CN116174070B - 一种基于微纳结构放电的定向运输液滴的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微纳结构放电的定向运输液滴的装置及方法。该装置包括：接地极板、负极性直流电源、高压极板以及高压极板上覆盖的微纳结构；接地极板与高压极板平行放置，构成运输通道，运输通道的一端作为入口输入悬浮雾滴，另一端作为出口输出液滴；高压极板与负极性直流电源连接，高压极板发生气体负极性放电，使得通道内的悬浮雾滴带有负电荷；微纳结构设置于高压极板靠近接地极板的一侧；从通道的入口至出口，高压极板上的微纳结构的曲率半径逐渐减小，以使微纳结构的尖端的正极性电荷逐渐增加，产生静电力；微纳结构用于捕获悬浮雾滴形成液滴，并在静电力的作用下将液滴运输至出口。实现促进捕获悬浮雾滴的效率，并定向输运液滴。

Description

一种基于微纳结构放电的定向运输液滴的装置及方法

技术领域

本发明属于环境保护技术领域，更具体地，涉及一种基于微纳结构放电的定向运输液滴的装置及方法。

背景技术

定向运输液滴被用于微流体控制、集水、防雾以及生物医学设备等诸多领域。自然界中，许多生物已经向控制飞沫的适应性生存策略进化。

现有的方法通常依赖于物理结构和表面能的差异，通过改变液滴接触角和张力实现输运，然而，许多材料是亲水的，由于粘附和摩擦，限制了液滴的传输速度。另外，基于物理结构的输运结构无法控制液滴的输运速度；雾滴自然碰撞在表面的效率极低。

发明内容

针对相关技术的缺陷，本发明的目的在于提供了一种基于微纳结构放电的定向运输液滴的装置及方法，旨在解决雾滴被捕获的效率低，无法进行精准的定向运输，运输速度慢，且速度难以控制的问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种基于微纳结构放电的定向运输液滴的装置，包括：

接地极板、负极性直流电源、高压极板以及高压极板上覆盖的微纳结构；

所述接地极板与所述高压极板平行放置，构成运输通道，所述运输通道的一端作为入口输入悬浮雾滴，另一端作为出口输出液滴；

所述高压极板与所述负极性直流电源连接，所述高压极板发生气体负极性放电，使得通道内的悬浮雾滴带有负电荷；

所述微纳结构设置于所述高压极板靠近所述接地极板的一侧；从通道的入口至出口，所述高压极板上的微纳结构的曲率半径逐渐减小，以使微纳结构的尖端的正极性电荷逐渐增加，产生静电力；所述微纳结构用于捕获所述入口处的所述悬浮雾滴形成液滴，并在所述静电力的作用下将所述液滴运输至出口。

可选的，所述微纳结构采用导电材料，所述微纳结构包括三种不同曲率半径的微纳结构。

可选的，所述微纳结构的曲率半径为50～10000nm。

可选的，所述微纳结构在所述高压极板上的分布宽度预设为500～2000um。

可选的，所述高压极板与所述接地极板间的预设间距是2～8cm。

可选的，所述负极性直流电源的工作电压是5～10kV。

第二方面，本发明还提供了一种基于微纳结构放电的定向运输液滴的方法，基于如第一方面中提供的任一所述的装置，包括：

从接地极板和高压极板构成的运输通道的入口输入悬浮雾滴；以使所述悬浮雾滴在充满负电荷的通道中获取负电荷，并被所述高压极板上具有正电荷的微纳结构捕获，形成液滴；在不同曲率半径的微纳结构之间的静电力差的作用下，所述液滴定向运输，从所述运输通道的出口输出。

可选的，还包括：

调节所述高压极板连接的负值流电源的输出电压，以控制所述液滴在不同微纳结构之间的运输速度。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明的技术方案的运输装置中通过在高压极板上设置微纳结构进行气体放电，微纳结构的尖端带正电荷，吸引带有负电荷的悬浮雾滴在高压极板上聚集，通过设置多种不同曲率半径的微纳结构，从而在液滴接触不同曲率半径的微纳结构时，在液滴的前端和后端形成静电力差，驱动液滴定向移动，实现对液滴的快速捕获和精准的定向运输。

2、本发明的技术方案的控制方法中通过控制负直流电源的输出电压，改变高压极板上的表面电荷密度，从而改变不同曲率半径的微纳结构之间的静电差，控制液滴运输的速度，实现定向精准运输。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的一种基于微纳结构放电的定向运输液滴的装置的结构示意图；

图2是本发明实施例一提供的一种基于微纳结构放电的定向运输液滴的装置中的高压极板和微纳结构的示意图；

图3是本发明实施例二提供的一种基于微纳结构放电的定向运输液滴的方法的原理示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-负极性直流电源；2-高压极板；3-微纳结构；4-接地极板；5-运输通道；6-入口；7-出口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

下面结合一个优选实施例，对上述实施例中涉及的内容进行说明。

实施例一

如图1所示，一种基于微纳结构放电的定向运输液滴的装置，包括：

接地极板4、负极性直流电源1、高压极板2以及高压极板2上覆盖的微纳结构3；

所述接地极板4与所述高压极板2平行放置，构成运输通道5，所述运输通道5的一端作为入口6输入悬浮雾滴，所述运输通道5的另一端作为出口7输出液滴；

所述高压极板2与所述负极性直流电源1连接，所述高压极板2发生气体负极性放电，使得运输通道5内的悬浮雾滴带有负电荷；

所述微纳结构3设置于所述高压极板2靠近所述接地极板4的一侧；从运输通道5的入口6至出口7，所述高压极板2上的微纳结构3的曲率半径逐渐减小，以使微纳结构3的尖端的正极性电荷逐渐增加，产生静电力；所述微纳结构3用于捕获所述入口处的所述悬浮雾滴形成液滴，并在所述静电力的作用下将所述液滴运输至出口7。

例如在检测工业废气中的成分的过程中，废气中会产生大量的雾滴，为了准确检测工业废气中的各项成分，需要将悬浮雾滴排出。本实施例提供的基于微纳结构放电的定向运输液滴的装置可以充分聚集悬浮雾滴并将其定向运输。另外，本专利在生物医学领域，对细胞的分离、微藻的聚焦等都具有应用潜力。

高压极板2连接负极性直流电源1，高压极板2上带电，微纳结构3发生气体放电反应，接地极板4与高压极板2平行放置，构成运输通道5，气体放电后，运输通道5中充满负电荷。向运输通道5中输入样本气体，样本气体中的悬浮雾滴进入运输通道5后，在运输通道5中获得负电荷。由于在微纳结构3放电过程中，积累正电荷，微纳结构3与悬浮雾滴的电荷相互吸引，促使带有负电荷的悬浮雾滴聚集在高压极板2上。其中，曲率半径的大小决定液滴运输的方向。从运输通道5的入口6至出口7，高压极板2上的微纳结构3的曲率半径逐渐减小，因此，微纳结构3的尖端的正极性电荷逐渐增加，不同曲率半径的微纳结构3之间产生电荷梯度，从而使表面上的液滴产生静电力差，当聚集的液滴接触两种不同曲率半径的微纳结构3时，在静电力的作用下驱动液滴从正电荷少的微纳结构3向正电荷多的微纳结构3定向移动，逐渐将液滴运输至出口7。控制负值流电源1的输出电压，可以改变高压极板2上的电荷密度，即改变微纳结构3上的电荷数，使液滴静电力差发生变化，从而实现液滴输运速度的控制。

其中，高压极板2为不锈钢金属板，微纳结构3为导电材料，示例性的，可以为碳纳米管、纳米金属颗粒等。微纳结构3具有良好的导电性能。

可选的，所述微纳结构采用导电材料，所述微纳结构包括三种不同曲率半径的微纳结构。

可选的，所述微纳结构的曲率半径为50～10000nm。

可选的，所述微纳结构在所述高压极板上的分布宽度预设为500～2000um。

采用导电材料的微纳结构所需的运行电压较低。微纳结构3从运输通道5的入口6至出口7依次排列三种曲率半径逐渐减小的维纳结构，三种微纳结构的截面如图1和图2所示，三种微纳结构的曲率半径为50～10000nm，每一种相同曲率半径的微纳结构在高压极板2上的分布宽度预设为500～2000um，不同微纳结构分布宽度可以相同，也可以不同，根据实际需求进行设置。

在高压极板2的强电场作用下，微纳结构3发生气体放电现象，在达到静电平衡时，微纳结构3的表面分布正电荷，导体表面曲率半径大的地方，电场强度越小，曲率半径小的地方，电场强度越大，即随着微纳结构3的曲率半径逐渐减小，微纳结构3上的正电荷逐渐增加，产生电荷梯度。

可选的，所述高压极板与所述接地极板间的预设间距是2～8cm。

高压极板与所述接地极板间的间距决定了运行电压的高低。小间距所需电压较低，但需精准控制电压，防止电晕程度过高将液滴驱动向地电极，又要保证尖端能够产生累积电荷。间距过大会使运行电压提高，对电源的要求和成本都会提高，另外也会造成安全性能降低的问题。在本实施例中，优选的预设间距为6cm。

可选的，所述负极性直流电源的工作电压是5～10kV。

工作电压选择5～10kV，对负极性直流电源的要求比较低，在保证装置正常运行的情况下，降低装置成本。

本发明实施例提供的一种基于微纳结构放电定向输运液滴的装置，通过在高压极板上设置曲率半径不同的微纳结构，微纳结构捕获入口输入的带负电荷的悬浮雾滴，在液滴接触不同微纳结构时，液滴的前后端形成静电力差，在静电力差的作用下驱动液滴定向运动至运输通道的出口输出。解决解决雾滴被捕获的效率低，无法进行精准的定向运输的问题。能够促进捕获悬浮雾滴的效率，定向输运液滴，还能通过控制电源电压控制液滴输运的速度。

实施例二

一种基于微纳结构放电的定向运输液滴的方法，基于上述实施例中任意所述的装置，包括：

从接地极板和高压极板构成的运输通道的入口输入悬浮雾滴。以使悬浮雾滴在充满负电荷的通道中获取负电荷，并被高压极板上具有正电荷的微纳结构捕获，形成液滴；在不同曲率半径的微纳结构之间的静电力差的作用下，液滴定向运输，从运输通道的出口输出。

结合图3，在负极性直流电源的作用下，高压极板上的微纳结构发生气体放电，接地极板和高压极板构成的运输通道中充满负电荷，从运输通道入口输入的悬浮雾滴获得负电荷，微纳结构的尖端处累积正电荷，捕获带负电的悬浮雾滴，聚集在高压极板表面形成液滴；由于负极性直流电源足够大，大多数悬浮雾滴在运输通道入口附近被微纳结构捕获，随着聚集的雾滴越来越多，形成的大液滴接触不同曲率半径的微纳结构，而不同曲率半径的微纳结构会使高压极板表面产生电荷梯度，使表面上的液滴产生静电力差，液滴的静电力由低浓度指向高浓度，从而驱动液滴定向运动至运输通道的出口输出。

可选的，上述方法中还包括：

调节所述高压极板连接的负值流电源的输出电压，以控制所述液滴在不同微纳结构之间的运输速度。

通过控制负值流电源的输出电压，可以改变高压极板上的电荷密度，从而改变不同曲率半径的微纳结构之间的静电力，实现对液滴输运速度的控制。在输出电压越大的情况下，液滴的捕获速度和运输速度越快。

综上所述，本发明提供的基于微纳结构放电的定向运输液滴装置的运输方法，不仅能够促进悬浮雾滴的捕获，定向输运液滴。同时还能控制液滴输运的速度，为微流体控制、雾收集提供一种成本较低、效率较高的方法。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于微纳结构放电的定向运输液滴的装置，其特征在于，包括：

接地极板、负极性直流电源、高压极板以及高压极板上覆盖的微纳结构；

所述接地极板与所述高压极板平行放置，构成运输通道，所述运输通道的一端作为入口输入悬浮雾滴，另一端作为出口输出液滴；

所述高压极板与所述负极性直流电源连接，所述高压极板发生气体负极性放电，使得通道内的悬浮雾滴带有负电荷；

所述微纳结构设置于所述高压极板靠近所述接地极板的一侧；从通道的入口至出口，所述高压极板上的微纳结构的曲率半径逐渐减小，以使微纳结构的尖端的正极性电荷逐渐增加，产生静电力；所述微纳结构用于捕获所述入口处的所述悬浮雾滴形成液滴，并在所述静电力的作用下将所述液滴运输至出口。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述微纳结构采用导电材料，所述微纳结构包括三种不同曲率半径的微纳结构。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述微纳结构的曲率半径为50～10000nm。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述微纳结构在所述高压极板上的分布宽度预设为500～2000um。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述高压极板与所述接地极板间的预设间距是2～8cm。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述负极性直流电源的工作电压是5～10kV。

7.一种基于微纳结构放电的定向运输液滴的方法，基于所述权利要求1-6任一所述的装置，其特征在于，包括：

从接地极板和高压极板构成的运输通道的入口输入悬浮雾滴；以使所述悬浮雾滴在充满负电荷的通道中获取负电荷，并被所述高压极板上具有正电荷的微纳结构捕获，形成液滴；在不同曲率半径的微纳结构之间的静电力差的作用下，所述液滴定向运输，从所述运输通道的出口输出。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：

调节所述高压极板连接的负值流电源的输出电压，以控制所述液滴在不同微纳结构之间的运输速度。