CN114408856A - 倾斜微柱阵列结构及其制备装置与方法、功能操控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了倾斜微柱阵列结构及其制备装置与方法、功能操控方法。倾斜微柱阵列结构的制备方法包括：采用飞秒激光经过凸透镜以一个目标角度的入射方式聚焦在高分子材料模板上；驱动高分子材料模板移动实现图案加工；将形状记忆聚合物和固化剂按质量比10∶3进行充分混合后，倾倒在高分子材料模板表面上；在60℃下加热2小时，随后100摄氏度下加热1小时，进行固化后脱模处理，得到倾斜微柱阵列结构。所述目标角度满足：在所述倾斜微柱阵列结构加热到玻璃化温度Tg之上时，通过施加一个目标压力使得所述倾斜微柱阵列处于首尾相连的倒塌状态。倾斜微柱阵列结构能实现液滴操控和表面干粘附双重功能。

Description

倾斜微柱阵列结构及其制备装置与方法、功能操控方法
技术领域
本发明涉及一种倾斜微柱阵列结构及其制备装置与方法、功能操控方法，特别是涉及一种实现液滴操控和表面干粘附双重功能的倾斜微柱阵列结构的制备方法、一种实现液滴操控和表面干粘附双重功能的倾斜微柱阵列结构、一种倾斜微柱阵列实现液滴操控和表面干粘附双重功能的功能操控方法、一种实现液滴操控和表面干粘附双重功能的倾斜微柱阵列结构的制备装置。
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，操作复杂、耗时、限制使用范围、制备的结构只能实现单一功能(液滴操控或干粘附)。
发明内容
基于此，本发明为了解决传统微柱阵列结构只能实现液滴操控功能或者是实现表面干粘附功能的单一功能的技术缺陷，提供一种实现液滴操控和表面干粘附双重功能的倾斜微柱阵列结构的制备方法、一种实现液滴操控和表面干粘附双重功能的倾斜微柱阵列结构、一种倾斜微柱阵列实现液滴操控和表面干粘附双重功能的功能操控方法、一种实现液滴操控和表面干粘附双重功能的倾斜微柱阵列结构的制备装置。所述倾斜微柱阵列结构的制备方法简单，而且制备的倾斜微柱阵列结构可以实现液滴操控和表面干粘附双重功能。
本发明采用以下技术方案实现，一种实现液滴操控和表面干粘附双重功能的倾斜微柱阵列结构的制备方法，其包括以下步骤：
采用飞秒激光经过凸透镜以一个目标角度的入射方式聚焦在高分子材料模板上；
驱动所述高分子材料模板移动，以在所述高分子材料模板上制作一个与微柱阵列相关的待加工图案；
将形状记忆聚合物和固化剂按质量比10∶3进行充分混合后，倾倒在所述高分子材料模板表面上；
在60℃下加热2小时，随后100摄氏度下加热1小时，进行固化后脱模处理，即可得到设置在所述高分子材料模板上的倾斜角为所述目标角度的倾斜微柱阵列，形成倾斜微柱阵列结构；
其中，所述目标角度满足：在所述倾斜微柱阵列结构加热到玻璃化温度Tg之上时，通过施加一个目标压力使得所述倾斜微柱阵列处于首尾相连的倒塌状态。
作为上述方案的进一步改进，所述形状记忆聚合物和所述固化剂混合的混合物倾倒在所述高分子材料模板表面上后，通过抽真空确保所述形状记忆聚合物进入到所述高分子材料模板的结构内部；
优选地，抽真空10分钟。
作为上述方案的进一步改进，所述目标角度为45°。
作为上述方案的进一步改进，所述高分子材料模板为硅胶模板、或聚二甲基硅氧烷模板、或聚四氟乙烯模板。
作为上述方案的进一步改进，所述形状记忆聚合物为环氧树脂或双酚A二缩水甘油醚。
本发明还提供一种实现液滴操控和表面干粘附双重功能的倾斜微柱阵列结构，其包括：
高分子材料模板；
位于所述高分子材料模板上的微柱阵列；
其中，所述微柱阵列采用飞秒激光经过凸透镜以一个目标角度的入射方式聚焦制作，得到倾斜角为所述目标角度的倾斜微柱阵列；
所述目标角度满足：在所述倾斜微柱阵列结构加热到玻璃化温度Tg之上时，通过施加一个目标压力使得所述倾斜微柱阵列处于首尾相连的倒塌状态。
作为上述方案的进一步改进，所述倾斜微柱阵列结构采用上述任意实现液滴操控和表面干粘附双重功能的倾斜微柱阵列结构的制备方法制备而成。
本发明还提供一种倾斜微柱阵列实现液滴操控和表面干粘附双重功能的功能操控方法，其包括以下步骤：
(1)实现固-液界面的液滴操控功能：
提供上述任意实现液滴操控和表面干粘附双重功能的倾斜微柱阵列结构；
将所述倾斜微柱阵列结构加热到玻璃化温度Tg之上，施加一个目标压力，得到更大的倾斜角的倾斜微柱阵列，使得当前的倾斜微柱阵列处于首尾相连的倒塌状态；
当温度降至玻璃化温度Tg之下，所述倾斜微柱阵列保持倒塌状态，用于实现液滴滑动行为的控制；
将所述倾斜微柱阵列结构再次加热到玻璃化温度Tg之上，恢复倾斜角为所述目标角度的倾斜微柱阵列；
(2)实现固-固界面之间的表面干粘附功能：
提供上述任意实现液滴操控和表面干粘附双重功能的倾斜微柱阵列结构；
将所述倾斜微柱阵列结构加热到玻璃化温度Tg之上的情况下，将所述倾斜微柱阵列结构的倾斜微柱阵列压向表面粘附物的表面上，直至所述倾斜微柱阵列形成倒塌状态；
冷却至室温时，通过所述倾斜微柱阵列将所述表面粘附物凌空提起，实现对所述表面粘附物的表面干粘附功能；
将所述倾斜微柱阵列结构再次加热到玻璃化温度Tg之上，恢复倾斜角为所述目标角度的倾斜微柱阵列，实现对所述表面粘附物的释放。
本发明还提供一种实现液滴操控和表面干粘附双重功能的倾斜微柱阵列结构的制备装置，其包括：
飞秒激光器，用于输出飞秒激光；
入射角度调节器，用于调节所述飞秒激光在高分子材料模板上的入射角度；
凸透镜，用于将所述飞秒激光以一个目标角度的入射方式聚焦在所述高分子材料模板上；
移动平台，用于驱动所述高分子材料模板移动；
控制器，用于控制飞秒激光器输出飞秒激光，并在所述飞秒激光通过凸透镜以所述目标角度的入射方式聚焦在所述高分子材料模板上后，控制移动平台驱动所述高分子材料模板移动，以在所述高分子材料模板上制作一个与微柱阵列相关的待光刻图案；
容器，用于将形状记忆聚合物和固化剂按质量比10∶3进行充分混合后，倾倒在已经制作有待光刻图案的高分子材料模板表面上；
加热器，用于在60℃下加热具有混合物的高分子材料模板2小时，随后100摄氏度下加热1小时，进行固化后脱模处理，得到设置在所述高分子材料模板上的倾斜角为所述目标角度的倾斜微柱阵列，形成倾斜微柱阵列结构；
其中，所述目标角度满足：在所述倾斜微柱阵列结构加热到玻璃化温度Tg之上时，通过施加一个目标压力使得所述倾斜微柱阵列处于首尾相连的倒塌状态。
作为上述方案的进一步改进，所述入射角度调节器为多个反射镜，反射镜用于改变光路。
作为上述方案的进一步改进，所述制备装置还包括：衰减片、至少一个光闸；衰减片用于衰减飞秒激光的光信号能量，光闸用于对飞秒激光进行光的单向隔离。
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倾斜微纳加工技术和模板复制技术制备倾斜微柱阵列，和已有的加工方法相比，方法简单，适用性广，环境友好。
2.由于是采用形状记忆聚合物制备的，所以倾斜微柱阵列具有形状记忆功能，可以实现在临时形状和永久形状之间的转换。
3.利用倾斜微柱阵列的形状记忆功能可以实现液滴操控和表面干粘附。
附图说明
图1为本发明实施例1的倾斜微柱阵列结构的制备装置的部分结构示意图。
图2为表征本发明的倾斜微柱阵列结构的制备方法流程的流程图。
图3为本发明的倾斜微柱阵列结构的双重状态变化图。
图4为不同元间距的倾斜微柱阵列结构的处于倒塌状态下的形貌电镜对比图。
图5为本发明的倾斜微柱阵列结构实现液滴操控功能的状态变化示意图。
图6为本发明的倾斜微柱阵列结构实现表面干粘附功能的状态变化示意图。
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。
本发明的制备装置用于制备倾斜微柱阵列结构，这个倾斜微柱阵列结构能够实现液滴操控和表面干粘附双重功能。请参阅图1，图1中体现了制备装置的主要构成：飞秒激光器1、入射角度调节器、凸透镜2、移动平台3、入射角度调节器、衰减片5、至少一个光闸。制备装置还包括控制器(图未示)、容器(图未示)、加热器(图未示)，由于篇幅的限制，图中并未显示。
飞秒激光器1用于输出飞秒激光。飞秒激光可由Coherent公司的ChameleonVision-S种子激光和Legend Elite F HE-1K钛蓝宝石啁啾脉冲放大系统产生，其波长、脉冲宽度和频率分别为800nm、104fs、和1kHz。
入射角度调节器用于调节所述飞秒激光在高分子材料模板8上的入射角度。入射角度调节器可为反射镜4，反射镜4用于改变光路。在本实施例中，设置有多个反射镜4，反射镜4的具体数量以方便在调节所述飞秒激光在高分子材料模板8上的入射角度即可。衰减片5用于衰减飞秒激光的光信号能量，光闸用于对飞秒激光进行光的单向隔离。光闸可以采用孔径固定的固定式光闸6，也可以电子光闸7，当然也可以通用，数量也不限制。当采用的光闸中存在电子光闸7时，可以通过控制器去控制电子光闸7的孔径。
高分子材料模板8可以为硅胶模板、或聚二甲基硅氧烷模板、或聚四氟乙烯模板，在本实施例中，高分子材料模板8采用硅胶基材。选用聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚四氟乙烯(PTFE)等材料也可以实现同等效果。
飞秒激光可经过反射镜4改变传播方向，最终经过凸透镜2以倾斜一个目标角度的聚焦在硅胶基材表面，如45°角度。在其他实施例中，所述目标角度满足以下条件即可：在所述倾斜微柱阵列结构加热到玻璃化温度Tg之上时，通过施加一个目标压力使得所述倾斜微柱阵列处于首尾相连的倒塌状态。所述目标压力没有特别限制，只要能压下倾斜微柱阵列使得所述倾斜微柱阵列处于首尾相连的倒塌状态即可。
移动平台3用于驱动所述高分子材料模板8移动，控制器用于控制飞秒激光器1输出飞秒激光，并在所述飞秒激光通过凸透镜2以所述目标角度的入射方式聚焦在所述高分子材料模板8上后，控制移动平台3驱动所述高分子材料模板8移动，以在所述高分子材料模板8上制作一个与微柱阵列相关的待光刻图案。
容器用于将形状记忆聚合物和固化剂按质量比10∶3进行充分混合后，倾倒在已经制作有待光刻图案的高分子材料模板8表面上。在本实施例中，所述形状记忆聚合物和所述固化剂混合的混合物倾倒在所述高分子材料模板8表面上后，通过抽真空确保所述形状记忆聚合物进入到所述高分子材料模板8的结构内部，如抽真空10分钟。形状记忆聚合物的种类选择，本实施例使用的是环氧树脂E51，选用其他类型的形状记忆聚合物也可得到相应结构，如双酚A二缩水甘油醚。
加热器用于在60℃下加热具有混合物的高分子材料模板8两个小时，随后100摄氏度下加热1小时，进行固化后脱模处理，得到设置在所述高分子材料模板8上的倾斜角为所述目标角度的倾斜微柱阵列，形成倾斜微柱阵列结构。调整飞秒激光的入射角度可以得到不同倾斜角度的微柱阵列。
在本实施例中，硅胶模板加工好后，使用脱模剂进行处理。将形状记忆聚合物E51和固化剂按质量比10:3进行充分混合，然后将其倾倒在模板表面。抽真空10分钟，确保形状记忆聚合物进入到结构内部。在60℃下加热2小时，随后100摄氏度下加热1小时，即可得到固化后脱模，即可得到倾斜角为45°的微柱阵列。转印流程如图2所示。
采用本发明制作的倾斜微柱阵列结构从结构上包括高分子材料模板8、位于所述高分子材料模板8上的微柱阵列9，如图3所示。本实施例使用的形状记忆聚合物的玻璃化温度(Tg)为77℃。Tg与材料的种类、配比有关。将微柱阵列加热到Tg之上时，施加一定的压力，即可得到更大的倾斜角(倒塌状态)的微柱阵列。当温度降至Tg之下时，微柱阵列9即可保持倒塌状态(临时形状)。将倒塌的微柱阵列再次加热到Tg之上，又可以恢复为倾斜45°的微柱阵列9(永久状态)。
如图4所示，通过改变加工参数可以方便地制备不同结构参数的微柱阵列。倒塌后，间距小的微柱阵列形成杂乱的结构(图4中的区域a)，间距大的结构形成“首尾相连”的结构(图4中的区域b)。因此，所述目标角度满足：在所述倾斜微柱阵列结构加热到玻璃化温度Tg之上时，通过施加一个目标压力使得所述倾斜微柱阵列处于首尾相连的倒塌状态。
倒塌微柱阵列的表面干粘附力小于原始倾斜微柱阵列表面的粘附力。基于这种特性，可以实现液滴滑动行为的控制。请参阅图5，如图5中的区域a所示，液滴可以在倒塌的微柱阵列上滑动，而在倾斜的微柱阵列表面钉扎。图5中的区域b展示了液滴操控的实际情形。
因此本发明的倾斜微柱阵列实现固-液界面的液滴操控和固-固界面之间的表面干粘附双重功能的功能操控方法，其实现固-液界面的液滴操控功能的步骤为：
将所述倾斜微柱阵列结构加热到玻璃化温度Tg之上，施加一个目标压力，得到更大的倾斜角的倾斜微柱阵列，使得当前的倾斜微柱阵列处于首尾相连的倒塌状态；
当温度降至玻璃化温度Tg之下，所述倾斜微柱阵列保持倒塌状态，用于实现液滴滑动行为的控制；
将所述倾斜微柱阵列结构再次加热到玻璃化温度Tg之上，恢复倾斜角为所述目标角度的倾斜微柱阵列。
请参阅图6，本发明的倾斜微柱阵列还可以实现固-固界面之间的干粘附(图6中的区域a)。利用这种性质可以实现表面粘附物如光滑易碎物体的转移，本实施例中采用盖玻片作为展示。在加热的情况下，将倾斜微柱结构压向盖玻片表面，形成倒塌状态。冷却至室温时，微柱阵列就可以将盖玻片提起来。再次加热，微柱阵列又可以恢复到倾斜状态，实现盖玻片的释放(图6中区域b)。
因此本发明的倾斜微柱阵列实现固-液界面的液滴操控和固-固界面之间的表面干粘附双重功能的功能操控方法，其实现固-固界面之间的表面干粘附功能的步骤为：
将所述倾斜微柱阵列结构加热到玻璃化温度Tg之上的情况下，将所述倾斜微柱阵列结构的倾斜微柱阵列压向表面粘附物的表面上，直至所述倾斜微柱阵列形成倒塌状态；
冷却至室温时，通过所述倾斜微柱阵列将所述待表面粘附物凌空提起，实现对所述表面粘附物的表面干粘附功能；
将所述倾斜微柱阵列结构再次加热到玻璃化温度Tg之上，恢复倾斜角为所述目标角度的倾斜微柱阵列，实现对所述表面粘附物的释放。
本发明和传统倾斜微柱的制备方式相比，本发明的飞秒激光倾斜微纳加工和模板转印方法更加简便，而且本发明制备的倾斜微柱阵列结构可以实现液滴操控和表面干粘附双重功能。倾斜微柱结构同时实现多种功能在之前的工作中没有报道。
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)

1.一种实现液滴操控和表面干粘附双重功能的倾斜微柱阵列结构的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
采用飞秒激光经过凸透镜以一个目标角度的入射方式聚焦在高分子材料模板上；
驱动所述高分子材料模板移动，以在所述高分子材料模板上制作一个与微柱阵列相关的待加工图案；
将形状记忆聚合物和固化剂按质量比10∶3进行充分混合后，倾倒在所述高分子材料模板表面上；
在60℃下加热2小时，随后100摄氏度下加热1小时，进行固化后脱模处理，即可得到设置在所述高分子材料模板上的倾斜角为所述目标角度的倾斜微柱阵列，形成倾斜微柱阵列结构；
其中，所述目标角度满足：在所述倾斜微柱阵列结构加热到玻璃化温度Tg之上时，通过施加一个目标压力使得所述倾斜微柱阵列处于首尾相连的倒塌状态。
2.根据权利要求1所述的实现液滴操控和表面干粘附双重功能的倾斜微柱阵列结构的制备方法，其特征在于，所述形状记忆聚合物和所述固化剂混合的混合物倾倒在所述高分子材料模板表面上后，通过抽真空确保所述形状记忆聚合物进入到所述高分子材料模板的结构内部；
优选地，抽真空10分钟。
3.根据权利要求1所述的实现液滴操控和表面干粘附双重功能的倾斜微柱阵列结构的制备方法，其特征在于，所述目标角度为45°。
4.根据权利要求1所述的实现液滴操控和表面干粘附双重功能的倾斜微柱阵列结构的制备方法，其特征在于，所述高分子材料模板为硅胶模板、或聚二甲基硅氧烷模板、或聚四氟乙烯模板。
5.根据权利要求1所述的实现液滴操控和表面干粘附双重功能的倾斜微柱阵列结构的制备方法，其特征在于，所述形状记忆聚合物为环氧树脂或双酚A二缩水甘油醚。
6.一种实现液滴操控和表面干粘附双重功能的倾斜微柱阵列结构，其包括：
高分子材料模板；
位于所述高分子材料模板上的微柱阵列；
其特征在于，
所述微柱阵列采用飞秒激光经过凸透镜以一个目标角度的入射方式聚焦制作，得到倾斜角为所述目标角度的倾斜微柱阵列；
其中，所述目标角度满足：在所述倾斜微柱阵列结构加热到玻璃化温度Tg之上时，通过施加一个目标压力使得所述倾斜微柱阵列处于首尾相连的倒塌状态。
7.根据权利要求6所述的实现液滴操控和表面干粘附双重功能的倾斜微柱阵列结构，其特征在于，所述倾斜微柱阵列结构采用如权利要求1至5中任意一项所述的实现液滴操控和表面干粘附双重功能的倾斜微柱阵列结构的制备方法制备而成。
8.一种倾斜微柱阵列实现液滴操控和表面干粘附双重功能的功能操控方法，其特征在于，其包括以下步骤：
(1)实现固-液界面的液滴操控功能：
提供如权利要求6或7所述的实现液滴操控和表面干粘附双重功能的倾斜微柱阵列结构；
将所述倾斜微柱阵列结构加热到玻璃化温度Tg之上，施加一个目标压力，得到更大的倾斜角的倾斜微柱阵列，使得当前的倾斜微柱阵列处于首尾相连的倒塌状态；
当温度降至玻璃化温度Tg之下，所述倾斜微柱阵列保持倒塌状态，用于实现液滴滑动行为的控制；
将所述倾斜微柱阵列结构再次加热到玻璃化温度Tg之上，恢复倾斜角为所述目标角度的倾斜微柱阵列；
(2)实现固-固界面之间的表面干粘附功能：
提供如权利要求6或7所述的实现液滴操控和表面干粘附双重功能的倾斜微柱阵列结构；
将所述倾斜微柱阵列结构加热到玻璃化温度Tg之上的情况下，将所述倾斜微柱阵列结构的倾斜微柱阵列压向表面粘附物的表面上，直至所述倾斜微柱阵列形成倒塌状态；
冷却至室温时，通过所述倾斜微柱阵列将所述表面粘附物凌空提起，实现对所述表面粘附物的表面干粘附功能；
将所述倾斜微柱阵列结构再次加热到玻璃化温度Tg之上，恢复倾斜角为所述目标角度的倾斜微柱阵列，实现对所述表面粘附物的释放。
9.一种实现液滴操控和表面干粘附双重功能的倾斜微柱阵列结构的制备装置，其特征在于，其包括：
飞秒激光器(1)，用于输出飞秒激光；
入射角度调节器，用于调节所述飞秒激光在高分子材料模板上的入射角度；
凸透镜(2)，用于将所述飞秒激光以一个目标角度的入射方式聚焦在所述高分子材料模板上；
移动平台(3)，用于驱动所述高分子材料模板移动；
控制器，用于控制飞秒激光器(1)输出飞秒激光，并在所述飞秒激光通过凸透镜(2)以所述目标角度的入射方式聚焦在所述高分子材料模板上后，控制移动平台(3)驱动所述高分子材料模板移动，以在所述高分子材料模板上制作一个与微柱阵列相关的待光刻图案；
容器，用于将形状记忆聚合物和固化剂按质量比10∶3进行充分混合后，倾倒在已经制作有待光刻图案的高分子材料模板表面上；
加热器，用于在60℃下加热具有混合物的高分子材料模板2小时，随后100摄氏度下加热1小时，进行固化后脱模处理，得到设置在所述高分子材料模板上的倾斜角为所述目标角度的倾斜微柱阵列，形成倾斜微柱阵列结构；
其中，所述目标角度满足：在所述倾斜微柱阵列结构加热到玻璃化温度Tg之上时，通过施加一个目标压力使得所述倾斜微柱阵列处于首尾相连的倒塌状态。
10.根据权利要求9所述的实现液滴操控和表面干粘附双重功能的倾斜微柱阵列结构的制备装置，其特征在于，所述入射角度调节器为多个反射镜(4)，反射镜(4)用于改变光路；
或
所述制备装置还包括：衰减片(5)、至少一个光闸；衰减片(5)用于衰减飞秒激光的光信号能量，光闸用于对飞秒激光进行光的单向隔离。
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