅胶基板上，制备所述硅胶微柱的微通孔利用飞秒激光钻孔而成。
作为上述方案的进一步改进，所述多个硅胶微柱直径相同，所述多个硅胶微柱在所述硅胶基板上布局成滑动阵列和钉扎阵列，所述滑动阵列的元间距小于所述钉扎阵列的元间距，所述滑动阵列与所述钉扎阵列的阵列间距不大于所述滑动阵列的元间距。
进一步地，所述滑动阵列、所述钉扎阵列的元间距范围均为400μm～600μm。
优选地，所述滑动阵列的元间距为400μm，所述钉扎阵列的元间距为600μm。
本发明还提供一种仿生疏水微柱阵列结构的制备方法，其包括以下步骤：
首先，利用飞秒激光钻孔的方式在一个模板上钻出呈阵列式局部的多个微通孔；
其次，将硅胶的预聚物和固化剂按1:1的质量比进行均匀混合；
接着，混合后的混合物均匀涂抹到所述模板的上表面，抽真空直至确保所述混合物完全进入到每个微通孔内部；
之后，将所述模板加热定型，待所述模板上的所述混合物完全固化为硅胶之后，将所述硅胶从所述模板上玻璃下来，得到仿生疏水微柱阵列结构。
作为上述方案的进一步改进，多个微通孔的直径相同，所述模板上的多个微通孔形成与上、下两个阵列，且上阵列的元间距小于下阵列的元间距；上阵列与下阵列的阵列间距不大于上阵列的元间距，所述模板上的上、下两个阵列对应形成所述仿生疏水微柱阵列结构的滑动阵列与钉扎阵列。
作为上述方案的进一步改进，上阵列、下阵列的元间距范围均为400μm～600μm，优选地，上阵列的元间距为400μm，所述下阵列的元间距为600μm。
作为上述方案的进一步改进，加热定型时，将所述模板放置在60℃的加热板上加热2h。
作为上述方案的进一步改进，所述模板为PTEE模板。
本发明还提供一种仿生疏水微柱阵列结构实现液滴操控的方法，其包括以下步骤：
采用上述任意仿生疏水微柱阵列结构，或者采用上述任意仿生疏水微柱阵列结构的制备方法制备仿生疏水微柱阵列结构；
液滴在所述仿生疏水微柱阵列结构的滑动阵列上；
旋转所述仿生疏水微柱阵列结构，且所述仿生疏水微柱阵列结构的倾斜角度控制在45°，使液滴在滑动阵列的微柱表面滑落，而在所述仿生疏水微柱阵列结构的钉扎阵列的微柱表面钉扎。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明采用飞秒激光进行加工：飞秒激光在极短的时间和极小的空间内与物质相互作用，由于没有能量扩散等影响，向作用区域内集中注入的能量获得有效的高度积蓄，大大提高了激光能量的利用效率；加工程度的准确性；对于飞秒激光加工，在每一个激光脉冲与物质相互作用的持续期内，避免了热扩散的存在，在根本上消除了类似于长脉冲加工过程中的熔融区、热影响区、冲击波等多种效应对周围材料造成的影响和热损伤，将加工过程所涉及的空间范围大大缩小，从而提高了激光加工的准确程度，即运用飞秒加工决不会伤及无辜。
(2)本发明将不同间距的微柱整合到同一结构阵列中，在不需要拉伸的情况下就可以实现液滴在钉扎和滑动状态之间的转换。这种制备工艺为实现液滴的一步控制提供了新的思路。
(3)探究一种新的微柱阵列加工方法，简化制备流程；实现清洁加工，环保无污染；创造一种不同结构参数集成一体化的结构，实现润湿性的一步调谐。
附图说明
图1为本发明实施例1的仿生疏水微柱阵列结构制备方法流程图。
图2为采用Glaco处理前后微柱阵列的表面润湿性变化对照图。
图3为液滴在大间距和小间距微柱阵列上的润湿状态对照图。
图4为采用本发明实施例2的仿生疏水微柱阵列结构实现液滴操控的操控演示示意图。
具体实施方式
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，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为“安装于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例1
请参阅图1的区域a中，本发明的仿生疏水微柱阵列结构包括硅胶基板1以及阵列式设置在基板1上的多个硅胶微柱2。
硅胶微柱2一体成型在硅胶基板1上，制备所述硅胶微柱2的微通孔利用飞秒激光钻孔而成。仿生疏水微柱阵列结构在制备时，包括以下步骤：
首先，利用飞秒激光钻孔的方式在一个模板上钻出呈阵列式局部的多个微通孔。模板优选为PTEE模板。
利用飞秒激光钻孔技术制备PTFE微通孔阵列模板。选定飞秒激光为加工媒介，根据需要加工的结构尺寸来设定激光参数，如：激光功率、扫描速度、激光波长、脉冲宽度和频率等。飞秒激光的型号和基本参数设置：飞秒激光加工系统由美国Coherent公司的Chameleon Vision-S种子激光和Legend Elite FHE-1K钛蓝宝石啁啾脉冲放大系统组成，其中激光波长、脉冲宽度和频率分别为800nm，104fs，为1kHz。加工过程中激光功率和扫描速度分别设置为300mW和2mm/s。
其次，将硅胶的预聚物和固化剂按1:1的质量比进行均匀混合。在本实施例中，硅胶的预聚物和固化剂按1:1的质量比进行混合，充分搅拌10分钟以确保混合均匀。
接着，混合后的混合物均匀涂抹到所述模板的上表面，抽真空直至确保所述混合物完全进入到每个微通孔内部。在本实施例中，将制备的硅胶均匀涂抹到PTFE模板上表面，抽真空5分钟，以确保硅胶完全进入到微孔内部。
之后，将所述模板加热定型，待所述模板上的所述混合物完全固化为硅胶之后，将所述硅胶从所述模板上玻璃下来，得到仿生疏水微柱阵列结构。在本实施例中，将样品放置在60℃的加热板上加热2h。待硅胶完全固化后，将其从PTFE模板上剥离下来，最终得到完整的硅胶微柱阵列即仿生疏水微柱阵列结构。
本发明采用的是飞秒激光加工技术，制备流程简单，对周围无影响，清洁环保。飞秒激光加工有一个重要特征：非热熔性。飞秒激光在极短的时间和极小的空间内与物质相互作用，由于没有能量扩散等影响，向作用区域内集中注入的能量获得有效的高度积蓄，大大提高了激光能量的利用效率；对于飞秒激光加工，在每一个激光脉冲与物质相互作用的持续期内，避免了热扩散的存在，在根本上消除了类似于长脉冲加工过程中的熔融区、热影响区、冲击波等多种效应对周围材料造成的影响和热损伤，将加工过程所涉及的空间范围大大缩小，从而提高了激光加工的准确程度，即运用飞秒加工决不会伤及无辜。
研究表面化学成分对润湿性的影响：从图2的区域a中可以看出，在不改变表面化学成分的情况下(Glaco处理前)，不同间距(400μm～600μm)的微柱阵列表面具有疏水特性，液滴的接触角维持在120°～150°之间。但是，即便微柱阵列倾斜90°，液滴也不会滑落，表明此时微柱阵列表面的粘附力较大。对硅胶微柱阵列的表面进行Glaco处理后，如图2的区域b所示，表面仍保持疏水特性。液滴的接触角维持在140°左右，和处理前相比，变化幅度较小。相比之下，液滴在Glaco处理后的表面上的滑动角变化很大。Glaco是一种超疏水喷雾，主要成分为二氧化硅纳米颗粒，经常用于科学研究中的表面处理。
与现有技术相比，本发明采用飞秒激光进行加工：飞秒激光在极短的时间和极小的空间内与物质相互作用，由于没有能量扩散等影响，向作用区域内集中注入的能量获得有效的高度积蓄，大大提高了激光能量的利用效率；加工程度的准确性；对于飞秒激光加工，在每一个激光脉冲与物质相互作用的持续期内，避免了热扩散的存在，在根本上消除了类似于长脉冲加工过程中的熔融区、热影响区、冲击波等多种效应对周围材料造成的影响和热损伤，将加工过程所涉及的空间范围大大缩小，从而提高了激光加工的准确程度，即运用飞秒加工决不会伤及无辜。
在其他实施例中，用于制备仿生疏水微柱阵列结构的材料可以选用硅胶之外的其他材料，但是需要满足以下两个条件即可：
(1)材料与模板聚四氟乙烯不发生反应；
(2)加热(如烘箱加热)后的样品仍保持一定的弹性，具有较好的抗疲劳程度。
实施例2
本实施例的仿生疏水微柱阵列结构，其在实施例1的基础上还具有如下特征：多个硅胶微柱2直径相同，多个硅胶微柱2在硅胶基板1上布局成滑动阵列和钉扎阵列，滑动阵列的元间距小于钉扎阵列的元间距，滑动阵列与钉扎阵列的阵列间距不大于滑动阵列的元间距。
所述滑动阵列、所述钉扎阵列的元间距范围均优选为400μm～600μm。最好是，所述滑动阵列的元间距为400μm，所述钉扎阵列的元间距为600μm。
仿生疏水微柱阵列结构制备时，多个微通孔的直径相同，所述模板上的多个微通孔形成与上、下两个阵列，且上阵列的元间距小于下阵列的元间距；上阵列与下阵列的阵列间距不大于上阵列的元间距，所述模板上的上、下两个阵列对应形成所述仿生疏水微柱阵列结构的滑动阵列与钉扎阵列。对应的，上阵列、下阵列的元间距范围均优选为400μm～600μm，最好是，上阵列的元间距为400μm，所述下阵列的元间距为600μm。
当微柱间距为400μm时，液滴的滑动角为31°；当间距增加到600μm时，液滴的滑动角增加到76°。无论间距如何变化，液滴在处理后的表面上的滑动角总小于其在处理前表面上的滑动角。由此可以得出，处理后微柱阵列表面的粘附力相比于处理前有所减小。
液滴在Glaco处理的小间距微柱阵列表面具有较小的滑动角；随着间距的增大，液滴的滑动角逐渐增大，甚至产生钉扎现象。图3展示了不同间距的微柱阵列经过Glaco处理后表面润湿性的变化情况。图3中区域a为小间距的微柱阵列和液滴之间的接触状态示意图。当间距较小时，有足够数量的微柱将液滴支撑在顶部，此时，液滴和微柱之间的接触面积小，产生的粘附力也相对较小。当间距增大时，如图3中区域b所示，液滴会陷在微柱之间，形成较大的接触面积和粘附力，即对液滴滑动产生较大的能量势垒。所以，液滴在大间距的微柱阵列上的滑动角大于小间距微柱阵列上的滑动角。
根据前面润湿性的研究可以得出结论：液滴在Glaco处理的小间距微柱阵列表面具有较小的滑动角；随着间距的增大，液滴的滑动角逐渐增大，甚至产生钉扎现象。基于这种现象，我们设计了一种组合阵列结构实现液滴的操控。本发明的仿生疏水微柱阵列结构实现液滴操控的方法，包括以下步骤：
采用本实施例的仿生疏水微柱阵列结构，本实施例的仿生疏水微柱阵列结构的制备方法制备仿生疏水微柱阵列结构；
液滴在所述仿生疏水微柱阵列结构的滑动阵列上；
旋转所述仿生疏水微柱阵列结构，且所述仿生疏水微柱阵列结构的倾斜角度控制在45°，使液滴在滑动阵列的微柱表面滑落，而在所述仿生疏水微柱阵列结构的钉扎阵列的微柱表面钉扎。
在本实施例中，设计结构上半部分微柱阵列的间距为400μm，下半部分的间距为600μm。液滴在间距为400μm和600μm的微柱阵列上的滑动角分别为31°和76°，所以，我们旋转平台的倾斜角度控制在45°以保证液滴可以在400μm的微柱阵列表面滑落，而在600μm的微柱表面钉扎。图4的区域d展示了5μL体积的液滴从滑动到钉扎的过程，实现了对液滴的简单操控。当然了，倾斜角度不一定是45°，倾斜角度控制在35°—75°之间都符合。这里的45°角度选择，我们参照了附图2中区域b：Glaco处理后的微柱阵列，倾斜角度在35°—75°之间时，液滴都能保持在间距400微米的阵列上滑动，且在间距600微米的阵列上钉扎，实现简单的液滴操控。
针对微柱直径对润湿性的影响：本实施例选用直径为100μm、200μm和300μm微柱阵列研究其对液滴接触角和液滴滑动角的影响。在实验过程中我们观察到，Glaco处理前，液滴在不同直径的微柱阵列表面保持疏水特性，接触角大约保持在140°左右。而液滴的滑动角相对较大，即便样品倾斜90°，液滴依然钉扎在表面。Glaco处理后的表面对液滴的接触角几乎没有影响，但是可以很好的降低液滴的滑动角。随着微柱的直径从100μm增加到200μm，液滴滑动角也会相应的从40°增加到80°。微柱直径增加后，其与液滴之间的接触面积也会增加，导致两者之间的粘附力变大，所以，滑动角随着微柱直径的增加而增加。
与现有技术相比，本发明除了实施例1的有益效果之外，本发明将不同间距的微柱整合到同一结构阵列中，在不需要拉伸的情况下就可以实现液滴在钉扎和滑动状态之间的转换。这种制备工艺为实现液滴的一步控制提供了新的思路。
在其他实施例中，仿生疏水微柱阵列结构其设计的集成一体式结构参数可以进行相应的调整，不一定非要保持结构上半部分间距是400μm，下半部分间距是600μm的形式。结构的间距参数只要能让液滴在滑动和钉扎之间切换即可。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明申请范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种仿生疏水微柱阵列结构，其包括硅胶基板以及阵列式设置在所述基板上的多个硅胶微柱；所述硅胶微柱一体成型在所述硅胶基板上，其特征在于，制备所述硅胶微柱的微通孔利用飞秒激光钻孔而成。
2.根据权利要求1所述的仿生疏水微柱阵列结构，其特征在于，所述多个硅胶微柱直径相同，所述多个硅胶微柱在所述硅胶基板上布局成滑动阵列和钉扎阵列，所述滑动阵列的元间距小于所述钉扎阵列的元间距，所述滑动阵列与所述钉扎阵列的阵列间距不大于所述滑动阵列的元间距。
3.根据权利要求2所述的仿生疏水微柱阵列结构，其特征在于，所述滑动阵列、所述钉扎阵列的元间距范围均为400μm～600μm。
4.根据权利要求3所述的仿生疏水微柱阵列结构，其特征在于，所述滑动阵列的元间距为400μm，所述钉扎阵列的元间距为600μm。
5.一种仿生疏水微柱阵列结构的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
首先，利用飞秒激光钻孔的方式在一个模板上钻出呈阵列式局部的多个微通孔；
其次，将硅胶的预聚物和固化剂按1:1的质量比进行均匀混合；
接着，混合后的混合物均匀涂抹到所述模板的上表面，抽真空直至确保所述混合物完全进入到每个微通孔内部；
之后，将所述模板加热定型，待所述模板上的所述混合物完全固化为硅胶之后，将所述硅胶从所述模板上玻璃下来，得到仿生疏水微柱阵列结构。
6.根据权利要求5所述的仿生疏水微柱阵列结构的制备方法，其特征在于，多个微通孔的直径相同，所述模板上的多个微通孔形成与上、下两个阵列，且上阵列的元间距小于下阵列的元间距；上阵列与下阵列的阵列间距不大于上阵列的元间距，所述模板上的上、下两个阵列对应形成所述仿生疏水微柱阵列结构的滑动阵列与钉扎阵列。
7.根据权利要求6所述的仿生疏水微柱阵列结构的制备方法，其特征在于，上阵列、下阵列的元间距范围均为400μm～600μm，优选地，上阵列的元间距为400μm，所述下阵列的元间距为600μm。
8.根据权利要求5至7中任意一项所述的仿生疏水微柱阵列结构的制备方法，其特征在于，加热定型时，将所述模板放置在60℃的加热板上加热2h。
9.根据权利要求5至7中任意一项所述的仿生疏水微柱阵列结构的制备方法，其特征在于，所述模板为PTEE模板。
10.一种仿生疏水微柱阵列结构实现液滴操控的方法，其特征在于，其包括以下步骤：
采用权利要求2至4中任意一项所述的仿生疏水微柱阵列结构，或者采用如权利要求6或7所述的仿生疏水微柱阵列结构的制备方法制备仿生疏水微柱阵列结构；
液滴在所述仿生疏水微柱阵列结构的滑动阵列上；
旋转所述仿生疏水微柱阵列结构，且所述仿生疏水微柱阵列结构的倾斜角度控制在35°～75°，使液滴在滑动阵列的微柱表面滑落，而在所述仿生疏水微柱阵列结构的钉扎阵列的微柱表面钉扎。
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CN114904596A (zh) * 2022-05-20 2022-08-16 合肥工业大学 一种气泡定向输送载具及其制备方法与应用
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