液滴在润湿梯度表面上长距离自驱动方法与流程

本发明涉及微流控制系统，特别是涉及液滴在润湿梯度表面上长距离自驱动方法。

背景技术：

在微流控系统中，液滴无外力作用下的定向自驱动，特别是在化学分析、生物医学等方面的应用研究备受国内外广泛关注。液滴定向自驱动通常需要外界提供能量(主动的或被动的)，以克服固液界面固有的接触线滞后。打破固体表面润湿对称性的常用方法有：化学梯度、拓扑结构梯度、拓扑结构梯度、温度梯度、电磁力,机械振动,ph值诱导及多种方法的混合。在这些方法中，通过拓扑结构和化学材料不均匀性制备的固体表面润湿梯度，因其减少外界功能和便于操作等优势而受到备受广泛关注。尽管化学材料润湿梯度方式取得了长足的发展，但梯度材料表面的官能团及润湿性会在长期的操作中，因表面有机分子迁移或降解而被破坏。所以，固体表面拓扑结构实现润湿梯度，能更好地弥补化学材料润湿梯度的不足。

对于长距离液滴自驱动，固体表面需要较大的静态接触角梯度和较小的滞后角。为增大润湿梯度范围和减小滞后角，已报道的实现方式是：通过表面涂覆输水涂层，实现表面的超疏水特性，却无法在同一固体表面实现从超亲水到超疏水区域的润湿梯度表面，因此现有的润湿梯度固体表面的梯度范围不超过120°。而这种较小的润湿梯度范围降低了液滴在润湿梯度表面移动的驱动力，限制了移动距离，不能满足行业发展的更高需求。

综上所述，针对现有技术的缺陷，特别需要液滴在润湿梯度表面上长距离自驱动方法，以解决现有技术的不足。

技术实现要素：

针对上述存在的技术缺陷，本发明的目的是：提出了液滴在润湿梯度表面上长距离自驱动方法，极大拓宽了固体表面的润湿梯度范围(大于150°)，降低了表面的滞后角。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

液滴在润湿梯度表面上长距离自驱动方法，润湿梯度表面由均匀的氧化硅条纹及硅纳米针结构组成，润湿梯度固体表面条纹顶部采用静态接触角为15.5°的氧化硅；润湿梯度固体底部是微机械加工制备的硅纳米针结构表面，可实现静态接触角为166.0°的超疏水表面，其滞后角不大于3.0°，极大降低了固体表面的滞后角，通过调节亲疏水面积比，可实现固体表面从超亲水到超疏水的润湿梯度表面，表面润湿梯度范围高达150°以上。

进一步，从超亲水到超疏水的润湿梯度表面，通过调节亲疏水区域面积比，在固体表面设计若干个润湿区域不同的等长的润湿区域，并按照接触角递减的顺序排列，实现离散式渐变的润湿梯度固体表面。

进一步，离散式渐变的润湿梯度固体表面，每个润湿区域的二氧化硅宽度可在30～100μm之间，长度可在1～5mm之间，润湿区域上的润湿特性，可根据cassie-baxter接触角公式计算，设定每个润湿区域的润湿特性。

离散式渐变的润湿梯度固体表面，根据驱动力fd表达式，液滴滴定初始位置的纯纳米硅针区域及相邻的润湿区域之间，应留有足够大的接触角梯度，为液滴移动提供较大的初始驱动力，驱动力fd表达式为：

其中γlv、rb、θd分别为液-气表面张力系数、固-液接触半径和液滴移动的动态接触角。

进一步，润湿梯度固体表面制备工艺流程包括：

(a)氧化；

(b)通过紫外光刻进行图形转移；

(c)干法刻蚀表面氧化层；

(d)干法刻蚀硅纳米针；

(e)去胶工艺。

进一步，结合微机械加工工艺，设计了液滴定向自驱动的多种移动路径，可根据需要设计任意路径的液滴移动固体表面。

本发明的有益效果是：本发明采用微机械加工工艺制备一种纳米纹理表面拓扑结构，刻蚀的3d硅纳米针结构作为超疏水区域。而对于超亲水区域，采用静态接触角为15.5°的氧化硅。这样，所制备的纳米纹理表面润湿梯度范围可拓展到150°(从15.5°到166.0°)。固体表面通过增加亲水氧化硅区域的面积比，为微流液滴连续的自驱动提供一个接触角离散式减小的润湿梯度移动路径。通常，固体表面的接触角滞后为液滴运动提供额外的能量势垒。本发明用具有超疏水特性的硅纳米针结构表面滞后角是3.1°，极大地优化了液滴前后接触线的滞后现象，更进一步地证明了微流液滴在室温下定向自驱动所需的临界润湿梯度，并设计了液滴定向自驱动的多种移动路径，设计新颖，是一种很好的创新方案。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明：

图1为本发明润湿梯度的图形化结构图；

图2为本发明表面图形化结构及其润湿特性图；

图3为本发明液滴在两种尺寸的润湿梯度表面自驱动视频截图；

图4为本发明液滴在三种多样性润湿梯度路径上移动的视频截图；

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

参见图1，液滴在润湿梯度表面上长距离自驱动方法，润湿梯度表面由均匀的氧化硅条纹及硅纳米针结构组成，润湿梯度固体表面条纹顶部采用静态接触角为15.5°的氧化硅，润湿梯度固体底部是采用深反应离子刻蚀的硅纳米针结构，硅纳米针的静态接触角是166.0°，为实现离散式渐变的固体表面润湿梯度，以cassie-baxter为理论指导，通过亲、疏水区域条纹的交替相间结构，调整亲疏水材料的面积比，设计出具有润湿差异的不同润湿区域表面，将这些润湿区域按接触角递减的顺序无间隔相连，形成固体表面的离散式润湿梯度。为定量表征亲疏水材料面积比对固体表面润湿梯度的影响，引入无量纲参数f

其中：和asnp分别是氧化硅和硅纳米针结构的面积，这样，润湿梯度表面亲水区面积比f从左向右逐渐增大，并形成一个从超疏水到超亲水的润湿梯度表面，所设计的不同润湿区域的亲水条纹区域的面积比分别是0、1/7、1/6、1/5、1/4、1/3、1/2.5、1/2、1/1.7、1/1.4、1/1.1和1，其中，面积为0和1的润湿区域分别代表纯纳米硅针结构区域和二氧化硅区域。

优选地，润湿梯度固体表面制备工艺流程包括：

(a)氧化；

(b)通过紫外光刻进行图形转移；

(c)干法刻蚀表面氧化层；

(d)干法刻蚀硅纳米针；

(e)去胶工艺；

制备的润湿梯度表面每个氧化硅条纹的长度为1mm、宽度为90μm、高度为2μm。伴随着亲水区的面积比从0逐渐增加到1，两相邻氧化硅条纹的间距从180μm离散式减小到0，固体表面润湿性也逐渐增大。为了获得微流液滴的最大移动距离，设计了两种润湿区域长度(1mm和3mm)的润湿梯度表面液滴移动路径。

我们采用oca15ecdropshapeanalysis(dataphysics,germany)接触角测量仪，具体测量不同润湿区域的静态接触角和滞后角。图2表示固体表面静态接触角和滞后角沿润湿梯度方向的变化，不难发现，随着图形化表面亲水区面积比从0增加到1，静态接触角随之从超疏水区域的166.0°离散式减小到超亲水区域的15.5°，同时随着静态接触角的减小，固液接触面积逐渐增大，液滴在不同润湿梯度区域的形状也从球缺状逐渐水膜状。本发明所提到的润湿梯度表面，可实现从超疏水到超亲水的大于150°的固体润湿梯度表面。

参见图2.表面图形化结构及其润湿特性。氧化硅条纹尺寸是：长1mm、宽90μm、高2μm.润湿梯度表面俯视图，沿着润湿梯度减小的方向，亲水区面积比分别是0、0.33、0.40、0.50、0.59、0.71、0.91、1，既氧化硅条纹间距分别为：180μm、135μm、90μm、63μm、36μm、9μm、0μm。固液接触界面的切面图。不同润湿梯度区域的静态接触角和滞后角变化。

参见图3，7μl液滴在两种尺寸的润湿梯度表面自驱动视频截图：图3a的润湿区域长度为1mm、液滴的移动距离为5.2mm，图3b的润湿区域长度为3mm、液滴的移动距离为3.2mm。

为了更深入探索液滴的长距离定向自驱动，本了明设计了润湿梯度表面的多种移动路径，例如：环形移动路径、长直线移动路径和“s”形路径。图4表示微流液滴在润湿梯度范围大于150°的多样性路径表面自驱动的液滴移动视频截图，液滴在自驱动过程中，其形状从球缺状逐渐变成扁平水膜。如图4所示，对于环形润湿梯度表面，其路径的内外直径分别是3mm和20mm，并且有12个不同润湿梯度的扇形组成。对于较大体积液滴(如60ul)，能有效增大固液接触界面，从而增大液滴前进线、后退线的接触角梯度，此大液滴在环形润湿梯度移动路径上移动时，能实现从超疏水区域到超亲水区域的210°角位移。所设计的长直线型路径由10个相同长度的梯度值区域，总长度为47mm。60ul液滴在这种长直线型路径上自驱动时，可实现最大移动距离是37.5mm。此外，所设计的“s”型移动路径的总长度为34mm，在此路径自驱动时，液滴根据润湿梯度的方向做变向自驱动。这些多样性移动路径的实现，为液滴长距离非直线定向自驱动提供了可能，并将广泛应用到微流控系统。

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。