CN116139960A - 纳米发电机可控化学反应芯片及其制备、使用方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种纳米发电机可控化学反应芯片及其制备、使用方法和应用，属于半导体和纳米材料制备相结合的技术领域。该可控化学反应芯片包括摩擦纳米发电机以及微流控器件；其中摩擦纳米发电机包括第一基底、摩擦电极、介电层一、正摩擦层、负摩擦层，第一基底上设有多个位于第一基底上的摩擦电极，摩擦电极之间设有介电层一，摩擦电极与介电层一上设有正摩擦层，正摩擦材料上设有可移动的负摩擦层；驱动组件微流控器件包括第二基底、驱动电极、介电层二、表面操控层；且第一基底上的摩擦电极与第二基底上的驱动电极进行一一对应连接。本发明实现了液滴在二维方向的移动，提高了液滴在芯片上的灵活性，能够将其应用于合成纳米材料中。

Description

纳米发电机可控化学反应芯片及其制备、使用方法和应用
技术领域
本申请涉及半导体和纳米材料制备相结合的技术领域，尤其涉及一种纳米发电机可控化学反应芯片及其制备、使用方法和应用。
背景技术
微流控技术是一种在小尺度空间中精确操纵和处理微尺度流体的科学技术。微流控技术将传统实验室的典型的生化处理分析功能诸如样品制备、反应、分离以及检测等集成到一个微小的芯片上，因此又被称为“芯片上的实验室”。微流控技术可以应用在医药、化学、生物等多个领域中，可以对液滴进行分提取、移动、分离、混合及反应等操作。基于液滴的微流控技术对液滴的操纵主要是基于介电上的电润湿效应(EWOD)实现的。所谓介电上的电润湿效应是指对介电材料上的液体施加非均匀电场会改变液体接触角的现象。
传统微流控器件利用传统高电压低电流电源，需要复杂的电路管理和设备，限制了微流控技术向小型化、便捷化发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种纳米发电机可控化学反应芯片，另一目的是提供该芯片的制备、使用方法和应用，以弥补现有技术的不足。
为达到上述目的，本发明采取的具体技术方案为：
一种纳米发电机可控化学反应芯片，包括电场提供组件-摩擦纳米发电机以及驱动组件-微流控器件；其中所述摩擦纳米发电机包括第一基底、摩擦电极、介电层一、正摩擦层、负摩擦层，所述第一基底上设有多个位于第一基底上的摩擦电极，所述摩擦电极之间设有介电层一，所述摩擦电极与介电层一上设有正摩擦层，正摩擦材料上设有可移动的负摩擦层；所述驱动组件微流控器件包括第二基底、驱动电极、介电层二、表面操控层，所述第二基底上设有介电层二和多个驱动电极，且该驱动电极位于介电层二之内，所述介电层二上设有表面操控层；且所述第一基底上的摩擦电极与第二基底上的驱动电极进行一一对应连接。
进一步的，所述第一基底可选为亚克力或玻璃等，摩擦电极可为铜、银等金属材料，正摩擦层为因摩擦起电效应失去电子从而表面带有正电荷的材料，可选为：PC或Nylon，负摩擦层为因摩擦起电效应失去电子从而表面带有负电荷的材料，可选为FEP或PTFE；所述表面操控层是用于微型液滴在该表面被操控移动，一般为具有疏水性含-F有机薄膜；所述介电层二可选为PDMS、硅胶等，位于驱动电极和器件表面操控层之间，能够保持操控表面平整及防止漏电即可；所述介电层一可选为Kapton。
进一步的，所述第一基底与第二基底的电极排布方式相同，两者的电极排布只有电极宽度与电极间隙不同；所述摩擦电极宽度为W=4±1cm及电极间隙为G cm ，其中1≤G≤W；所述驱动电极宽度及间隙分别为4±1mm和1±0.2mm。
进一步的，所述介电层二的厚度在 0.43±0.02mm，介电层二的厚度会影响微液滴在表面操控层的移动效果。
一种纳米发电机可控化学反应芯片的制备方法，包括如下步骤：
（1）首先制作摩擦纳米发电机：在第一基底上雕刻出摩擦纳米发电机的电极排布图案，根据电极排布图案贴附上摩擦电极，再在电极间隙贴上介电层一，然后附上正摩擦层，将负摩擦层贴附在与摩擦电极尺寸相同的第一基底上板上作为独立层，摩擦纳米发电机制作完成；
（2）再制作微流控芯片：在第二基底上雕刻出微流控器件的电极排布图案，根据电极图案附上摩擦电极及导线，将介电层二旋涂在第二基底上，然后再在介电层二上方附上表面操控层；
（3）最后按照电极连接整体示意图将摩擦纳米发电机与微流控芯片通过导线进行一一连接。
一种纳米发电机可控化学反应芯片的使用方法，所述方法包括：
（1）确定液滴的初始位置和移动路径；
（2）根据所述初始位置和移动路径确定控制液滴移动所经过的所述驱动电极的位置；
（3）根据所述驱动电极的位置确定所述摩擦电极的位置；
（4）根据所述摩擦电极的位置确定所述负摩擦层的移动路径；通过移动所述负摩擦层为所述液滴移动提供电场信号，进而驱动所述液滴沿设计路线移动。
进一步的，所述（4）中，第一基底的摩擦电极与第二电极的驱动电极之间的感应情况：负摩擦层与正摩擦层接触时，相应的负摩擦层对应其下方的摩擦电极会感应出正电荷以及相应的与该摩擦电极相连接的驱动电极会感应出负电荷，电荷在摩擦电极与驱动电极之间的感应情况以及液滴带电情况，通过负摩擦层组件于正摩擦层上方的移动，相应的摩擦电极以及驱动电极的电荷分布情况会相应地改变，通过电荷分布的改变驱动带电液滴移动，其中去离子水液滴及反应溶液液滴与表面操控层接触时，液滴会带正电。
所述纳米发电机可控化学反应芯片能够应用于纳米材料的制备中，具体是控制液滴移动及化学合成。
本发明的优点和有益效果：
本发明摩擦纳米发电机采用独立摩擦层式摩擦纳米发电机，通过独立层与正摩擦层的摩擦产生转移电荷使连接于微流控器件上的电极之间产生脉冲交流电场，在负摩擦层于正摩擦层上方滑动过程中，电荷在摩擦纳米发电机的各个电极和所述微流控器件的各个电极之间来回流动产生交流电场，产生于驱动电极之间的交流电场通过电润湿效应可驱动包括去离子水液滴连续跨电极移动以及可通过控制不同药品的液滴移动、混合、反应制备通过液相沉淀法或水热法得到的材料。
本发明利用摩擦纳米发电机与微流控器件的阻抗相同的特点，以及摩擦纳米发电机的输出为高电压低电流的电信号，可以直接用来驱动微流控器件操纵液滴，不需要复杂的电路管理，可用于驱动液滴，用以解决驱动微流控器件的复杂电路管理问题，以及用于可控化学反应的应用。本发明实现了液滴在二维方向的移动，提高液滴在芯片上的灵活性，能够将其应用于合成纳米材料中。
附图说明
图1为本发明实例提供的摩擦纳米发电机与微流控器件的电极连接整体示意图。
图2为本发明实例提供的一种摩擦纳米发电机的截面示意图。
图3为本发明实例提供的一种开放式微流控器件的截面示意图。
图4为本发明实例提供的摩擦纳米发电机或一种开放式微流控器件的电极排布示意图，其中（a）为第一基底上的电极排布示意图，（b）为第二基底上的电极排布示意图。
图5为本发明实例提供介电上的电润湿(EWOD)的示意图。
图6为本发明实例提供的一种摩擦纳米发电机驱动微流控器件控制液滴移动的理论示意图。
图7为本发明实例提供的摩擦纳米发电机驱动微流控器件控制液滴移动示意图。
图8为本发明实例提供的摩擦纳米发电机驱动微流控器件控制溶液液滴化学合成示意图。
图9为本发明对比例提供的一种微流控器件的操作效果示意图一。
图10为本发明对比例提供的一种微流控器件的操作效果示意图二。
图11为本发明对比例提供的一种微流控器件的操作效果示意图三。
具体实施方式
以下通过具体实施例并结合附图对本发明进一步解释和说明。
实施例：
本实施例提供了一种纳米发电机可控化学反应芯片，包括电场提供组件摩擦纳米发电机和驱动组件微流控器件；其中，所述摩擦纳米发电机采用独立摩擦层式摩擦纳米发电机，通过独立层与正摩擦层的摩擦产生转移电荷使连接于微流控器件上的电极之间产生脉冲交流电场，在负摩擦层于正摩擦层上方滑动过程中，电荷在摩擦纳米发电机的各个电极和所述微流控器件的各个电极之间来回流动产生交流电场。
在一个实施例中，提供的摩擦纳米发电机以及微流控器件的电极排布，及所述的摩擦纳米发电机与微流控器件的电极连接情况示意图，如图1所示，当然可以选择其他的电极连接示意图，能够达到本发明的目的即可；所述液滴在微流控器件上对应电极的移动路径与所述摩擦纳米发电机上的负摩擦层的移动路径保持一致。
在一个实施例中，提供电场提供组件摩擦纳米发电机的截面示意图，如图2所示，包括第一基底、摩擦电极、介电层一、正摩擦层、负摩擦层。
在一个实施例中，提供的操控组件微流控器件的截面示意图，如图3所示，包括第二基底、驱动电极、介电层二、表面操控层。
在一实施例中，所述第一基底可选为亚克力或玻璃等，摩擦电极可为铜、银等金属材料，正摩擦层为因摩擦起电效应失去电子从而表面带有正电荷的材料，可选为：PC或Nylon，负摩擦层为因摩擦起电效应失去电子从而表面带有负电荷的材料，可选为FEP或PTFE；所述表面操控层是用于微型液滴在该表面被操控移动，一般为具有疏水性含-F有机薄膜；所述介电层二可选为PDMS、硅胶等，所述介电层一可选为Kapton，介电层能够保持操控表面平整及防止漏电即可。当然，在其他实施例中也可以选择能够实现相同功能的其他材料，不止该实施例中提到的常用材料。
在一个实施例中，第一基底与第二基底的电极排布方式相同，如图4所示，两者的电极排布只有电极宽度与电极间隙不同。所述摩擦电极宽度为W=4±1cm及电极间隙为G cm(1≤G≤W)；所述驱动电极宽度及间隙分别为4±1mm和1±0.2mm；所述介电层的厚度在0.43±0.02mm，介电层的厚度会影响微液滴在表面操控层的移动效果。图4中（a）为第一基底上的电极排布情况，包括12个摩擦电极，分别为101、102、103、104、105、106、107、108、109、110、111、112，其排布顺序如图4中（a）所示，对应实施例中负摩擦层的移动路径；图4中（b）为第二基底上的电极排布情况，包括12个驱动电极，分别为201、202、203、204、205、206、207、208、209、210、211、212；其排布顺序如图4中（b）所示，对应后续实施例中液滴的移动路径。
对比例：
在一个对比实施例中，微流控器件的电极宽度和电极间隙分别为4mm和0.5mm，摩擦纳米发电机的电极宽度和电极间隙分别为4cm和1cm，如图9所示，可移动负摩擦层和液滴的初始位置分别为103和203，将负摩擦层从103向104的移动过程中，当负摩擦层位于摩擦电极103与104之间时，液滴有发生微变形，当负摩擦层位于摩擦电极104之上时，大约有1/3的液滴位于驱动电极204上；将负摩擦层从104向105的移动过程中，有小部分液滴向驱动电极205偏移，液滴的大部分体积依然位于初始位置；将负摩擦层从105向102的移动过程中，液滴的整体向对应4个驱动电极(202、203、204、205)的几何中心移动。
在一个对比实施例中，微流控器件的电极宽度和电极间隙分别为4mm和2mm，摩擦纳米发电机的电极宽度和电极间隙分别为4cm和1cm，如图10所示，可移动负摩擦层和液滴的初始位置分别为103和203，将负摩擦层从103向104的移动过程中，当负摩擦层位于摩擦电极103与104之间时，大约1/5液滴位于驱动电极104之上，当负摩擦层位于摩擦电极104之上时，液滴在驱动电极203与204之间平铺；将负摩擦层从104向105的移动过程中，当负摩擦层位于摩擦电极104与105之间时有小部分液滴向驱动电极205的方向偏移，液滴的大部分体积位于驱动电极203与204及其间隙之上，负摩擦层位于摩擦电极105之上时，液滴的形状趋于三角形；将负摩擦层从105向102的移动过程中，液滴的上部分向驱动电极202方向偏移。
在一个对比实施例中，微流控器件的电极宽度和电极间隙分别为4mm和1mm，摩擦纳米发电机的电极宽度和电极间隙分别为4cm和1cm，第二基底上方的介电层厚度为0.6mm，如图11所示，可移动负摩擦层和液滴的初始位置分别为103和203，将负摩擦层从103向104的移动过程中，液滴先是发生微变形，接着平铺在驱动电极203与204之上。
应用实例：
基于上述实施例，产生于微流控器件驱动器上的电极之间的交流电场通过介电上的电润湿效应可驱动包括去离子水液滴连续跨电极移动以及可通过控制不同药品的液滴移动、混合、反应制备通过液相法或水热法得到的材料；所述介电上的电润湿效应的理论示意图，如图5所示，左图为未施加电场时的疏水膜上方的液滴接触状态；右图为在液滴垂直方向施加电场时液滴的接触状态，电场可以改变介电材料上液滴的接触角。
一个应用实例中，所述摩擦纳米发电机采用独立摩擦层式摩擦纳米发电机，通过独立层与正摩擦层的摩擦产生转移电荷使连接于微流控器件上的电极之间产生脉冲交流电场，在负摩擦层于正摩擦层上方滑动过程中，电荷在摩擦纳米发电机的各个电极和所述微流控器件的各个电极之间来回流动产生交流电场来控制液滴的移动。通过移动所述负摩擦层来控制液滴的移动，其中摩擦纳米发电机驱动微流控器件控制水滴移动的理论示意图，如图6所示；首先所述的去离子水液滴及反应溶液液滴与所述的表面操控层接触时，液滴会带正电。摩擦纳米发电机产生的摩擦电场及电荷在第一基底的摩擦电极与第二电极的驱动电极之间的感应情况，负摩擦层与正摩擦层接触时，相应的负摩擦层组件对应其下方的摩擦电极会感应出正电荷以及相应的与该摩擦电极相连接的驱动电极会感应出负电荷。
电荷在摩擦电极与驱动电极之间的感应情况以及所述的液滴带电情况，通过负摩擦层组件于正摩擦层上方的移动，对应的摩擦电极以及驱动电极的电荷分布情况会相应地改变，通过电荷分布的改变驱动带电液滴移动。
如图7所示，操控液滴在“田”字型的4电极上往复运动；通过在摩擦电极(102→105→104→103→102)之间按该顺序往复移动负摩擦层来控制液滴在驱动电极(202→205→204→203→202)按顺序往复移动。
如图8所示，操控液滴合成液相沉淀法制成的材料；液滴A、B为浓度为~0.1M的溶液，溶液A的初始位置为驱动电极203，溶液B的初始位置为204，先将负摩擦层组件从摩擦电极104移动到103，使得溶液A和溶液B初步混合；接着将负摩擦层组件在摩擦电极上按照(103→102→105→104→103)的顺序移动，使得混合液滴在表面操控层上按照(203→202→205→204→203)的顺序往复运动使得溶液A和溶液B充分融合并通过反应产生絮状沉淀，使液滴继续按照所述顺序往复移动，直至混合液滴内不再产生沉淀，将液滴转移到烘箱内干燥、洗涤制得纳米材料。
尽管上述对比例液滴也能产生反应，但在实际应用的效果要明显低于上述实施例。
综上所述，本发明提供的基于摩擦纳米发电机的可控化学反应芯片通过移动负摩擦层使得驱动器件上的液滴移动并进行化学合成，用于解决微流控传统高压低电流的电源供给和微型液滴的可控化学反应等复杂问题。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种纳米发电机可控化学反应芯片，其特征在于，该可控化学反应芯片包括电场提供组件-摩擦纳米发电机以及驱动组件-微流控器件；其中所述摩擦纳米发电机包括第一基底、摩擦电极、介电层一、正摩擦层、负摩擦层，所述第一基底上设有多个位于第一基底上的摩擦电极，所述摩擦电极之间设有介电层一，所述摩擦电极与介电层一上设有正摩擦层，正摩擦材料上设有可移动的负摩擦层；所述驱动组件微流控器件包括第二基底、驱动电极、介电层二、表面操控层，所述第二基底上设有介电层二和多个驱动电极，且该驱动电极位于介电层二之内，所述介电层二上设有表面操控层；且所述第一基底上的摩擦电极与第二基底上的驱动电极进行一一对应连接。
2.如权利要求1所述的纳米发电机可控化学反应芯片，其特征在于，所述第一基底可选为亚克力或玻璃；所述摩擦电极为铜、银或其他金属材料；所述正摩擦层为因摩擦起电效应失去电子从而表面带有正电荷的材料；所述负摩擦层为因摩擦起电效应失去电子从而表面带有负电荷的材料；所述表面操控层是用于微型液滴在该表面被操控移动，为具有疏水性含-F有机薄膜；所述介电层二为PDMS或硅胶，所述介电层一为kapton，介电层能够保持操控表面平整及防止漏电即可。
3.如权利要求1所述的纳米发电机可控化学反应芯片，其特征在于，所述第一基底与第二基底的电极排布方式相同，两者的电极排布只有电极宽度与电极间隙不同；所述摩擦电极宽度为W=4±1cm及电极间隙为G cm ，其中1≤G≤W；所述驱动电极宽度及间隙分别为4±1mm和1±0.2mm。
4.如权利要求1所述的纳米发电机可控化学反应芯片，其特征在于，所述介电层二的厚度在 0.43±0.02mm。
5.一种纳米发电机可控化学反应芯片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）首先制作摩擦纳米发电机：在第一基底上雕刻出摩擦纳米发电机的电极排布图案，根据电极排布图案贴附上摩擦电极，再在电极间隙贴上介电层一，然后附上正摩擦层，将负摩擦层贴附在与摩擦电极尺寸相同的第一基底上板上作为独立层，摩擦纳米发电机制作完成；
（2）再制作微流控芯片：在第二基底上雕刻出微流控器件的电极排布图案，根据电极图案附上摩擦电极及导线，将介电层二旋涂在第二基底上，然后再在介电层二上方附上表面操控层；
（3）最后按照电极连接整体示意图将摩擦纳米发电机与微流控芯片通过导线进行一一连接。
6.一种纳米发电机可控化学反应芯片的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）确定液滴的初始位置和移动路径；
（2）根据所述初始位置和移动路径确定控制液滴移动所经过的驱动电极的位置；
（3）根据驱动电极的位置确定摩擦电极的位置；
（4）根据摩擦电极的位置确定负摩擦层的移动路径；通过移动负摩擦层为所述液滴移动提供电场信号，进而驱动所述液滴沿设计路线移动。
7.如权利要求6所述的使用方法，其特征在于，所述步骤（4）中，第一基底的摩擦电极与第二电极的驱动电极之间的感应情况：负摩擦层与正摩擦层接触时，相应的负摩擦层对应其下方的摩擦电极会感应出正电荷以及相应的与该摩擦电极相连接的驱动电极会感应出负电荷，电荷在摩擦电极与驱动电极之间的感应情况以及液滴带电情况，通过负摩擦层组件于正摩擦层上方的移动，相应的摩擦电极以及驱动电极的电荷分布情况会相应地改变，通过电荷分布的改变驱动带电液滴移动，其中去离子水液滴及反应溶液液滴与表面操控层接触时，液滴会带正电。
8.一种纳米发电机可控化学反应芯片能够应用于纳米材料的制备中。
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