一种图案化二维气泡阵列及其制备方法和应用
【专利摘要】本发明涉及材料领域，公开了一种图案化二维气泡阵列的制备方法，该方法包括如下步骤：1)制备表面具有图案化结构的基材；2)将所述表面具有图案化结构的基材和表面平整的基材分别作为下基底和上基底组成气泡生成体系；3)在所述气泡生成体系中填充含有微小气泡的液体，并通过微小气泡的融合，形成图案化二维气泡阵列。该制备方法利用表面具有图案化结构的基材控制微小气泡的融合，以图案化结构为模版实现了二维气泡大小、形状和排列的精确控制，简单快捷，可控性强，均一性好，制备成本低，便于大规模生产。
【专利说明】
一种图案化二维气泡阵列及其制备方法和应用
技术领域
[0001]本发明涉及材料领域，具体地，涉及一种图案化二维气泡阵列及其制备方法和应用。
【背景技术】
[0002]气泡由于具有特殊的性能，如高比表面积、可压缩性、声波控制、光学衍射和散射、同时具有固体和液体的力学性质等，具有重要的作用。气泡的应用涵盖材料科学、海洋工程、环境科学、生物医药工程、化学工程、食品生产及微电子学等方面，并可用于实验切割、微搅拌器、微反应堆、微型总量分析系统等。
[0003]对气泡的尺寸大小、形状和分布的控制，是气泡在生产应用中最为重要的部分。如环境科学中，较小尺寸的气泡具有更大的比表面积、界面ζ电位高、在液体中上升速率更小等特点，从而更高效地吸附而去除污染物。用于生物医药工程中的微气泡造影剂，不但要求气泡的直径小于8μπι来防止血管阻塞，而且要求分布均匀来避免产生很宽的回声频率。在孔状固体材料的制备方面，气泡的特性赋予多孔性固体材料许多优异的性能，如高的比表面积具有的催化特性、绝缘、隔热、隔声特性及特殊的力学性能等，而这些性能与材料内部孔径的大小、形状和分布具有直接的关系。在生产过程中，气泡的尺寸、大小及分布也直接影响食品、化工产品、药物的质量。另一方面，对气泡的尺寸、形状和分布的精确控制，还有助于加强对气泡的表面结构和性质、大量气泡形成的泡沫的演化规律等的进一步认识，从而开展更深入的研究。比如，利用气泡的共振和耦合共振作用制备出声子晶体，用于声波传播控制的研究等。
[0004]目前产生微纳米气泡的方法有很多，如加压溶气析出气泡法、引气制造气泡法(利用各种剪切力作用，将气体粉碎形成微纳米气泡进入液相中)、电解析出气泡法、超声波法、化学反应法、微流体中流体聚焦法等。这些方法中，有的产生的气泡产量大但尺寸无法精确控制，离散度很大，有的可精确控制气泡的数量和尺寸却产量较低，而且，这些方法产生的气泡在空间中分布是随机的，形状和排列都是比较单一的。因此，如何快速产生并精确控制气泡的大小、形状和空间中的排列方式是目前的一个研究热点，并将在声学、光学、微流体芯片、纳米材料组装、功能性孔隙材料制备等方面具有很大的应用价值。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种工艺简单可控、可大面积应用的二维气泡精确图案化方法。
[0006]为了实现上述目的，本发明提供一种图案化二维气泡阵列的制备方法，该方法包括如下步骤:
[0007]I)制备表面具有图案化结构的基材；
[0008]2)将所述表面具有图案化结构的基材和表面平整的基材分别作为下基底和上基底组成气泡生成体系；
[0009]3)在所述气泡生成体系中填充含有微小气泡的液体，并通过微小气泡的融合，形成图案化二维气泡阵列。
[0010]本发明还提供了通过上述制备方法制备的图案化二维气泡阵列。
[0011]本发明还提供了通过上述制备方法制备的图案化二维气泡阵列在微流体芯片、纳米材料组装、气泡光栅、滤波器和功能性孔隙材料的制备中的应用。
[0012]通过上述技术方案，利用表面具有图案化结构的基材控制微小气泡的融合，以图案化结构为模版实现了二维气泡大小、形状和排列的精确控制。并且，该制备方法简单快捷，可控性强，均一性好，制备成本低，便于大规模生产。
[0013]本发明的其它特征和优点将在随后的【具体实施方式】部分予以详细说明。
【附图说明】
[0014]附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的【具体实施方式】一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中:
[0015]图1是本发明实施例1中的表面具有圆柱阵列的硅片基材的示意图
[0016]图2是本发明实施例6中表面具有圆柱阵列的硅片与表面平整的石英片组成的气泡生成体系的示意图。
[0017]图3是本发明实施例1中随着化学反应和气泡的融合，在气泡生成体系中形成的不均匀的气泡的示意图。
[0018]图4是本发明实施例1中通过使用表面具有六边形排列的圆柱阵列的基材与表面平整的基材制备的六边形二维气泡阵列的示意图。
[0019]图5是本发明实施例2中形成的六边形气泡的明场显微镜图片。
[0020]图6是本发明实施例3中使用表面具有正方形排列的圆柱阵列的基材制备的正方形排列的二维气泡阵列的明场显微镜图片。
[0021]图7是本发明实施例4中使用表面具有大小不一的六边形排列的圆柱阵列的基材制备的相应的二维气泡阵列的明场显微镜图片。
[0022]图8是本发明实施例8中制备的“十字形”排列的二维气泡阵列的明场显微镜图片。
【具体实施方式】
[0023]以下对本发明的【具体实施方式】进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的【具体实施方式】仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0024]在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
[0025]本发明提供的图案化二维气泡阵列的制备方法，该方法包括如下步骤:
[0026]I)制备表面具有图案化结构的基材；
[0027]2)将所述表面具有图案化结构的基材和表面平整的基材分别作为下基底和上基底组成气泡生成体系；
[0028]3)在所述气泡生成体系中填充含有微小气泡的液体，并通过微小气泡的融合，形成图案化二维气泡阵列。
[0029]根据本发明，在所述气泡生成体系中填充含有微小气泡的液体的步骤中，可以在液体中产生微小气泡后，将含有微小气泡的液体填充到所述气泡生成体系中，也可以在将液体填充到所述气泡生成体系后，再在液体中形成微小气泡。
[0030]根据本发明，所述含有微小气泡的液体中的微小气泡的产生方法没有特别的限定，具体地，可以通过物理方法或化学方法产生。
[0031]作为产生所述微小气泡的物理方法，可以为本领域常规使用的各种方法，例如可以为流体聚焦法或超声波法。
[0032]在本发明中，流体聚焦法通过向液体中注入分隔空气所形成的微小气泡。该方法为本领域所公知，对于其具体条件没有特别的限定，可以采用本领域公知的条件。另外，超声波法也为本领域所公知，对于其具体条件也没有特别的限定，可以采用本领域公知的条件。
[0033]作为产生所述微小气泡的化学方法，没有特别的限定，可以为能够产生气体的化学反应方法。优选的情况下，所述化学方法为选自过氧化氢或过氧化脲的催化分解、硼氢化物的水解反应、碳酸盐的酸解反应和碳酸氢盐的酸解反应的一种或多种。其中，硼氢化物的水解反应为在酸性条件下硼氢化物水解生成氢气的反应，所述硼氢化物可以为选自硼氢化钠、硼氢化钾、硼氢化镁和硼氢化钙中的一种或多种，优选为硼氢化钠;所述碳酸盐可以为碳酸钠和/或碳酸钾，所述碳酸氢盐可以为碳酸氢钠和/或碳酸氢钾。
[0034]作为上述过氧化氢或过氧化脲的催化分解的催化剂，可以为选自金属纳米颗粒、三价铁离子和锰离子中的一种或多种。
[0035]另外，为了便于控制反应的速度，更加稳定的形成图案化二维气泡阵列，优选地，所述化学反应为固体和液体反应生成气体的化学反应，具体可以为硼氢化钠与酸溶液反应产生氢气，过氧化脲在催化剂(如银纳米粒子)作用下分解产生氧气等。
[0036]根据本发明，在所述气泡生成体系中填充含有微小气泡的液体的步骤中，如果选用物理方法产生微小气泡，优选在液体中产生微小气泡后，将含有微小气泡的液体填充到所述气泡生成体系中；如果选用化学方法产生微小气泡，优选在将液体填充到所述气泡生成体系后，再进行化学反应在液体中形成微小气泡。
[0037]根据本发明，为了降低表面张力以避免气泡在融合过程中发生破裂，优选地，所述含有微小气泡的液体包含溶剂和表面活性剂。
[0038]作为所述溶剂可以为本领域常规使用的各种溶剂，优选地，所述的溶剂为选自水、
甲醇、乙醇、丙酮、乙二醇、异丙醇、二甘醇、乙二醇甲醚、乙二醇乙醚、乙二醇丁醚、乙二醇苯醚、乙二醇苄醚、糠醇、二甘醇甲醚、二甘醇乙醚、二甘醇丁醚、三甘醇甲醚、双丙酮醇、十三醇、十四醇、邻苯二甲酸二辛酯、醋酸乙酯、醋酸丁酯、环己酮、二甲苯、联二环己烷、环己烷、正丁醇、丁酮、邻苯二甲酸二甲酯和山梨糖醇中的一种或多种。
[0039]作为所述表面活性剂可以为本领域常规使用的各种表面活性剂，优选地，所述的表面活性剂为选自阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性离子表面活性剂和非离子表面活性剂中的一种或多种。具体地，所述阴离子表面活性剂可以为选自十二烷基苯磺酸纳、十二烷基硫酸钠和硬脂酸中的一种或多种;所述阳离子表面活性剂可以为季铵化合物；所述两性离子表面活性剂可以为选自氨基酸型两性离子表面活性剂、甜菜碱型两性离子表面活性剂、聚丙烯酰胺和卵磷脂中的一种或多种;所述非离子表面活性剂可以为选自脂肪酸山梨坦、脂肪酸甘油酯和聚山梨酯中的一种或多种。
[0040]根据本发明，所述含有微小气泡的液体中根据需要还可以含有其他材料，如纳米材料等。
[0041]作为纳米材料的种类没有特别限定，可以根据需要适当选择。具体可举出选自胶体微球、纳米颗粒、纳米线、碳纳米管、石墨稀、和选自以PS纳米微球或无机纳米球(如二氧化硅纳米球、二氧化钛纳米球、氧化铁纳米球等)为核，核外包覆铂壳、金壳、银壳、铜壳、DNA分子、有机焚光分子、功能小分子或者功能高分子的核壳结构纳米颗粒中的一种或多种。优选的情况下，所述纳米颗粒为选自铂、金、银、铜、氧化锌、氧化铁、四氧化三铁、二氧化钛、二氧化硅、CdTe量子点中的一种或多种。根据本发明，所述纳米材料的尺寸可以根据需要具体选择，不影响图案化二维气泡阵列的形成即可。其作用为组装形成纳米材料图案。
[0042]根据本发明，所述气泡生成体系为密闭的或开放的。所述气泡生成体系的密闭和开放是指该气泡生成体系的侧面是密闭或是开放的。所述气泡生成体系为密闭的时，液体不可以通过气泡生成体系的侧面挥发;所述气泡生成体系为开放的时，液体可以通过气泡生成体系的侧面挥发。
[0043]根据本发明，所述表面具有图案化结构的基材通过在选自硅片、铝片、铜片、PDMS膜、PET膜、PMMS膜和PU膜中的一种的基材上形成图案化结构而得到。优选地，所述表面平整的基材是具有平整表面的硅片、石英片、铁片、铜片、铝片、聚硅氧烷(如PDMS)片和橡胶片中的一种。
[0044]根据本发明，所述表面具有图案化结构的基材上的图案化结构的形成方式没有特别的限定，可以根据具体的基材材料进行选择。当基材为硅片、铝片或铜片时，可以采取本领域常规采用的蚀刻技术制备图案化结构；当基材为PDMS膜、PET膜、PMMS膜或PU膜时，可以采用软蚀刻技术进行制备图案化结构。具体蚀刻的步骤和条件，可以用采用本领域常规使用的方式进行，形成所需要的图案化结构即可，在此不再赘述。
[0045]根据本发明，所述表面具有图案化结构的基材的图案化结构没有特别的限定，可以是根据需要确定的各种结构，可以是规整排列的，也可以是不规则的。优选的情况下，该图案化结构是柱状阵列结构或锥状阵列结构，更优选地，该图案化结构是柱状阵列结构，更优选地，所述柱状阵列结构为选自圆柱阵列结构、纺锤柱阵列结构或多面体柱阵列结构中的一种或多种。作为上述规整排列的方式，优选地，所述柱状阵列形成的图案可以为六边形、四边形或三角形，更优选为正六边形、正方形或正三角形。
[0046]所述表面具有图案化结构的基材的图案化结构的尺寸没有特别的限定，能够形成所述图案化二维气泡阵列即可。在图案化结构中柱状阵列形成的单个图案尺寸较小时，可以仅在图案的每个顶点设置所述柱，即能够精确形成所述图案化二维气泡阵列；而在图案化结构中柱状阵列形成的单个图案尺寸较大时，仅在图案的顶点设置所述柱，不同图案内的气泡容易发生融合导致图案化二维气泡阵列不能精确形成，此时，可在同一条边上设置多个柱，并控制相邻的柱的距离，即可形成良好的图案化二维气泡阵列。
[0047]在本发明中，所述柱的半径定义为柱的中心距离柱的外侧面的最远距离，所述柱的间距定义为两个相邻的柱的侧面间的最短距离。根据本发明，为了形成更加规整的图案化二维气泡阵列，所述柱状阵列结构中的柱的高度为5-100μπι，优选为10-50μπι，所述柱的间距为5-100μηι，优选为15-50μηι，所述柱状阵列结构中的柱的半径为2-10μηι，优选为4-8μηι。并且，本发明的发明人经过深入研究发现，所述柱的间距不大于50μπι，所述柱的高度介于10-40μπι之间，能够更加精确地控制图案化二维气泡阵列。
[0048]根据本发明，为了稳定地形成图案化二维气泡阵列，所述含有微小气泡的液体中气泡的体积分数为40-90 %，优选为50-80 % ο所述微小气泡的尺寸没有特别的限定，优选的情况下，所述微小气泡的直径为lOOnm-lOOym，优选为2-100μπι，更优选为10-60μπι。在此，使用的含有微小气泡的液体中气泡的体积分数是指在25°C、1标准大气压的条件下，气体体积占气体与液体总体积的比例。在产生微小气泡的物理方法中，这里的气体体积指的是通过物理方法注入的气体体积;在产生微小气泡的化学方法中，这里的气体体积指的是化学反应产生的气体体积。计算气泡的体积分数时，假设气体在液体中的溶解度为零。
[0049]在本发明中，所述气泡的融合，也可称为气泡的生长和演变，是指气泡由于大小不一，界面曲率半径不同，内部压强不同，内部气体溶解度不同，小气泡逐渐被大气泡合并的过程。
[0050]根据本发明，所述微小气泡的融合过程可以通过温度控制，具体的温度，可以根据需要适当选择，具体可以为5-50°C，优选为10-30°C。作为具体调节温度的方法，可以采用冰水混合物降低环境温度。制得所述图案化二维气泡阵列后，为了进一步延长其保存时间，优选在低温下保存，所述低温环境可为5°C以下，优选为0-5°C。
[0051]本发明还提供了通过上述制备方法制备的图案化二维气泡阵列。
[0052]本发明还提供了上述图案化二维气泡阵列在微流体芯片、纳米材料组装、气泡光栅、滤波器和功能性孔隙材料的制备中的应用。
[0053]以下将通过实施例对本发明进行详细描述。以下实施例中，使用的光学显微镜为由尼康公司生产，型号为NIK0N/E200。以下实施例中，如无特别说明，所述形成图案化二维气泡阵列的过程在室温(25 °C)下进行。
[0054]实施例1
[0055]选取5cmX 5cm的硅片，采用常规掩膜光学刻蚀的方法，在硅片的表面刻蚀出规整排列的六边形排列的圆柱阵列(如图1所示)，其中圆柱阵列的圆柱半径为5μπι，圆柱的间距为30μπι，圆柱的高度为40μπι。将表面平整的玻璃片用乙醇超声清洗10分钟后用氮气吹干。配制硼氢化钠的乙醇溶液，硼氢化钠的浓度为5mg/mL;使用浓盐酸、固体十二烷基苯磺酸钠与水配制十二烷基苯磺酸钠的酸溶液(pH约为2，十二烷基苯磺酸钠的质量含量为0.05%)。然后使用微量注射器吸取15μ1硼氢化钠的乙醇溶液滴加到表面具有六边形排列的圆柱阵列的硅片表面中心处，待乙醇自然挥发完毕，得到表面均匀分布有硼氢化钠的硅片。另取50μ1配制的酸溶液滴加到上述清洗干净的玻璃片上，然后将表面均匀分布有硼氢化钠的硅片盖到上述滴加有酸溶液的玻璃片上，并将其组成的开放的气泡生成体系翻转，随着化学反应产生气泡(气泡的体积分数为80%)和气泡融合(如图3所示)，并随着液体蒸发，得到尺寸均一、按六边形排列的二维气泡阵列时(如图4所示)，即得到图案化二维气泡阵列。
[0056]实施例2
[0057]选取5cmX 5cm的硅片，采用常规掩膜光学刻蚀的方法，在硅片的表面刻蚀出规整排列的正六边形排列的圆柱阵列，每边有三个圆柱，其中圆柱阵列的圆柱半径为5μπι，圆柱的间距为30μπι，圆柱的高度为40μπι。将表面平整的玻璃片用乙醇超声清洗10分钟后用氮气吹干。配制过氧化脲的乙醇溶液，过氧化脲的浓度为2 5mg/mL;使用粒径约为5 Onm的银纳米粒子、十二烷基硫酸钠与水配制得到银纳米粒子含量为2%、十二烷基硫酸钠的质量含量为
0.05%、余量为水的银纳米粒子溶液。然后使用微量注射器吸取25μ1过氧化脲的乙醇溶液滴加到表面具有六边形圆柱阵列的硅片表面中心处，待乙醇自然挥发完毕，得到表面均匀分布有过氧化脲的硅片。另取50μ1所配制的银纳米粒子溶液滴加到上述清洗干净的玻璃片上，然后将表面均匀分布有过氧化脲的硅片盖到上述滴加有银纳米粒子溶液的玻璃片上，并将其组成的开放的气泡生成体系翻转，随着化学反应产生气泡(气泡的体积分数为62%)和气泡的融合，并随着液体蒸发，气泡由圆形变成六边形(如图5所示)，得到尺寸均一、按正六边形排列的二维气泡阵列时，即得到图案化二维气泡阵列。
[0058]实施例3
[0059]选取5cmX 5cm的硅片，采用常规掩膜光学刻蚀的方法，在硅片的表面刻蚀出规整排列的正方形排列的圆柱阵列，每边有四个圆柱，其中圆柱阵列的圆柱半径为5μπι，圆柱的间距ΙΟμπι，圆柱的高度为20μπι。将表面平整的石英片用乙醇超声清洗10分钟后用氮气吹干。配制过氧化脲的乙醇溶液，浓度为25mg/mL;使用粒径约为50nm的银纳米粒子、十二烧基硫酸钠与水配制得到银纳米粒子含量为2%、十二烷基硫酸钠的质量含量为0.05%、余量为水的银纳米粒子溶液。然后使用微量注射器吸取12μ1过氧化脲的乙醇溶液滴加到表面具有六边形圆柱阵列的硅片表面中心处，待乙醇自然挥发完毕，得到表面均匀分布有过氧化脲的硅片。此时，另取25μ1所配制的银纳米粒子溶液滴加到上述清洗干净的石英片上，然后将表面均匀分布有过氧化脲的硅片盖到上述具有银溶液的石英片上，并将其组成的气泡生成体系翻转，随着化学反应产生气泡(气泡的体积分数为61 % )和气泡的融合，并随着液体蒸发，得到尺寸均一、按正方形排列的二维气泡阵列(如图6所示)时，即得到图案化二维气泡阵列。
[0060]实施例4
[0061]选取5cmX 5cm的硅片，采用常规掩膜光学刻蚀的方法，在硅片的表面刻蚀出大小不一的六边形排列的圆柱阵列，使圆柱之间组成的三个六边形夹角都为120度，其中圆柱阵列的圆柱半径为5μπι，圆柱的间距为ΙΟμπι，圆柱的高度为40μπι。将表面平整的PDMS基片用乙醇超声清洗10分钟后用氮气吹干。配制过氧化脲的乙醇溶液，过氧化脲浓度为25mg/mL;使用粒径约为50nm的银纳米粒子、十二烷基硫酸钠与水配制得到银纳米粒子的质量含量为2%、十二烷基硫酸钠的质量含量为0.05%、余量为水的银纳米粒子溶液。然后使用微量注射器吸取25μ1过氧化脲的乙醇溶液滴加到表面具有六边形圆柱阵列的硅片表面中心处，待乙醇自然挥发完毕，得到表面均匀分布有过氧化脲的硅片。此时，另取50μ1所配制的银纳米粒子溶液滴加到上述清洗干净的PDMS基片上，然后将表面均匀分布有过氧化脲的硅片盖到上述具有银溶液的PDMS基片上，并将其组成的气泡生成体系翻转，随着化学反应产生气泡(气泡的体积分数为62%)和气泡的融合，并随着液体蒸发，得到尺寸可控、严格按照所设计六边形排列的二维气泡阵列(如图7所示)时，即得到图案化二维气泡阵列。
[0062]实施例5
[0063]选取5cmX 5cm的玻璃片，采用常规掩膜光学刻蚀的方法，在玻璃片的中间，其表面刻蚀出规整排列的正三角形排列的圆柱阵列，其中圆柱阵列的圆柱半径为5μηι，圆柱的间距为5μπι，圆柱的高度为15μπι。将表面平整的石英片用乙醇超声清洗10分钟后用氮气吹干。配制过氧化脲的乙醇溶液，过氧化脲的浓度为25mg/mL ；使用氯化铁、十二烷基苯磺酸钠与水配制得到氯化铁的质量含量为1%、十二烷基苯磺酸钠的质量含量为0.05%、余量为水的氯化铁溶液。然后使用微量注射器吸取10μ1过氧化脲的乙醇溶液滴加到表面具有六边形圆柱阵列的玻璃片表面中心处，待乙醇自然挥发完毕，得到表面均匀分布有过氧化脲的玻璃片。另取20μ1所配制氯化铁溶液滴加到上述清洗干净的石英片上，然后将表面均匀分布有过氧化脲的玻璃片盖到上述具有氯化铁溶液的石英片上，并将其组成的气泡生成体系翻转，随着化学反应产生气泡(气泡的体积分数为62%)和气泡的融合，并随着液体蒸发，得到尺寸可控、严格按照所设计的三角形排列的二维气泡阵列时，即得到图案化二维气泡阵列。
[0064]实施例6
[0065]选取5cmX 5cm的硅片，采用常规掩膜光学刻蚀的方法，在硅片的表面刻蚀出规整排列的正六边形排列的圆柱阵列，其中圆柱阵列的圆柱半径为5μηι，圆柱的间距为30μηι，圆柱的高度为40μπι。将表面平整的石英片用乙醇超声清洗10分钟后用氮气吹干。把石英片和硅片组成开放的气泡生成体系(如图2所示)。使用流体聚焦法产生气泡的体积分数为70%、气泡直径小于30μπι、十二烷基苯磺酸钠的质量含量为0.05%、其余为水的含有微小气泡的液体，并缓慢上述气泡生成体系中直到充满。控制液体温度为5°C使液体缓慢蒸发，随着气泡的融合，并随着液体蒸发，得到尺寸可控、严格按照所设计的六边形排列的二维气泡阵列时，即得到图案化二维气泡阵列。
[0066]实施例7
[0067]选取5cmX 5cm的表面平整的I3DMS基片，采用软刻蚀的方法，在PDMS的表面制备出规整排列的正六边形排列的圆柱阵列，其中圆柱阵列的圆柱半径为2μηι，圆柱的间距为26μm，圆柱的高度为ΙΟμπι。在PDMS基片边缘，留有200μπι的空隙不加刻蚀来避免液体从侧面蒸发。将表面平整的PET膜用去离子水超声清洗10分钟后用氮气吹干。把表面具有正六边形结构的PDMS基片和PET膜组成气泡生成体系。使用流体聚焦法产生气泡的体积分数为80%、气泡直径小于30μπι、硬脂酸的质量含量为0.01%、余量为乙二醇的含有微小气泡的液体，并缓慢注入PDMS基片和PET膜形成的气泡生成体系中直到充满。控制液体温度为5°C使液体缓慢蒸发，随着气泡的融合，得到尺寸可控、严格按照所设计的六边形排列的二维气泡阵列时，即得到图案化二维气泡阵列。
[0068]实施例8
[0069]选取5cmX 5cm的硅片，采用常规掩膜光学刻蚀的方法，在硅片的表面刻蚀出与实施例I相似，但去除四个相邻六边形单元中心的两个圆柱(如图8中白色的小圆柱的排列方式)，其中圆柱阵列的圆柱半径为5μηι，圆柱的间距为ΙΟμπι，圆柱的高度为40μηι。将表面平整的PDMS基片用乙醇超声清洗10分钟后用氮气吹干。配制过氧化脲的乙醇溶液，过氧化脲浓度为25mg/mL;使用粒径约为50nm的银纳米粒子、十二烷基硫酸钠与水配制得到银纳米粒子的质量含量为2%、十二烷基硫酸钠的质量含量为0.05%、余量为水的银纳米粒子溶液。然后使用微量注射器吸取25μ1过氧化脲的乙醇溶液滴加到表面具有六边形圆柱阵列的硅片表面中心处，待乙醇自然挥发完毕，得到表面均匀分布有过氧化脲的硅片。此时，另取50μ1所配制的银溶液滴加到上述清洗干净的PDMS上，然后将表面均匀分布有过氧化脲的硅片盖到上述具有银纳米颗粒溶液的PDMS上，并将其组成的气泡生成体系翻转，随着化学反应产生气泡(气泡的体积分数为62%)和气泡的融合，并随着液体蒸发，得到尺寸可控、严格按照所设计“十字形”排列的二维气泡阵列时，即得到图案化二维气泡阵列。
[0070]实施例9
[0071]选取5cmX5cm的表面平整的石英片，采用常规刻蚀的方法，在石英片的表面制备出规整排列的正六边形排列的圆柱阵列，其中圆柱阵列的圆柱半径为ΙΟμπι，圆柱的间距为30μπι，圆柱的高度为30μπι。将表面平整的玻璃片用去离子水超声清洗10分钟后用氮气吹干。把表面具有正六边形结构的石英片和玻璃片组成气泡生成体系。使用流体聚焦法产生气泡的体积分数为50%、气泡直径小于30μπι、脂肪酸甘油酯的质量含量为0.08%、余量为丙三醇的含有微小气泡的液体，并缓慢注入石英片和玻璃片形成的气泡生成体系中直到充满。随着气泡的融合，并随着液体蒸发，得到尺寸可控、严格按照所设计的六边形排列的二维气泡阵列时，即得到图案化二维气泡阵列。
[0072]以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
[0073]另外需要说明的是，在上述【具体实施方式】中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0074]此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
【主权项】
1.一种图案化二维气泡阵列的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤: 1)制备表面具有图案化结构的基材； 2)将所述表面具有图案化结构的基材和表面平整的基材分别作为下基底和上基底组成气泡生成体系； 3)在所述气泡生成体系中填充含有微小气泡的液体，并通过微小气泡的融合，形成图案化二维气泡阵列。2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述含有微小气泡的液体通过物理方法或化学方法产生； 优选地，所述物理方法为流体聚焦法或超声波法； 更优选地，所述化学方法为能够产生气体的化学反应方法； 进一步优选地，所述化学方法为选自过氧化氢或过氧化脲的催化分解、硼氢化物的水解反应、碳酸盐的酸解反应和碳酸氢盐的酸解反应的一种或多种。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其中，所述含有微小气泡的液体包含溶剂和表面活性剂； 优选地，所述的溶剂为选自水、甲醇、乙醇、丙酮、乙二醇、异丙醇、二甘醇、乙二醇甲醚、乙二醇乙醚、乙二醇丁醚、乙二醇苯醚、乙二醇苄醚、糠醇、二甘醇甲醚、二甘醇乙醚、二甘醇丁醚、三甘醇甲醚、双丙酮醇、十三醇、十四醇、邻苯二甲酸二辛酯、醋酸乙酯、醋酸丁酯、环己酮、二甲苯、联二环己烷、环己烷、正丁醇、丁酮、邻苯二甲酸二甲酯和山梨糖醇中的一种或多种。4.根据权利要求3所述的制备方法，其中，所述的表面活性剂为选自阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性离子表面活性剂和非离子表面活性剂中的一种或多种； 优选地，所述阴离子表面活性剂为选自十二烷基苯磺酸纳、十二烷基硫酸钠和硬脂酸中的一种或多种;所述阳离子表面活性剂为季铵化合物;所述两性离子表面活性剂为选自氨基酸型两性离子表面活性剂、甜菜碱型两性离子表面活性剂、聚丙烯酰胺和卵磷脂中的一种或多种;所述非离子表面活性剂为选自脂肪酸山梨坦、脂肪酸甘油酯和聚山梨酯中的一种或多种。5.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述气泡生成体系为密闭的或开放的。6.根据权利要求1或5所述的制备方法，其中，所述表面具有图案化结构的基材通过在选自硅片、铝片、铜片、PDMS膜、PET膜、PMMS膜和PU膜中的一种的基材上形成图案化结构而得到； 优选地，所述表面平整的基材是具有平整表面的硅片、石英片、铁片、铜片、铝片、聚硅氧烷片和橡胶片中的一种。7.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述表面具有图案化结构的基材的图案化结构为柱状阵列结构或锥状阵列结构； 优选地，所述表面具有图案化结构的基材的图案化结构为柱状阵列结构； 更优选地，所述柱状阵列结构为选自圆柱阵列结构、纺锤柱阵列结构和多面体柱阵列结构中的一种或多种； 进一步优选地，所述柱状阵列形成的图案为六边形、四边形或三角形。8.根据权利要求7所述的制备方法，其中，所述柱状阵列结构中的柱的高度为5-100μπι; 优选地，所述柱状阵列结构中的柱的间距为5-100μπι; 更优选地，所述柱状阵列结构中的柱的半径为2-10μπι。9.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述含有微小气泡的液体中气泡的体积分数为40-90 %，优选地，所述微小气泡的直径为10nm-1OOym。10.根据权利要求1-9中任意一项所述的制备方法制备的图案化二维气泡阵列。11.权利要求10所述的图案化二维气泡阵列在微流体芯片、纳米材料组装、气泡光栅、滤波器和功能性孔隙材料的制备中的应用。
【文档编号】B32B1/06GK106079677SQ201610423587
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月14日 公开号201610423587.6, CN 106079677 A, CN 106079677A, CN 201610423587, CN-A-106079677, CN106079677 A, CN106079677A, CN201610423587, CN201610423587.6
【发明人】黄占东, 苏萌, 李正, 宋延林
【申请人】中国科学院化学研究所