CN117450140A - 一种液体自发单向整流的表面结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液体自发单向整流的表面结构及其制造方法，涉及单向整流表面技术领域，其技术方案要点是：包括多个按照有序阵列排列的表面结构单元；表面结构单元包括上层心形凹坑和中层三角形凹坑和下层光滑平面；表面结构单元的上层心形凹坑的尖端处同时与相邻表面结构单元的上层心形凹坑和中层三角形凹坑连通；表面结构单元的长度l大于等于100μm且小于等于100mm，表面结构单元的宽度w大于等于50μm且小于等于50mm；表面结构单元的上层心形侧壁水平夹角α为锐角。该表面结构实现了表面流体单向输运功能，能够更有效运输微流体至目标区域，同时，该表面结构使得液体传输速度高达12.58mm/s，高于现有的表面结构的传输速率。
Description
技术领域
本发明涉及单向整流表面技术领域，更具体地说，它涉及一种液体自发单向整流的表面结构及其制造方法。
背景技术
流体自发且单向输运在微流体、印刷、油水分离以及水收集等领域具备广泛和重要应用价值。该现象首次在猪笼草和沙漠甲虫等生物表面发现，由于结构设计导致的非对称浸润性，从而使得液体能够沿着特定方向、无需外界能量输入的而自发铺展输运。其中单个液滴在表面上铺展与钉扎的距离比值定义为整流系数，流体持续输运的稳定速率定义为传输速率。
美国发明专利(US15935401)公开了一种单向液体输送系统及其制造方法，该系统设计了由U形单元结构组成的阵列，其中U形阵列被微槽结构分割为条带装，并且U形结构的内侧有倒檐结构。位于结构表面的流体分前驱膜和主液膜式铺展传输，其中流体前驱膜被限制在微槽内，可沿着微槽向两端浸润铺展；主液膜在沿着U形结构的内侧方向被倒檐结构钉扎，无法与前驱膜汇合铺展，而在沿着U形结构外侧则可以逐步跨越并与前驱膜汇合，持续铺展传输。该表面系统采用微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)工艺在硅基材料上制备获得，只可在平面内输运液体。
上述专利存在如下缺点：
1、由于前驱膜可沿着表观钉扎的方向流动，因此其流体整流系数无法达到理论极限；
2、由于主液膜需要逐个克服U形结构外侧倒檐能垒，与前驱液膜汇合，因而其传输速率受限；
3、由于采用MEMS工艺和多次气相蚀刻加工，工艺复杂耗时，难度很高，并且成本昂贵，难以规模化加工；
4、由于采用硅基材料，因此只能在平面上应用，无法适应复杂形貌，如弯曲、扭曲和折叠等。
发明内容
本发明的目的是提供一种液体自发单向整流的表面结构及其制造方法，该结构和方法解决了背景技术中提到的技术问题。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种液体自发单向整流的表面结构，包括多个按照有序阵列排列的表面结构单元；所述表面结构单元包括上层心形凹坑和中层三角形凹坑和下层光滑面；所述表面结构单元的上层心形凹坑的尖端处同时与相邻表面结构单元的上层心形凹坑和中层三角形凹坑连通。
进一步的，所述表面结构单元的长度l大于等于100μm且小于等于100mm，所述表面结构单元的宽度w大于等于50μm且小于等于50mm；所述表面结构单元的上层心形侧壁水平夹角α为锐角，所述表面结构单元的上层心形侧壁与流体接触角β为钝角。
本发明还提供了一种液体自发单向整流的表面结构基于光刻技术的制造方法，具体包括以下步骤：
S1：在硅片光滑衬底表面旋涂一层光刻负胶薄膜；
S2：在光刻胶薄膜表面覆盖第一块掩膜版，按照标准剂量曝光；
S3：将曝光后的光刻胶薄膜和衬底共同加热使得曝光后的薄膜硬化；
S4：将硬化后的光刻胶薄膜和衬底放入显影液中，溶解去除未曝光过的光刻胶，完成中层三角形有序阵列结构制备；
S5：在中层三角形有序阵列结构上重复S1-S4的步骤，完成上层心形有序阵列结构制备，最终获得单向整流表面结构。
进一步的，所述S1中光刻负胶薄膜的厚度为20μm-20mm。
本发明还提供了一种液体自发单向整流的表面结构基于微模塑转印的制造方法，具体包括以下步骤：
S1：按照结构设计，采用光刻加工技术获得与所设计表面结构互补的模具；
S2：在模具表面浇筑或者压印基材，除去气泡后使之固化；
S3：脱模后获得单向整流表面结构。
进一步的，所述S2中基材为树脂、橡胶、塑料、玻璃和金属中的任意一种。
本发明还提供了一种液体自发单向整流的表面结构在液体传输方向上的应用。
进一步的，液体自发单向整流的表面结构在逆重力传输液体上的应用。
进一步的，液体自发单向整流的表面结构在扭曲表面传输液体上的应用。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、该表面结构实现了表面流体单向输运功能，能够更有效运输微流体至目标区域；
2、该表面结构使液体前驱膜在其他三个方向完全被钉扎，仅在传输方向铺展，因而获得的整流系数达到理论极限，高达11.9；
3、该表面结构使得液体传输速度高达12.58mm/s，高于现有的表面结构的传输速率；
4、本发明可以实现在柔性基材上制备单向整流表面，因此可以任意弯曲、扭曲、折叠等，适应复杂形貌。
附图说明
图1是本发明实施例1中一种液体自发单向整流的表面结构的结构示意图和扫描电子显微镜图片；
图2是本发明实施例1中液体在结构表面上的单向流动照片；
图3是本发明实施例1中表面结构对液体的整流机理图；
图4是本发明实施例1中多种液体在表面的整流系数图；
图5是本发明实施例2中基于光刻技术的制造方法流程图；
图6是本发明实施例3中基于微模塑转印的制造方法流程图；
图7是本发明实施例4中氢氧化钠溶液(1mol/L)在柔性单向表面上逆重力输运图；
图8是本发明实施例4中液体在复杂曲面上的单向输运图(箭头指示液膜传输位置)。
具体实施方式
以下结合附图1-8对本发明作进一步详细说明。
实施例1：一种液体自发单向整流的表面结构，包括多个按照有序阵列排列的表面结构单元；表面结构单元包括上层心形凹坑和中层三角形凹坑和下层光滑平面；如图1所示，表面结构单元的上层心形凹坑的尖端处同时与相邻表面结构单元的上层心形凹坑和中层三角形凹坑连通；上中下层可以采用异质材料也可以同质材料，且材料任意。
本实施例优选的，表面结构单元的长度l＝100μm，表面结构单元的宽度w＝50μm；表面结构单元的上层心形侧壁水平夹角α为锐角，表面结构单元的上层心形侧壁与流体接触角β为钝角。
本实施例中，单向整流表面经亲水化处理，液体静态接触角小于60°，典型接触角为15.6°；单向整流表面上液体动态接触角呈现不对称性，钉扎一侧动态接触角θp大于传输一侧动态接触角θs，典型的θp＝24.3°，θs＝10.3°，从而为流体持续单向输运提供动力，如图2所示，液滴加载在表面后，上、下和左侧被钉扎，而在右侧则持续流动。如图2所示，流体位于单向整流表面上分层流动，分为前驱膜和主液膜，前驱膜流动受表面结构控制，持续单向流动，主液膜在前驱膜牵引下单向流动；本实施例的单向整流表面对于任意液体都具有整流作用，例如乙醇、细胞培养液、聚丙烯酸溶液、磷酸缓冲液和汗液等，如图4所示，其整流系数因液体表面张力大小而变化。
工作原理：流体在心形单元圆部将被所嵌套的下一单元尖部毛细力牵引，持续往右侧流动，如图3a所示，其流动速度与夹角α正相关，规律如图3b所示；心形尖部结构提供表面能壁垒，无法向左流动，表面能壁垒与三线接触角β正相关，其规律如图三d所示。
实施例2：一种液体自发单向整流的表面结构基于光刻技术的制造方法，如图5所示，具体包括以下步骤：
S1：在硅片光滑衬底表面旋涂一层光刻负胶薄膜，典型厚度为20μm；
S2：在光刻胶薄膜表面覆盖第一块掩膜版，按照标准剂量曝光；
S3：将曝光后的光刻胶薄膜和衬底共同加热使得曝光后的薄膜硬化；
S4：将硬化后的光刻胶薄膜和衬底放入显影液中，溶解去除未曝光过的光刻胶，完成中层三角形有序阵列结构制备；
S5：在中层三角形有序阵列结构上重复S1-S4的步骤，完成上层心形有序阵列结构制备，最终获得单向整流表面结构。
实施例3：一种液体自发单向整流的表面结构基于微模塑转印的制造方法，如图6所示，具体包括以下步骤：
S1：按照结构设计，采用光刻加工技术获得与所设计表面结构互补的模具；
S2：在模具表面浇筑或者压印基材，除去气泡后使之固化，基材可以为基材为树脂、橡胶、塑料、玻璃和金属，典型材料为聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)，固化方式还包括光固化等其他方法；
S3：脱模后获得单向整流表面结构。
重复上述步骤，即可实现整流表面的结构批量制备。
实施例4：一种液体自发单向整流的表面结构在液体传输方向上的应用。
如图7所示，单向整流表面可以逆重力方向放置，当液体(如浓度为1M的氢氧化钠溶液)从底部输入后，会沿着单向方向在表面逆重力输运。
如图8所示，以柔性材料制备的单向整流表面可以扭曲适应多种形貌和工况，液体在一端输入以后，可以沿着单向方向，沿着扭曲壁面持续输运到达另一端，并富集。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (9)
1.一种液体自发单向整流的表面结构，其特征是：包括多个按照有序阵列排列的表面结构单元；所述表面结构单元包括上层心形凹坑和中层三角形凹坑和下层光滑平面；所述表面结构单元的上层心形凹坑的尖端处同时与相邻表面结构单元的上层心形凹坑和中层三角形凹坑连通。
2.根据权利要求1所述的一种液体自发单向整流的表面结构，其特征是：所述表面结构单元的长度l大于等于100μm且小于等于100mm，所述表面结构单元的宽度w大于等于50μm且小于等于50mm；所述表面结构单元的上层心形侧壁水平夹角α为锐角，所述表面结构单元的上层心形侧壁与流体接触角β为钝角。
3.根据权利要求1-2任意一个所述的一种液体自发单向整流的表面结构的制造方法，其特征是：具体包括以下步骤：
S1：在硅片光滑衬底表面旋涂一层光刻负胶薄膜；
S2：在光刻胶薄膜表面覆盖第一块掩膜版，按照标准剂量曝光；
S3：将曝光后的光刻胶薄膜和衬底共同加热使得曝光后的薄膜硬化；
S4：将硬化后的光刻胶薄膜和衬底放入显影液中，溶解去除未曝光过的光刻胶，完成中层三角形有序阵列结构制备；
S5：在中层三角形有序阵列结构上重复S1-S4的步骤，完成上层心形有序阵列结构制备，最终获得单向整流表面结构。
4.根据权利要求3所述的一种液体自发单向整流的表面结构的制造方法，其特征是：所述S1中光刻负胶薄膜的厚度为20μm-20mm。
5.根据权利要求1-2任意一个所述的一种液体自发单向整流的表面结构的制造方法，其特征是：具体包括以下步骤：
S1：按照结构设计，采用光刻技术制备为模板结构；
S2：在模板表面浇筑高分子预聚液体并除去气泡，而后加热固化；
S3：脱模后获得单向整流表面结构。
6.根据权利要求5所述的一种液体自发单向整流的表面结构的制造方法，其特征是：所述S2中高分子为树脂、橡胶和塑料中的任意一种。
7.根据权利要求1-2任意一个所述的一种液体自发单向整流的表面结构在液体传输方向上的应用。
8.根据权利要求7所述的一种液体自发单向整流的表面结构在液体传输方向上的应用，其特征是：液体自发单向整流的表面结构在逆重力传输液体上的应用。
9.根据权利要求7所述的一种液体自发单向整流的表面结构在液体传输方向上的应用，其特征是：液体自发单向整流的表面结构在扭曲表面传输液体上的应用。
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