RU2720872C2

RU2720872C2 - Капиллярная структура для направленного переноса жидкости (варианты) и подложка для направленного переноса жидкости

Info

Publication number: RU2720872C2
Application number: RU2018138571A
Authority: RU
Inventors: Марша ФОРТХОФЕР; Вернер БАУМГАРТНЕР; Герда БУХБЕРГЕР; Филипп КОМАНС; Флориан ХИШЕН
Original assignee: Кимберли-Кларк Ворлдвайд, Инк.
Priority date: 2016-04-29
Filing date: 2016-04-29
Publication date: 2020-05-13
Also published as: MX2018012447A; GB2565015A; US11255360B2; RU2018138571A; RU2018138571A3; AU2016404266A1; US20190101142A1; KR102621427B1; WO2017188977A1; BR112018071012A2; GB201818593D0; CN108884841B; BR112018071012B1; GB2565015B; AU2016404266B2; CN108884841A; KR20190002521A

Abstract

Группа изобретений относится к капиллярной структуре для направленного переноса жидкости и подложке для направленного переноса жидкости. Капиллярная структура для пассивного направленного переноса жидкости содержит капилляр 20 с направлением вперед и направлением назад. Капилляр 20 содержит первую и вторую капиллярные ячейки 25, каждая из которых имеет последовательность капиллярных компонентов, включающих связующий участок, находящийся в жидкостном сообщении с расширяющимся участком. Расширяющийся участок имеет переднюю сторону и размеры, заставляющие вогнутый мениск двигаться в направлении вперед. Связующий участок второй ячейки 25 соединен с передней стороной расширяющегося участка первой ячейки 25 таким образом, что образует по меньшей мере один переходный участок. Изменения в размерах переходного участка заставляют двигаться в обратном направлении выпуклый мениск жидкости или прямой мениск жидкости с бесконечным радиусом кривизны. Группа изобретений направлена на обеспечение повышения эффективности в перемещении жидкости. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 8 ил.

Description

В связи с беспорядочным расположением волокон во многих пористых структурах, применяемых в поглощающих структурах и структурах для переноса жидкости, обычно требуется большое количество материалов для перемещения объемов жидкости. Как следствие, для переноса жидкости совместно используется несколько материалов с различными свойствами. Поверхность, которая могла бы улучшить перемещение жидкости, позволила бы структуре показывать более хорошие результаты и задействовать способность, которая обычно не используется. Такая поверхность может быть образована или размещена для облегчения перемещения жидкости. Таким образом, жидкость движется не хаотически, а следует структуре поверхности. Это дает возможность спроектировать траекторию движения жидкости.

Предыдущие безуспешные попытки решения этих или связанных проблем включают заявку на патент Канады № СА 2875722 А1, принадлежащую Commans и соавт., которая описывает взаимосвязанные капилляры, и техническую публикацию «One-way Wicking in Open Micro-channels Controlled by Channel Topography», Journal of Colloid and Interface Science 404 (2013), стр. 169-178, которая описывает направленный перенос жидкости, имеющий целью минимизировать, но не исключить, обратный поток.

Можно также упомянуть решение согласно заявке US 2007/0295372, где предлагается использовать капиллярные силы для обеспечения промывки микрочипов посредством промывочного раствора.

Наконец, в патенте ЕР 0470202 описывается система для разделения жидкостей с использованием центрифуги, где посредством капиллярных сил, действующих в фитильной части, производится перенос более легкой жидкости в отдельную камеру для последующего центрифугирования.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ

Описание, приведенное в настоящем документе, решает проблемы, описанные выше, и обеспечивает повышение эффективности в перемещении жидкости.

В соответствии с настоящим изобретением капиллярная структура для пассивного направленного переноса жидкости содержит капилляр с направлением вперед и направлением назад, причем капилляр содержит первую и вторую капиллярные ячейки, каждая из которых имеет последовательность капиллярных компонентов, включающих связующий участок, находящийся в жидкостном сообщении с расширяющимся участком, причем расширяющийся участок имеет переднюю сторону и размеры, заставляющие вогнутый мениск двигаться в направлении вперед, причем связующий участок второй капиллярной ячейки соединен с передней стороной расширяющегося участка первой капиллярной ячейки таким образом, что образует по меньшей мере один переходный участок, и при этом изменения в размерах переходного участка заставляют двигаться в обратном направлении выпуклый мениск жидкости или прямой мениск жидкости с бесконечным радиусом кривизны.

В настоящем изобретении также описывается подложка для направленного переноса жидкости с краевым углом смачивания θ, причем подложка содержит капиллярную структуру для пассивного направленного переноса жидкости, причем капиллярная структура содержит капилляр с направлением вперед и направлением назад, причем капилляр содержит первую и вторую капиллярные ячейки, каждая из которых имеет последовательность капиллярных компонентов, включающих связующий участок, находящийся в жидкостном сообщении с расширяющимся участком, причем расширяющийся участок имеет переднюю сторону и размеры, заставляющие вогнутый мениск двигаться в направлении вперед, причем связующий участок второй капиллярной ячейки соединен с передней стороной расширяющегося участка первой капиллярной ячейки таким образом, что образует по меньшей мере один переходный участок, и при этом изменения в размерах переходного участка заставляют двигаться в обратном направлении выпуклый мениск жидкости или прямой мениск жидкости с бесконечным радиусом кривизны.

В настоящем изобретении также описывается капиллярная структура для пассивного направленного переноса жидкости с краевым углом смачивания θ относительно капиллярной структуры, причем структура содержит капилляр, содержащий множество капиллярных ячеек, каждая из которых имеет последовательность капиллярных компонентов, включающих связующий участок, находящийся в жидкостном сообщении с расширяющимся участком, причем после расширяющегося участка расположен переходный участок, при этом связующий участок имеет характеристическое отношение

при этом расширяющийся участок расширяется относительно связующего участка под углом α таким образом, что α/2<π/2-θ, и при этом переходный участок включает резкое изменение в ширине при переходе от расширяющегося участка капиллярной ячейки к связующему участку следующей капиллярной ячейки.

Другие признаки и аспекты настоящего раскрытия более подробно рассматриваются ниже.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Вышеизложенные и другие признаки и аспекты настоящего изобретения, а также способ их достижения станут более очевидными, и само изобретение станет более понятным из следующего описания, прилагаемой формулы изобретения и сопутствующих графических материалов, где:

на фиг. 1 приведен схематический вид в плане конструкции поверхности капилляров жидкого диода согласно настоящему изобретению;

на фиг. 2А приведен схематический вид в плане параллельного расположения множества капилляров, относящихся к типу, показанному на фиг. 1, с примерными размерами;

на фиг. 2В приведен схематический вид в плане в увеличенном масштабе параллельного расположения множества капилляров, показанных на фиг. 2А, с примерными размерами;

на фиг. 3 приведен схематический вид жидкого диода согласно настоящему изобретению для пассивного направленного переноса жидкости, предусматривающего два периода или капиллярные ячейки структуры с потоком в направлении вперед и с остановкой фронта жидкости в направлении назад. Переходная точка, указанная позицией С, показана более детально на фиг. 5;

на фиг. 4А приведен схематический вид с местным разрезом связующего капиллярного компонента для двустороннего потока, указанного на А на фиг. 3;

на фиг. 4В приведен схематический вид с местным разрезом конического капиллярного компонента с малыми углами наклона α для двустороннего потока, указанного на В на фиг. 3;

на фиг. 4С приведен схематический вид с местным разрезом связующего капиллярного компонента для двустороннего потока, указанного на А на фиг. 3, с установленным радиусом кривизны; и

на фиг. 5 приведен схематический вид с местным разрезом стыка между коническим капиллярным компонентом, показанным на фиг. 4В, и связующим капиллярным компонентом, показанным на фиг. 4А, с резким сужением с образованием отдельной переходной точки, что приводит к возникновению направленного потока, указанной позицией С на фиг. 3. Радиусы кривизны r1 и r2 на фиг. 5 имеют различную длину.

Повторное применение ссылочных позиций в настоящем описании и в графических материалах предназначено для представления одинаковых или аналогичных признаков или элементов настоящего изобретения. Графические материалы являются иллюстративными и не обязательно выполнены в масштабе. Некоторые их размеры могут быть преувеличены, тогда как другие могут быть преуменьшены.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Специалисту в данной области следует понимать, что настоящее рассмотрение представляет собой лишь описание иллюстративных аспектов настоящего раскрытия и не предназначено для ограничения более широких аспектов настоящего раскрытия.

Настоящее изобретение в целом относится к областям применения, в которых используется направленный перенос жидкости. В общем, спектр применения такого направленного переноса жидкости широк и варьирует от впитывающих изделий до микроструйной техники, медицинских приборов, перегонных установок, теплообменников, систем охлаждения для электроники, фильтрационных систем, смазочных материалов, дисплеев с использованием электронных чернил и устройств для сбора поверхностного стока.

Настоящее изобретение относится к поверхности для направленного переноса жидкости, включая полный направленный перенос жидкости с помощью капиллярных сил. Конструкция обеспечивает направленный поток против силы тяжести (или не против силы тяжести) с помощью закрытых или открытых капилляров (то есть, капилляров) для регулирования переноса жидкости из исходной точки в отдельную требуемую точку.

В одном примере большое количество материалов требуется для передвижения объемов жидкости в связи с неупорядоченным расположением волокон во многих пористых структурах. Как следствие, в рамках одного подхода для переноса жидкости совместно используется несколько материалов с различными свойствами. Поверхность, которая улучшила бы перемещение жидкости, в частности, в более отдаленные части структуры, позволила бы структуре задействовать зону потока или поглощающую способность, которые обычно не используются. Такая поверхность, например, может быть выполнена или помещена на слоистый материал или на пленку, чтобы облегчить движение жидкости. Таким образом, жидкость движется не хаотически, а следует структуре поверхности. Это дает возможность спроектировать траекторию движения жидкости.

Кроме того, волокнистые пористые структуры подвержены закрытию пор или забиванию в намокшем состоянии, что приводит к неэффективному переносу жидкости. Структура поверхности в настоящем изобретении выполнена таким образом, что капилляры обеспечивают возобновляемое свободное пространство путем переноса жидкости из каналов в другую точку или в материал для хранения, таким образом обеспечивая возможность повторного использования каналов. Этого можно достичь путем изготовления материала из пленки, геля, или структуры, напоминающей пленку, или жестких материалов, включая жесткие полимерные материалы.

Все материалы с краевым углом смачивания 0<θ<90° (изначально присущий или после обработки) являются пригодными для направленного переноса жидкости согласно настоящему изобретению. Примеры подходящих материалов включают полимеры, металлы, керамические материалы, полупроводники, стекла, пленки, нетканые материалы или любой другой подходящий материал. Термин «полимер» не ограничивается техническими полимерами, а включает такие биоразлагаемые полимеры, такие как соединения целлюлозы, полифосфазены, полимолочные кислоты (ПМК) и эластомеры, такие как полидиметилсилоксан (ПДМС). Особенно подходят для применения согласно настоящему изобретению такие полимеры, как полиметилметакрилат (ПММА), полимолочные кислоты (ПМК), полипропилен (ПП), силиконы, эпоксидные смолы, гидрогели, полиамид (ПА), полиэтилентерефталат (ПЭТФ), ацетат целлюлозы и ацетобутират целлюлозы (АБЦ). Материалы, которые не имеют изначально присущий краевой угол смачивания 0<θ<90°, могут быть изменены путем обработки поверхности или путем химической обработки, такой как плазменная модификация, коронный разряд, нанесение покрытия методом центрифугирования, нанесение покрытия методом распыления или любого подходящего метода или комбинации методов. Материал может быть или может быть сделан гидрофильным или липофильным.

В отношении конкретной структуры поверхности согласно настоящему изобретению подложка, на которой выполняется структура поверхности, содержит поверхность, которая имеет краевой угол смачивания относительно жидкости менее 90° по меньшей мере на некоторых участках, где имеет место поток жидкости. Поверхность имеет структуру, которая содержит множество капилляров с особым последовательным расположением капиллярных компонентов различного элементарного типа.

Структура может быть нанесена лазером или выполнена другими способами изготовления на листе из ПММА (полиметилметакрилата) или на другой подходящей полимерной подложке. Подходящие способы изготовления включают горячее тиснение, трафаретную печать, 3D-печать, микрофрезерование, литье, литье под давлением, оттиск, травление, фотолитографию, включая оптическую фотолитографию и УФ-литографию, фотополимеризацию, двухфотонную полимеризацию или любой другой подходящий способ или комбинацию способов.

В отличие от других технологий с применением микрожидкостного диода, в структуре настоящего изобретения избегают подвижных частей, таких как заслонки или цилиндрические диски. В настоящем изобретении используются традиционные объемные материалы без необходимости в химической обработке или использовании пористых подложек. Хотя в настоящем изобретении предлагается структура для односторонней капиллярности, изготовленные структуры также обеспечивают полный останов фронта жидкости в обратном направлении.

Характеристики структур согласно настоящему изобретению исключают необходимость во взаимосвязи между двумя или более капиллярами, как показано в предыдущих работах, таких как заявка на патент Канады № СА 2875722 А1, принадлежащая Commans и соавт., которая описывает взаимосвязанные капилляры. Одиночные капилляры согласно настоящему изобретению достаточны для выраженного направленного переноса жидкости. Однако согласно другим аспектам настоящего изобретения капилляры могут быть взаимосвязаны, если требуется капиллярная сеть. Например, сеть, состоящая из нескольких капилляров, может быть более отказоустойчивой в ответ на закупоривание в одном или нескольких капиллярах по той причине, что для обхода препятствий, вызывающих закупоривание одиночных капилляров, предусмотрены альтернативные пути.

Структура, описанная в настоящем документе, имеет преимущества в связи с отличным исполнением по сравнению с предыдущими структурами. Структура обеспечивает более высокий объемный расход (то есть, из расчета на определенный участок поверхности, находящийся в контакте с жидкостью) отчасти благодаря способности обеспечивать более высокую плотность компоновки капилляров ввиду отсутствия необходимости во взаимодействии между двумя капиллярами. Другими словами, пульсирующий поток между двумя взаимодействующими капиллярами отсутствует. Этот более высокий объемный расход обусловлен более высокой скоростью переноса в связи с отсутствием пульсирующего потока, который, как правило, ограничивает скорость переноса в прямом направлении. В дополнение к этому, капилляры в настоящем изобретении более просты по конструкции. В результате, структура является более устойчивой к колебаниям размеров капилляров, что означает, что структура является более устойчивой к колебаниям в смачивающей способности применяемых жидкостей (например, поверхностных натяжений и краевых углов смачивания). Структура также является более устойчивой к ошибкам изготовления.

На фиг. 1 показан один пример общего расположения капилляра 20, имеющего две последовательные капиллярные ячейки 25. Капилляр 20 содержит одну или несколько капиллярных ячеек 25, расположенных линейно, причем каждая капиллярная ячейка 25 находится в жидкостном сообщении с предыдущей и последующей капиллярными ячейками 25. Два или более капилляров 20 могут быть расположены бок о бок для обеспечения параллельных путей жидкости, как показано на фиг. 2А. Капилляры 20, описанные в настоящем документе, могут быть открытыми или закрытыми в направлении z, которое является направлением, перпендикулярным плоскости x-y фигур.

Хотя поток жидкости через капилляры 20 может быть в направлениях вперед или назад, чистый поток должен быть в направлении вперед. Чистый поток в направлении вперед также называется направленным потоком.

Как показано на фиг. 3-4С и как описано более детально ниже, капиллярная ячейка 25 содержит по меньшей мере два элементарных типа капиллярных компонентов установленной формы. Капиллярная ячейка содержит умеренно расширяющийся капиллярный компонент и капиллярный компонент с быстрым переходом от узкого к широкому (или наоборот). Капиллярная ячейка 25 может также содержать капиллярный компонент связующего участка. Элементарные типы капиллярных компонентов расположены последовательно особым образом, и это особое последовательное расположение элементарных типов капиллярных компонентов приводит к пассивному направленному переносу жидкости в направлении 50 вперед, даже против силы тяжести.

Структура в настоящем изобретении содержит по меньшей мере один капилляр 20 с любыми стыками или разветвлениями, которые обеспечивают соединение с другими капиллярами, или без них. Каждый капилляр 20 содержит потенциально повторяющуюся последовательность трех конкретных геометрических параметров, конструкция которых зависит от свойств жидкости совместно со свойствами подложки. Геометрические параметры представлены связующим участком А, расширяющимся участком В и по меньшей мере одной переходной точкой С.

Радиус кривизны мениска может использоваться, чтобы определить, будет ли жидкость течь в направлении вперед, или остановится ли жидкость в направлении назад. Согласно простым указаниям вогнутая поверхность означает движение вперед, а выпуклая поверхность означает останов в направлении назад.

Вогнутая поверхность означает «вогнутая внутрь» или «с полостью», что означает, что объект согнут в определенной степени в направлении к его центру. В настоящем изобретении жидкости с вогнутой поверхностью показаны на фиг. 4А и 4В. Фронты жидкости вогнутой формы, движущей силой которых выступают капиллярные силы, облегчают движение жидкости во всех направлениях, указанных на фиг. 4А и 4В. Как показано на фиг. 4С, фронт жидкости имеет вогнутую форму по отношению к центру жидкости, и радиус кривизны r показан (воображаемой) окружностью, описанной через фронт капли. Применимо к случаю, показанному на фиг. 4А, радиус кривизны показан на фиг. 4С. Радиус кривизны r представляет собой радиус воображаемой окружности, которая «вдавливает» каплю внутрь по обеим сторонам.

В отличие от этого, выпуклая поверхность означает «изогнутая дугой» или «изогнутая дугой наружу». В настоящем изобретении жидкости с выпуклой поверхностью показаны на фиг. 5. Радиус выпуклой поверхности с левой стороны препятствует потоку жидкости в направлении назад. В этом случае воображаемая окружность начинается внутри капли жидкости, и радиус кривизны задан r1. Фронт жидкости вогнутой формы с правой стороны имеет радиус кривизны r2. Из-за асимметрии капиллярных стенок имеется два различных радиуса кривизны для капли жидкости, что приводит к асимметричной капиллярной движущей силе в отношении капли и обеспечивает направленный поток.

Кривизна для любого из вышеописанных случаев затем определяется формулой Юнга и Лапласа: Если преобладающая составляющая давления находится внутри капли, она образует вогнутую кривую, если эта составляющая находится снаружи, то она образует выпуклую кривую.

ПРИМЕРЫ

Пример: Связующий участок указан позицией А на фиг. 3 и показан схематически на фиг. 4А. Конструкция связующего участка А обеспечивает двунаправленный поток. Для иллюстрации примера геометрии связующей части А, применяется следующий вывод для перепада давления, вызывающего капиллярный эффект, Δp, который описывается уравнением Юнга и Лапласа:

Δp=γ/h(x)⋅(-1+cosθ(x)+2a(x)cos(α(x)/2)cos(θ(x)-α(x)/2)).

В этом уравнении у означает поверхностное натяжение жидкости относительно окружающего газа, h(x) - глубина капилляра, a(x) - характеристическое отношение капилляра и a(x) - угол наклона стенки связующего капилляра. Характеристическое отношение представляет собой отношение глубины капилляра h(x) к его ширине. Здесь θ представляет собой краевой угол смачивания жидкости относительно твердого тела.

В качестве примера, прямой связующий участок типа А с альфа α=0

Δp=γ/h(-1+cosθ+2a(x)cos(0)cos(θ))

Δp=γ/p⋅(-1+cosθ+2a(x)cos(θ))

Δp=γ/h⋅(-1+cosθ(1+2a(x))

Должно удовлетворяться следующее уравнение для двустороннего переноса жидкости в приводимом в качестве примера связующем капилляре с постоянным характеристическим отношением a _{связующий}.

Δp=γ/h⋅(-1+cosθ(1+2a(x))>0

-1+cosθ(1+2a _{связующий})>0

c(1+2a _{связующий})>1

1+2a _{связующий}>1/cosθ

2a _{связующий}>(1/cosθ)-1

Соответственно, должно быть соблюдено условие

и связующий участок А должен быть гидрофильным. Расширяющийся участок указан позицией В на фиг. 3 и показан схематически на фиг. 4В. В целом коническая конструкция расширяющегося участка В с малыми углами наклона a также обеспечивает двусторонний поток. Следует отметить, что не должна быть постоянной вдоль расширяющегося участка. Для иллюстрации примера геометрии расширяющегося участка В используется следующий вывод для перепада давления, вызывающего капиллярный эффект, Δp_{конический}, который описывается

уравнением Юнга и Лапласа:

Δp_{конический,±}=γ/h_{конический}(x)(-1+cosθ(x)+2a_{конический}(x)cos(a(x)/2)cos(θ(x)±a(x)2)).

Здесь Δp_{конический,+} и Δp_{конический,-} - перепады давления, вызывающие капиллярный эффект, в направлении вперед и в направлении назад соответственно. Здесь γ обозначает поверхностное натяжение жидкости относительно окружающего газа, h_{конический}(x) - глубина капилляра, a _{конический}(x) - характеристическое отношение конического капилляра и a(x) - угол наклона стенки конического капилляра. Характеристическое отношение представляет собой отношение глубины капилляра h_{конический}(x) к его ширине. Здесь θ представляет собой краевой угол смачивания жидкости относительно твердого тела.

Должно удовлетворяться следующее уравнение для двустороннего переноса жидкости в приводимом в качестве примера коническом капилляре с характеристическим отношением a _{конический}(x).

-1+cosθ+2a_{конический}(x)cos(a/2)cos(θ±a/2)>0

-cosθ всегда является отрицательным (если только не θ=0, в этом случае выражение равно 0).

Поэтому, 2a_{конический}(x)cos(a/2)cos(θ±a/2)>+1-cosθ для того, чтобы выражение было >0

Кроме того, cos(θ+a/2) требует того, чтобы 0 градусов <θ+a/2<90 градусов для того, чтобы было положительным; cos(θ-a/2) требует 0 градусов <θ-a/2<90 градусов, чтобы было положительным.

При переводе на радианы, a/2<π/2-θ и a/2<θ должно быть верным, чтобы выражения были >0, если прежние предположения краевого угла смачивания 0 градусов <θ<90 градусов и угла наклона 0 градусов <a<90 градусов соблюдены.

Переходный участок указан позицией С на фиг. 3 и показан более детально на фиг. 5. Стык между в целом коническим расширяющимся участком В и переходным участком С приводит к резкому сужению в направлении 40 вперед, образуя одну переходную точку 50, что приводит к возникновению направленного потока в направлении 40 вперед. Переходный участок С может быть расположен по длине расширяющегося участка B в положении, которое соответствует 50 процентам длины, или в положении, соответствующем более, чем 50 процентам длины, причем длина измеряется от стыка между связующим участком А и расширяющимся участком В. Такое расположение предотвращает обратный поток в направлении 45 назад. Другими словами, переход фронта жидкости из состояния, характеризующегося вогнутой формой, в состояние, характеризующееся выпуклой формой, в переходной точке 50 на переходном участке С останавливает перенос жидкости в направлении 45 назад.

Опытным образцом для этого послужил ПММА, и было продемонстрировано, что это работает в случае с мыльной водой. Образцы были изготовлены из листов полиметилметакрилата (ПММА) методом лазерной абляции с помощью лазера на двуокиси углерода с основной длиной волны в инфракрасном диапазоне света. Структура была изготовлена с восемью капиллярами с размерами и компоновкой капилляров в соответствии с фиг. 2А и 2В с длиной периода 2,4 мм и углом разлета 26,6°. Ширина прямых капиллярных участков составляла 0,3 мм. Был использован водный раствор 0,72 об. % концентрата мыла (жидкое мыло марки DAWN®) с жидкой красной краской от Ponceau S (3,85 об. %). Замеры показали, что эта испытуемая жидкость имеет статический краевой угол смачивания 56°±2° (n=6) на ПММА и поверхностное натяжение в диапазоне от 24 мН/м до 30 мН/м в стандартных лабораторных условиях. На образец помещали каплю испытуемой жидкости объемом приблизительно 200 микролитров. Анализ видеоданных показал, что все восемь капилляров на образце осуществили перенос жидкости в направлении вперед со скоростью в диапазоне мм/с, при этом осуществив останов фронта жидкости в противоположном направлении на испытательном расстоянии приблизительно 26 мм в обоих направлениях. В ходе другого испытания на одиночный капилляр помещали каплю испытуемой жидкости объемом 50 микролитров, и с помощью видеокамеры записывали пять последовательных циклов переноса. Образец осуществил перенос испытуемой жидкости в направлении вперед, при этом осуществив останов фронта жидкости в направлении назад. Данные показали линейную связь между расстоянием, которое фронты жидкости преодолели в направлении вперед, и временем перемещения. Скорость переноса составляла в области 1 мм/с. С помощью линейной регрессии для каждого измерительного цикла были определены соответствующие кривые по экспериментальным точкам и значения скорости. На основе всех линейных приближений были рассчитаны усредненная кривая по экспериментальным точкам и среднее значение скорости 1,04 мм/с ± 0,02 мм/с (±2%) в направлении вперед. При помещении капли объемом 90 микролитров на поверхность образца было установлено, что направленный поток может выдерживать угол наклона 25° на испытательном расстоянии 28 мм.

В первом конкретном аспекте капиллярная структура для пассивного направленного переноса жидкости содержит капилляр с направлением вперед и направлением назад, причем капилляр содержит первую и вторую капиллярные ячейки, каждая из которых имеет последовательность капиллярных компонентов, включающих связующий участок, находящийся в жидкостном сообщении с расширяющимся участком, причем расширяющийся участок имеет переднюю сторону и размеры, заставляющие вогнутый мениск двигаться в направлении вперед, причем связующий участок второй капиллярной ячейки соединен с передней стороной расширяющегося участка первой капиллярной ячейки таким образом, что образует по меньшей мере один переходный участок, и при этом изменения в размерах переходного участка заставляют двигаться в обратном направлении выпуклый мениск жидкости или прямой мениск жидкости с бесконечным радиусом кривизны.

Второй конкретный аспект включает первый конкретный аспект, при этом каждая капиллярная ячейка является по меньшей мере частично открытой в направлении z.

Третий конкретный аспект включает первый и/или второй аспект, при этом каждая капиллярная ячейка является закрытой в направлении z.

Четвертый конкретный аспект включает один или несколько аспектов 1-3, дополнительно содержащих множество капилляров, расположенных параллельно друг другу.

Пятый конкретный аспект включает один или несколько аспектов 1-4, причем каждый капилляр не имеет взаимосвязи с другим капилляром.

Шестой конкретной аспект включает один или несколько аспектов 1-5, причем краевой угол смачивания заданной жидкости по отношению к капилляру составляет менее 90°.

Седьмой конкретный аспект включает один или более аспектов 1-6, причем капилляр является гидрофильным.

Восьмой конкретный аспект включает один или более аспектов 1-7, причем капилляр является липофильным.

Девятый конкретный аспект включает один или несколько аспектов 1-8, причем переходный участок останавливает перенос жидкости в направлении назад.

Десятый конкретный аспект включает один или несколько аспектов 1-9, причем расширяющийся участок имеет длину, измеренную от точки пересечения связующего участка с расширяющимся участком, и при этом переходный участок расположен в положении, соответствующем более, чем 50 процентам длины.

Одиннадцатый конкретный аспект включает один или несколько аспектов 1-10, причем расширяющийся участок имеет длину, измеренную от точки пересечения связующего участка с расширяющимся участком, и при этом переходный участок расположен в положении, соответствующем 50 процентам длины.

Двенадцатый конкретный аспект, подложка для направленного переноса жидкости с краевым углом смачивания в, причем подложка содержит капиллярную структуру для пассивного направленного переноса жидкости, причем капиллярная структура содержит капилляр с направлением вперед и направлением назад, причем капилляр содержит первую и вторую капиллярные ячейки, каждая из которых имеет последовательность капиллярных компонентов, включающих связующий участок, находящийся в жидкостном сообщении с расширяющимся участком, причем расширяющийся участок имеет переднюю сторону и размеры, заставляющие вогнутый мениск двигаться в направлении вперед, причем связующий участок второй капиллярной ячейки соединен с передней стороной расширяющегося участка первой капиллярной ячейки таким образом, что образует по меньшей мере один переходный участок, и при этом изменения в размерах переходного участка заставляют двигаться в обратном направлении выпуклый мениск жидкости или прямой мениск жидкости с бесконечным радиусом кривизны.

Тринадцатый конкретный аспект включает двенадцатый конкретный аспект, причем капилляры расположены параллельно.

Четырнадцатый конкретный аспект включает двенадцатый и/или тринадцатый аспекты, причем краевой угол смачивания заданной жидкости по отношению к подложке составляет менее, чем 90°.

Пятнадцатый конкретный аспект включает один или несколько аспектов 12-14, причем каждая капиллярная ячейка является открытой в направлении z.

Шестнадцатый конкретный аспект включает один или несколько аспектов 12-15, причем каждый капилляр имеет направления вперед и назад, и причем каждый переходный участок останавливает перенос жидкости в направлении назад.

В семнадцатом конкретном аспекте капиллярная структура для пассивного направленного переноса жидкости с краевым углом смачивания θ к капиллярной структуре содержит капилляр, содержащий множество капиллярных ячеек, каждая из которых имеет последовательность капиллярных компонентов, включающих связующий участок, находящийся в жидкостном сообщении с расширяющимся участком, причем после расширяющегося участка расположен переходный участок, при этом связующий участок имеет характеристическое отношение

при этом расширяющийся участок расширяется относительно связующего участка под углом а таким образом, что a/2<π/2-θ, и при этом переходный участок включает резкое изменение в ширине при переходе от расширяющегося участка капиллярной ячейки к связующему участку следующей капиллярной ячейки.

Восемнадцатый конкретный аспект включает семнадцатый конкретный аспект, дополнительно содержащий множество капилляров, расположенных параллельно друг другу.

Девятнадцатый конкретный аспект включает семнадцатый и/или восемнадцатый конкретный аспекты, причем каждый капилляр не имеет взаимосвязи с другим капилляром.

Двадцатый конкретный аспект включает один или несколько аспектов 17-19, причем переходный участок останавливает перенос жидкости в направлении назад.

Эти и другие модификации и изменения настоящего изобретения могут быть осуществлены на практике специалистами в данной области техники без отклонения от идеи и объема настоящего изобретения, более конкретно изложенных в прилагаемой формуле изобретения. Кроме того, следует понимать, что аспекты различных аспектов настоящего изобретения могут являться полностью или частично взаимозаменяемыми. Кроме того, специалистам в данной области техники будет понятно, что вышеизложенное описание приведено только в качестве примера и не предназначено для ограничения изобретения, описанного далее в указанной формуле изобретения.

Claims

1. Капиллярная структура для пассивного направленного переноса жидкости, причем структура содержит:

капилляр с направлением вперед и направлением назад, при этом капилляр содержит первую и вторую капиллярные ячейки, каждая из которых имеет последовательность капиллярных компонентов, включающих связующий участок, находящийся в жидкостном сообщении с расширяющимся участком, причем расширяющийся участок имеет переднюю сторону и размеры, заставляющие вогнутый мениск двигаться в направлении вперед, причем связующий участок второй капиллярной ячейки соединен с передней стороной расширяющегося участка первой капиллярной ячейки таким образом, что образует по меньшей мере один переходный участок, и при этом изменения в размерах переходного участка заставляют двигаться в обратном направлении выпуклый мениск жидкости или прямой мениск жидкости с бесконечным радиусом кривизны.

2. Капиллярная структура по п. 1, отличающаяся тем, что каждая капиллярная ячейка является по меньшей мере частично открытой в направлении, перпендикулярном плоскости, в которой лежит капилляр.

3. Капиллярная структура по п. 1, отличающаяся тем, что каждая капиллярная ячейка является закрытой в направлении, перпендикулярном плоскости, в которой лежит капилляр.

4. Капиллярная структура по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит множество капилляров, расположенных параллельно друг другу.

5. Капиллярная структура по п. 4, отличающаяся тем, что каждый капилляр не имеет связи с другим капилляром.

6. Капиллярная структура по п. 1, отличающаяся тем, что краевой угол смачивания заданной жидкости по отношению к капилляру составляет менее 90°.

7. Капиллярная структура по п. 1, отличающаяся тем, что капилляр является гидрофильным.

8. Капиллярная структура по п. 1, отличающаяся тем, что капилляр является липофильным.

9. Капиллярная структура по п. 1, отличающаяся тем, что переходный участок останавливает перенос жидкости в обратном направлении.

10. Капиллярная структура по п. 1, отличающаяся тем, что расширяющийся участок имеет длину, измеренную от точки пересечения связующего участка с расширяющимся участком, и при этом переходный участок расположен в положении, соответствующем более чем 50 процентам длины.

11. Капиллярная структура по п. 1, отличающаяся тем, что расширяющийся участок имеет длину, измеренную от точки пересечения связующего участка с расширяющимся участком, и при этом переходный участок расположен в положении, соответствующем 50 процентам длины.

12. Подложка для направленного переноса жидкости с краевым углом смачивания θ, причем подложка содержит капиллярную структуру для пассивного направленного переноса жидкости, причем капиллярная структура содержит капилляр с направлением вперед и направлением назад, причем капилляр содержит первую и вторую капиллярные ячейки, каждая из которых имеет последовательность капиллярных компонентов, включающих связующий участок, находящийся в жидкостном сообщении с расширяющимся участком, причем расширяющийся участок имеет переднюю сторону и размеры, заставляющие вогнутый мениск двигаться в направлении вперед, причем связующий участок второй капиллярной ячейки соединен с передней стороной расширяющегося участка первой капиллярной ячейки таким образом, что образует по меньшей мере один переходный участок, и при этом изменения в размерах переходного участка заставляют двигаться в обратном направлении выпуклый мениск жидкости или прямой мениск жидкости с бесконечным радиусом кривизны.

13. Подложка по п. 12, отличающаяся тем, что дополнительно содержит множество капилляров, расположенных параллельно друг другу.

14. Подложка по п. 12, отличающаяся тем, что краевой угол смачивания заданной жидкости относительно подложки составляет менее 90°.

15. Подложка по п. 12, отличающаяся тем, что каждая капиллярная ячейка является открытой в направлении, перпендикулярном плоскости, в которой лежит капилляр.

16. Подложка по п. 12, отличающаяся тем, что каждый капилляр имеет направление вперед и направление назад, и при этом каждый переходный участок останавливает перенос жидкости в направлении назад.

17. Капиллярная структура для пассивного направленного переноса жидкости с краевым углом смачивания θ к капиллярной структуре, причем структура содержит:

капилляр, содержащий множество капиллярных ячеек, каждая из которых имеет последовательность капиллярных компонентов, включающих связующий участок, находящийся в жидкостном сообщении с расширяющимся участком, причем после расширяющегося участка расположен переходный участок,

причем связующий участок имеет характеристическое отношение

причем расширяющийся участок расширяется относительно связующего участка под углом а таким образом, что α/2<π/2-θ, и при этом переходный участок включает скачкообразное изменение в ширине при переходе от расширяющегося участка капиллярной ячейки к связующему участку следующей капиллярной ячейки.

18. Капиллярная структура по п. 17, отличающаяся тем, что дополнительно содержит множество капилляров, расположенных параллельно друг другу.

19. Капиллярная структура по п. 18, отличающаяся тем, что каждый капилляр не имеет связи с другим капилляром.

20. Капиллярная структура по п. 17, отличающаяся тем, что переходный участок останавливает перенос жидкости в обратном направлении.