三向异性超滑表面、液体定向运输的方法和微反应器

专利名称：三向异性超滑表面、液体定向运输的方法和微反应器

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202210233297.0

专利申请（专利权）人：天津大学
权利人地址：天津市津南区海河教育园雅观路135号天津大学北洋园校区

专利发明（设计）人：陈发泽,蔡泽鑫,田延岭,张大卫

专利摘要：本发明公开了一种液体定向运输的方法，是采用三向异性超滑表面，通过垂直振动驱动液体定向运输，所述的三向异性超滑表面是指在同一平面相互垂直的三个方向上液滴滑动角存在差异的超滑表面，所述的三向异性超滑表面包括微纳米阶梯阵列结构，微纳米阶梯阵列结构表面旋涂有润滑剂，该超滑表面具备显著的三向异性，具体表现在垂直方向上的单向润湿性和平行方向上的超滑特性。主要过程是将三向异性超滑表面固定在振动台上，将待运输液体滴在三向异性超滑表面上，对振动台施加低频振动信号，实现待运输液体的定向运输。本发明的液体定向运输的方法控制方法简单且液滴运动方向可控，可用于设计可控制化学反应顺序的微反应器。

主权利要求：
1.一种液体定向运输的方法，其特征在于，采用三向异性超滑表面，通过垂直振动驱动液体定向运输；
所述的三向异性超滑表面是指在同一平面相互垂直的三个方向上液滴滑动角存在差异的超滑表面；所述的三向异性超滑表面包括微纳米阶梯阵列结构；
将所述三向异性超滑表面固定在振动台上，将待运输液体滴在所述三向异性超滑表面上，对振动台施加低频振动信号，实现待运输液体的定向运输。
2.根据权利要求1所述的液体定向运输的方法，其特征在于，所述微纳米阶梯阵列结构表面旋涂有润滑剂。
3.一种可控制化学反应顺序的微反应器，其特征在于，利用如权利要求1所述的液体定向运输的方法设计该微反应器，其中，所述的三向异性超滑表面包括镜像布置、且阶梯面相对的区域D1和区域D2的微纳米阶梯阵列结构，所述微纳米阶梯阵列结构表面旋涂有润滑剂；将所述三向异性超滑表面固定在振动台上，将参加反应的液体L1和液体L2分别滴在区域D1的表面和区域D2的表面，通过施加不同振幅的振动信号对不同体积液滴的运动进行控制，从而实现控制化学反应的顺序。
4.根据权利要求3所述的可控制化学反应顺序的微反应器，其特征在于，液体L1的液滴的体积大于液体L2的液滴的体积，施加的振动信号的幅值为f1时，液体L1率先运动到所述的三向异性超滑表面中间位置后停止，而液体L2保持在原来位置；当施加的振动信号的幅值增大到f2时，f2>f1，液体L1保持在所述的三向异性超滑表面中间位置，液体L2开始向所述的三向异性超滑表面中间位置运动；液体L1和液体L2先后到达所述的三向异性超滑表面中间位置后汇集。
5.根据权利要求3所述的可控制化学反应顺序的微反应器，其特征在于，所述振动信号为正弦信号、三角波信号和方波信号中的一种，频率为25～50Hz，幅值为0～10Vpp。
6.一种可控制化学反应顺序的微反应器，其特征在于，利用如权利要求1所述的液体定向运输的方法设计该微反应器，其中，所述的三向异性超滑表面包括布置在两侧、且阶梯面相对的区域D1和区域D2的微纳米阶梯阵列结构，其中，区域D1的台阶深度为SN1，区域D2的台阶深度为SN2，SN1＜SN2，所述微纳米阶梯阵列结构表面旋涂有润滑剂；将所述三向异性超滑表面固定在振动台上，将参加反应的相同体积的液体L1和液体L2分别滴在所述区域D1的表面和区域D2的表面，施加振动信号的幅值为f1时，所述液体L1率先运动到所述的三向异性超滑表面中间位置后停止，而液体L2保持在原来位置；当施加振动信号的幅值增大到f2时，f2>f1，液体L1保持在所述的三向异性超滑表面中间位置，液体L2开始向所述的三向异性超滑表面中间位置运动；液体L1和液体L2先后到达所述的三向异性超滑表面中间位置后汇集。
7.根据权利要求6所述的可控制化学反应顺序的微反应器，其特征在于，所述振动信号为正弦信号、三角波信号和方波信号中的一种，频率为25～50Hz，幅值为0～10Vpp。
8.一种三向异性超滑表面，其特征在于，权利要求1或2所述的液体定向运输的方法及权利要求3至7任一所述的可控制化学反应顺序的微反应器中所采用的三向异性超滑表面按照下述步骤制备：首先通过飞秒激光在紫铜基体表面加工出阶梯阵列结构，并依次用盐酸溶液和去离子水清洗干净；然后，将清洗后的样品浸入氢氧化钠和过硫酸铵混合溶液中氧化，从而在表面生成丰富的纳米结构；将样品浸入氟硅烷溶液中浸泡2h，并在80℃的干燥箱中烘干；最后，通过旋涂法向样品表面的纳米结构中注入润滑剂。
9.根据权利要求要求8所述的三向异性超滑表面，其特征在于，所述液体和润滑剂不互溶、不反应。 说明书 : 三向异性超滑表面、液体定向运输的方法和微反应器技术领域[0001] 本发明涉及材料表面处理领域，具体涉及一种三向异性超滑表面的加工方法和液体定向运输的方法。背景技术[0002] 超滑表面是根据猪笼草的结构特性，仿生制备的一种功能界面。其利用光滑的液体润滑层，可对多种液体保持超滑特性。液体定向运输是指液滴在功能界面上沿着指定的方向运动，它在化学微反应、生物分析、水收集等微流控领域存在潜在的应用价值。近年来，在超滑表面进行液滴定向运输受到越来越多的关注和研究。MohammadSoltani等(AdvancedFunctionalMaterials2022,32(1),2107465.)通过构建楔形的超滑表面，实现了对低表面张力液体的无损、被动运输。由于该方法不需外部能量引入，因此运输距离和体积受到限制，难以实现持续输水。BiaoTang等(ACSAppliedMaterials&Interfaces，2020，12(34),38723‑38729)通过电场在超滑表面上构建润湿性梯度，实现了液滴的持续主动运输。这种方法成本较高，并且使用的高压容易造成电介质击穿。机械振动在液滴运输领域有着显著的优势，尤其是在耐久性、稳定性和无交叉污染方面。目前，还没有关于在超滑表面上将垂直振动作为驱动力进行液滴运输的报道。发明内容[0003] 本发明为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种通过垂直振动驱动液体定向运输的超滑表面及其加工方法，同时提供了利用该定向运输方法设计的可控制化学反应顺序的微反应器。[0004] 为了解决上述技术问题，本发明提出的一种液体定向运输的方法，采用三向异性超滑表面，通过垂直振动驱动液体定向运输。[0005] 进一步讲，本发明所述的液体定向运输的方法，其中：[0006] 所述的三向异性超滑表面是指在同一平面相互垂直的三个方向上液滴滑动角存在差异的超滑表面。[0007] 所述的三向异性超滑表面包括微纳米阶梯阵列结构，所述微纳米阶梯阵列结构表面旋涂有润滑剂。[0008] 将所述三向异性超滑表面固定在振动台上，将待运输液体滴在所述三向异性超滑表面上，对振动台施加低频振动信号，实现待运输液体的定向运输。[0009] 本发明中还提出了利用上述的液体定向运输的方法设计的一种可控制化学反应顺序的微反应器，其中，所述的三向异性超滑表面包括镜像布置、且阶梯面相对的区域D1和区域D2的微纳米阶梯阵列结构，所述微纳米阶梯阵列结构表面旋涂有润滑剂；将所述三向异性超滑表面固定在振动台上，将参加反应的液体L1和液体L2分别滴在区域D1的表面和区域D2的表面，通过施加不同振幅的振动信号对不同体积液滴的运动进行控制，从而实现控制化学反应的顺序。[0010] 进一步讲，本发明所述的可控制化学反应顺序的微反应器，其中：[0011] 液体L1的液滴的体积大于液体L2的液滴的体积，施加的振动信号的幅值为f1时，液体L1率先运动到所述的三向异性超滑表面中间位置后停止，而液体L2保持在原来位置；当施加的振动信号的幅值增大到f2时，f2>f1，液体L1保持在所述的三向异性超滑表面中间位置，液体L2开始向所述的三向异性超滑表面中间位置运动；液体L1和液体L2先后到达所述的三向异性超滑表面中间位置后汇集。[0012] 所述的可控制化学反应顺序的微反应器的另一种技术方案是，其中，所述的三向异性超滑表面包括布置在两侧、且阶梯面相对的区域D1和区域D2的微纳米阶梯阵列结构，其中，区域D1的台阶深度为SN1，区域D2的台阶深度为SN2，SN1＜SN2，所述微纳米阶梯阵列结构表面旋涂有润滑剂；将所述三向异性超滑表面固定在振动台上，将参加反应的相同体积的液体L1和液体L2分别滴在所述区域D1的表面和区域D2的表面，施加振动信号的幅值为f1时，所述液体L1率先运动到所述的三向异性超滑表面中间位置后停止，而液体L2保持在原来位置；当施加振动信号的幅值增大到f2时，f2>f1，液体L1保持在所述的三向异性超滑表面中间位置，液体L2开始向所述的三向异性超滑表面中间位置运动；液体L1和液体L2先后到达所述的三向异性超滑表面中间位置后汇集。[0013] 本发明所述的可控制化学反应顺序的微反应器中所述振动信号为正弦信号、三角波信号和方波信号中的一种，频率为25～50Hz，幅值为0～10Vpp。[0014] 本发明中还提出了适用于上述的液体定向运输的方法和可控制化学反应顺序的微反应器中所采用的三向异性超滑表面按照下述步骤制备：首先通过飞秒激光在紫铜基体表面加工出阶梯阵列结构，并依次用盐酸溶液和去离子水清洗干净；然后，将清洗后的样品浸入氢氧化钠和过硫酸铵混合溶液中氧化，从而在表面生成丰富的纳米结构；将样品浸入氟硅烷溶液中浸泡2h，并在80℃的干燥箱中烘干；最后，通过旋涂法向样品表面的纳米结构中注入润滑剂。[0015] 其中，所述液体和润滑剂不互溶、不反应。[0016] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：[0017] (1)所得表面具备显著的三向异性，具体表现在垂直方向上的单向润湿性和平行方向上的超滑特性。具体来说，单向润湿性是由微纳米复合阶梯结构在沿阶梯向上和向下两个方向对液滴运动的阻力差异产生的，而超滑特性取决于注入润滑剂的性质。[0018] (2)控制方法简单且液滴运动方向可控。仅仅对样品施加一个低频振动，便可实现液滴在样品表面的定向运动，这是单向润湿性的宏观表现；在样品沿平行方向倾斜的情况下，不同体积液滴的运动方向可以通过调整振动幅值来改变，这是单向润湿性与超滑特性共同作用的结果。[0019] (3)表面覆盖的润滑剂对多种液体具有排斥性，因此所得表面可对多种液体包括水、多种溶液、部分油进行无损运输。其中水的体积运输范围为1.4～100μL。附图说明[0020] 图1是本发明所述的三向异性超滑表面的加工流程示意图；[0021] 图2是本发明制备得到的三向异性超滑表面的截面示意图；[0022] 图3是实现本发明液体定向运输的示意图；[0023] 图4是本发明液体定向运输实施例中振动台施加的振动信号的波形图；[0024] 图5是利用图4所示实施例振动驱动下运输水的照片；[0025] 图6是利用图4所示实施例振动驱动下运输乙二醇的照片；[0026] 图7是本发明可控制化学反应顺序的微反应器实施例1的三向异性超滑表面截面；[0027] 图8是利用图7所示实施例用于控制微化学反应顺序的照片；[0028] 图9是本发明可控制化学反应顺序的微反应器实施例2的三向异性超滑表面截面；[0029] 图10是利用图9所示实施例用于控制微化学反应顺序的照片；[0030] 图11是本发明控制不同体积液滴运动方向的实例。[0031] 图中：[0032] 1‑紫铜基底2‑润滑剂3‑注射器4‑待运输液体[0033] 5‑双面胶带6‑三向异性超滑表面7‑振动台8‑氯化铜溶液[0034] 9‑氢氧化钠溶液10‑氢氧化铜沉淀11‑氯化铜溶液12‑氢氧化钠溶液[0035] 13‑氢氧化铜沉淀具体实施方式[0036] 下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。[0037] 本发明提出的一种液体定向运输的方法，采用三向异性超滑表面，通过垂直振动驱动液体定向运输。所述的三向异性超滑表面是指在同一平面相互垂直的三个方向上液滴滑动角存在差异的超滑表面。所述的三向异性超滑表面包括是由微纳米阶梯阵列结构和润滑剂组成，所述的微纳米阶梯阵列结构是在微米尺度阶梯结构表面上复合一层纳米尺度结构。[0038] 如图1和图2所示，通过垂直振动驱动液体定向运输的三向异性超滑表面的加工方法，包括如下步骤：1)首先通过飞秒激光在紫铜基体1的表面加工出周期性微米尺度阶梯结构，并依次用盐酸溶液和去离子水清洗干净；2)将清洗后的样品浸入氢氧化钠(NaOH)和过硫酸铵((NH4)2S2O8)混合溶液中氧化，在表面生成丰富的氢氧化铜纳米结构；3)将表面生成丰富的纳米结构的样品浸入氟硅烷(FAS)乙醇溶液中浸泡2h，并在80℃的干燥箱中烘干，用氟硅烷乙醇溶液降低样品的表面能，达到超疏水效果；4)通过旋涂法，向样品表面的纳米结构中注入润滑剂2，即可得到可排斥多种液体的三向异性超滑表面。所述的润滑剂选自二甲基硅油、全氟聚醚、石蜡油的一种，图2显示了最终所得三向异性超滑表面的截面图。本实施例中润滑剂选用的是二甲基硅油，其粘度为100cSt，表面张力为20mN/m。经氟硅烷降低表面能后的微纳结构能很好的防止润滑剂2的流失。[0039] 实现本发明所述的液体定向运输包括三向异性超滑表面、相应的振动信号输入和液体。[0040] 图3示出了通过垂直振动驱动液体定向运输的方法过程，首先将所述三向异性超滑表面6用双面胶带5固定在振动台7上，然后用注射器3将一定体积的待运输液体4滴在表面上，待运输液体4和润滑剂不互溶、不反应。当给振动台7施加振动信号时，待运输液体4会在三向异性超滑表面6水平方向上定向运动。图4示出了对振动台输入的正弦振动信号，该输入的振动信号不局限于正弦信号，还可以是方波信号或是三角波信号，频率是25～50Hz，幅值为0～10Vpp。由于所需振动频率和幅值较小，因此，三向异性超滑表面6在工作过程中仅仅依靠双面胶带5就可以牢固的连接在振动台7上，这种连接方式便于拆卸，便于重复利用和更换样品。[0041] 图5示出了在所述三向异性超滑表面6上通过振动驱动水滴运动的照片。待运输液体是体积为7μL的水滴(表面张力为72mN/m，粘度为1cP)，在垂直振动驱动下，水滴快速在水平方向上定向运动，速度约为2.7mm/s。图6示出了在所述三向异性超滑表面6上通过振动驱动油滴运动的照片。待运输液体是体积为10μL的乙二醇(表面张力为43.4mN/m，粘度为22cP)，在垂直振动驱动下，乙二醇液滴在水平方向上定向运动，由于其粘度较大，因此其速度较慢，约为0.5mm/s。[0042] 利用上述的液体定向运输的方法设计的一种可控制化学反应顺序的微反应器的实施例1，如图7所示，其中，所述的三向异性超滑表面包括镜像布置、且阶梯面相对的区域D1和区域D2的微纳米阶梯阵列结构，所述微纳米阶梯阵列结构表面旋涂有润滑剂；将所述三向异性超滑表面固定在振动台上，将参加反应的液体L1和液体L2分别滴在区域D1的表面和区域D2的表面，通过施加不同振幅的振动信号对不同体积液滴的运动进行控制，从而实现控制化学反应的顺序。液体L1的液滴的体积大于液体L2的液滴的体积，施加的振动信号的幅值为f1时，液体L1率先运动到所述的三向异性超滑表面中间位置后停止，而液体L2保持在原来位置；当施加的振动信号的幅值增大到f2时，f2>f1，液体L1保持在所述的三向异性超滑表面中间位置，液体L2开始向所述的三向异性超滑表面中间位置运动；液体L1和液体L2先后到达所述的三向异性超滑表面中间位置后汇集。[0043] 图8出了根据本发明振动驱动液滴运动设计的可控制化学反应顺序的微反应器的一个实施例，其中，液体L1是体积为10μL的氯化铜(CuCl2)溶液，液体L2是体积为7μL的氢氧化钠(NaOH)溶液；区域D1的表面为左侧，区域D2的表面为右侧，当振动幅值f1为2.4Vpp时，位于左侧的氯化铜(CuCl2)液滴8率先运动到中间位置后停止，而位于右侧的氢氧化钠(NaOH)液滴保持在原来位置；当施加的振动信号的幅值增大到f2＝3.0Vpp时，氯化铜(CuCl2)液滴8保持在中间，而氢氧化钠(NaOH)液滴9开始向中间运动。二者先后在中间汇集，反应生成氢氧化铜沉淀10。由此可以实现通过控制振幅来实现化学反应的顺序控制，此外，振动还将加速化学反应的进行。[0044] 图9示出了本发明中可控制化学反应顺序的微反应器的实施例2，其中所述的三向异性超滑表面与图7所示的实施例1中的不同仅为：区域D1的台阶深度为SN1，区域D2的台阶深度为SN2，SN1＜SN2。将所述三向异性超滑表面固定在振动台上，将参加反应的相同体积的液体L1和液体L2分别滴在所述区域D1的表面和区域D2的表面，施加振动信号的幅值为f1时，所述液体L1率先运动到所述的三向异性超滑表面中间位置后停止，而液体L2保持在原来位置；当施加振动信号的幅值增大到f2时，f2>f1，液体L1保持在所述的三向异性超滑表面中间位置，液体L2开始向所述的三向异性超滑表面中间位置运动；液体L1和液体L2先后到达所述的三向异性超滑表面中间位置后汇集。[0045] 图10出了根据本发明振动驱动液滴运动设计的可控制化学反应顺序的微反应器的另一个实施例，其中，液体L1是氯化铜(CuCl2)溶液，液体L2是氢氧化钠(NaOH)溶液，体积均为7μL。区域D1的表面为左侧，区域D2的表面为右侧，当振动幅值f1为3.0Vpp时，位于左侧的氯化铜(CuCl2)液滴11率先运动到中间位置后停止，而位于右侧的氢氧化钠(NaOH)液滴保持在原来位置；当施加的振动信号的幅值增大到f2＝3.6Vpp时，氯化铜(CuCl2)液滴8保持在中间，而氢氧化钠(NaOH)液滴12开始向中间运动。二者先后在中间汇集，反应生成氢氧化铜沉淀13。由此可以实现通过控制振幅来实现化学反应的顺序控制，此外，振动还将加速化学反应的进行。[0046] 图11示出了控制不同体积液滴运动方向的一个实例，样品沿着平行方向倾斜1°(略小于滑动角)，振动台的振动幅值保持在2.4V。此时，当大体积(10μL)的水滴滴在起点时，在重力和周期振动的共同作用下，液滴可以沿着样品对角线方向运动。小液滴(5μL)的起振幅值较大，无法单向运动，只能在重力作用下顺着沟槽向下滑动，但当两个小液滴合并之后，体积增大为10μL，便可以越过台阶的阻碍到达终点。通过改变振动台的振动幅值，可以实现不同体积液滴运动方向的控制。[0047] 尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

专利地区：天津

专利申请日期：2022-03-09

专利公开日期：2024-06-18

专利公告号：CN114570306B