本实用新型属于材料制备装置技术领域，尤其涉及一种用于一维微纳米材料自组装的超声波谐振腔装置。
背景技术：
纳米材料的制造可以笼统的分为两种方式，一种是从上往下top-down的方式，另外一种是从下往上bottom-up的方式。自上而下的方法是将大块的材料多余的部分逐步去除，从而得到想要的纳米材料，花费高，效率低；而对于自下而上的方法，一般是将小的组份如原子或分子聚集成纳米尺度的聚集体，简单经济，可以比较容易的在实验室条件下制备。自组装材料在光、电、磁、生物传感、催化等方面的应用具有很大的潜力，这一领域也越来越多的引起了世界上很多科学家的兴趣。
一维微纳米结构的形貌特征以及独一无二的特性使得一维组装微纳米材料在很多潜在应用中占有很多优点，例如这种长条状的纳米棒对于光电效应以及光催化效应有极大的增强作用，因为这种结构能够促进电子的传输，能够有效的促进电荷分离。同时，纳米线状结构由于具有很高的长径比对于在光电以及传感方面的应用具有很大潜力，并且将这种线状微纳米结构可以用来制造结构十分复杂的块状材料。基于这种一维结构的种种优点，有很多学者都在研究一维微纳米颗粒的组装，但是为了获得各向异性的一维纳米结构这就要求使得微纳米颗粒的位置和取向符合相应的排列规则，从而使得这种结构具有特殊的性能。
实现一维纳米结构组装的方法主要有以下几大类。第一类为通过在颗粒上修饰一些官能团，来使得颗粒间相互作用来实现一维自组装，如利用DNA碱基对来使颗粒组装起来，利用静电力使颗粒组装起来，利用亲水基和疏水基的相互作用等。这种组装一维材料的方法主要问题在于需要对组装的颗粒进行表面修饰(如DNA、亲水疏水集团、正电荷负电荷等等)，操作复杂，也对颗粒的表面性质有较多要求(需要能够修饰的表面)，因而限制了该技术的广泛适用性。除此之外，如何控制颗粒的表面，使其能够形成各向异性的一维链状组装，而不是各项同性的三维团聚物，也是一个技术难点。
第二类方法通过外场如磁场、电场的作用实现一维组装。这种方法能够得到比较整齐的长程一维排列，但是存在的问题主要是对颗粒材料的要求。例如，磁性颗粒在磁场中能够轻易的排列为一维链状结构，但是非磁性的材料对磁场并无响应。除此之外，让微纳米颗粒排列为一维链状所需的电场、磁场强度普遍较高，限制了该技术的广泛应用，特别是在生物环境中，无法采用这种方法获得较好的一维结构。
第三类方法利用模板或者外部结构辅助组装，或利用颗粒的形貌，来实现颗粒的一维自组装。前者特殊的微纳米结构以获得一维组装，这种结构常常制备困难，并且所得到的一维结构与外部结构常常复合在一起，难以分离。例如，在分离模板的过程中，常常会损坏得到的一维结构。利用颗粒形貌的不对称性而获得一维自组装的方法存在的最大困难就是复杂的颗粒制备过程，并且很多一维材料基元不可能制备为多种形状。
得到一维结构后，后续的应用常常需要将该结构固定下来。常用的方法包括通过对颗粒表面进行化学修饰，从而利用电荷、化学键作用使颗粒之间形成不可逆的结合。或者通过提高溶液盐浓度的方法，从而减小颗粒的静电排斥力，拉进颗粒的距离，实现颗粒粘连。第一种方法需要对颗粒进行复杂的修饰，效率低下，技术门槛高。第二种方法常常会污染颗粒表面。
技术实现要素：
针对以上技术问题，本实用新型公开了一种用于一维微纳米材料自组装的超声波谐振腔装置，采用该装置进行一维微纳米材料的自组装，不需要对颗粒的表面做任何功能化处理，不需要任何模板，也不需要颗粒具备特殊的形状，大大节省了操作成本，提高了效率；而且得到的一维微纳米材料结构可以固定也可以回收。其中，所述微纳米材料为粒径50纳米到200微米的颗粒；优选的，所述微纳米材料为粒径100纳米到100微米的颗粒。
对此，本实用新型采用的技术方案为：
一种用于一维微纳米材料自组装的超声波谐振腔装置，其包括基底片、压电陶瓷片、样品腔和超声波函数发生器，所述基底片的下表面与压电陶瓷片的表面连接，所述基底片的上表面与样品腔连接，所述压电陶瓷片与超声波函数发生器电连接；其中，所述样品腔内装有包含微纳米粒子与水凝胶单体的混合溶液。
作为本实用新型的进一步改进，所述样品腔的上方还设有光学显微镜，所述样品腔位于光学显微镜物镜焦距处。
采用上述用于一维微纳米材料自组装的超声波谐振腔装置进行一维微纳米材料的自组装方法，包括以下步骤：
步骤S1：往样品腔中加入包含微纳米粒子与水凝胶单体的混合溶液，并安装好超声波谐振腔装置；将安装好的超声波谐振腔装置于光学显微镜物镜焦距处；
步骤S2：通过以下公式计算超声波谐振腔所需的共振频率f：
其中，h为谐振腔的高度，n为自然数，c为声波在液体中传播的速度，f为共振频率；
得到共振频率f后，调节超声波函数发生器输出的超声波频率为f附近，使颗粒在谐振腔中悬浮，得到链状排列的一维结构的微纳米材料。其中，n是从1开始的自然数，如果n取1，那h就对应一个数值，然后谐振腔里面就有一层工作平面；如果n取2，则得到上下两层的工作平面。通过调节h，对应不同的n，可以实现在腔内得到不同层面的3D结构。
步骤S3：使水凝胶单体凝固或交联固化，得到固定的一维微纳米材料。
此技术方案，通过兆赫兹超声谐振波，将颗粒悬浮于水凝胶单体溶液中，悬浮的颗粒由于超声波能量不均匀分散，会聚集在悬浮平面的声波节点附近，通过适当的超声波控制，使颗粒排列为一维结构。通过将水凝胶单体凝固或交联固化即可得到固定的一维微纳米材料，且该一维微纳米材料的结构固定可以长久保存。
现有技术中，如果是从下面往上打的超声波(术语叫做“体波”)，那一般形成的微纳米例子是密堆积，也就是形成一片，而不是一条线。想要形成一条线也可以，就需要更换超声波的输入方式，从两边打过来。从两边打过来这种方法形成的结构贴近底面，如果需要一个悬浮在液体或者固体中间的结构就无法实现。另外，从两边打过来超声波的方法对于很细小的颗粒比如纳米线形成的排列一般是多根线并排随机堆积，而不是单根的头尾相接紧密排列。该技术方案实现了从下面往上打超声波，利用水凝胶的作用，将1微米长，200纳米粗的微米线排列为单根宽度，长100微米的长链；并且能够让微纳米粒子排成非常规则的直线，这个对于现有技术来讲是很困难的。
作为本实用新型的进一步改进，所述光学显微镜设有加热台，所述基底片、压电陶瓷片、样品腔位于加热台上。当样品腔内装有包含微纳米粒子与热敏水凝胶单体的混合溶液时，一维微纳米材料自组装好后，通过加热样品腔，使颗粒在样品腔中悬浮时，所述混合溶液的温度大于80℃；当得到需要的一维结构后，停止加热，样品腔冷却，水凝胶固化，得到固定的一维微纳米材料。采用此技术方案，得到的一维微纳米材料的结构是可逆的，如需要打散结构，只需加热水凝胶使其融化即可。优选的，所述热敏水凝胶为琼脂。
作为本实用新型的进一步改进，所述样品腔的上方设有紫外灯。当样品腔内装有包含微纳米粒子与光敏水凝胶单体的混合溶液时，在得到链状排列的一维结构的微纳米材料后，打开紫外灯照射，引发水凝胶单体交联，使溶液固化，得到固定的一维微纳米材料。其中，所述光敏水凝胶单体优选为聚乙二醇二丙烯酸酯。采用此技术方案，得到的一维微纳米材料的结构是不可逆的，固化时间短，操作方便，结构固定性好。
作为本实用新型的进一步改进，所述紫外灯设于样品腔正上方0.2～1.5cm处。
作为本实用新型的进一步改进，所述基底片的下表面与压电陶瓷片的表面通过超声波耦合剂或树脂粘合剂连接。
作为本实用新型的进一步改进，所述基底片的上表面与样品腔通过超声波耦合剂或树脂粘合剂连接。进一步优选为超声波耦合剂，采用此技术方案，具有更好的超声效果。
作为本实用新型的进一步改进，通过调节超声波频率、声波振幅或压电陶瓷片的位置，得到不同长度、不同弯曲程度、不同排列紧密度的链状结构。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
采用本实用新型的超声波谐振腔装置进行一维微纳米材料的自组装，不需要对颗粒的表面做任何功能化处理，不需要任何模板，也不需要颗粒具备特殊的形状，大大节省了操作成本，提高了效率；而且得到的一维微纳米材料结构可以固定也可以回收。
附图说明
图1是本实用新型一种用于一维微纳米材料自组装的超声波谐振腔装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本实用新型的较优的实施例作进一步的详细说明。
一种用于一维微纳米材料自组装的超声波谐振腔装置，如图1所示，其包括基底片1、压电陶瓷片2、样品腔3和超声波函数发生器4，所述基底片1的下表面与压电陶瓷片2的表面采用超声波耦合剂连接，所述基底片1的上表面与样品腔3采用超声波耦合剂连接，所述压电陶瓷片2与超声波函数发生器4电连接；其中，所述样品腔3内装有包含微纳米粒子与水凝胶单体的混合溶液。
所述样品腔3的上方设有光学显微镜5，所述样品腔3位于光学显微镜物镜5焦距处。
优选的，所述光学显微镜设有加热台，所述基底片1、压电陶瓷片2、样品腔3整体位于加热台上。
优选的，所述样品腔3的上方设有紫外灯；所述紫外灯设于样品腔3正上方0.2～1.5cm处。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。