本发明涉及微流控技术领域，特别是涉及一种金属表面纳米结构的制备方法以及一种金属表面纳米结构的制备设备。
背景技术：
微流控芯片(microfluidicchip)又称芯片实验室(lab-on-a-chip)，是一种检测分析仪器。常用于基因分析、新药物的合成与筛选、生物选矿、疾病诊断及食品安全检测，被列为21世纪最重要的前沿技术之一。
微流控芯片的表面亲疏水性在微流体输运、操控等应用中具有重要的作用。高分子材料表面为疏水性表面，通过对其表面亲水改性，可拓宽它在某些领域的使用范围。而微流控芯片表面的微纳米结构是微流控芯片表面亲疏水性的关键。
热压成型技术是制备聚合物微流控芯片及表面微纳结构最常用的方法之一，而这种工艺方法关键在于表面具有微纳米结构的模具的制造。目前制造模具的方法包括：1)热烧结法，缺点是需要高温处理，成本较高，并且在浸渍过程中改性物质附着可能不均，容易导致处理碳材料表面亲疏水性质不均匀；2)使用的化学试剂为低表面能改性剂，缺点是有污染，操作有危险，直接打磨预处理和热处理使金属表面粗糙度降低。因此，目前各种用于制备表面具有微纳米结构的模具的方法，均存在一定的局限性或者是制备的纳米结构不均匀等问题。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种金属表面纳米结构的制备方法以及金属表面纳米结构的制备设备，解决了对金属表面亲疏水性改性的操作存在危险以及金属表面亲疏水性改性不均匀的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种金属表面纳米结构的制备方法，包括：
将含有带电纳米颗粒的溶液引至金属工件表面；
对所述金属工件和位于所述金属工件上方的电泳辅助电极通电，在所述金属工件和所述电泳辅助电极之间形成电场，使得所述纳米颗粒在电场力作用下吸附于所述金属工件表面；
在真空环境或惰性气体氛围中，向所述金属工件表面预定区域进行激光光斑照射，对所述预定区域内的所述纳米颗粒进行激光烧结，使所述纳米颗粒和所述金属工件粘合连接，获得表面具有纳米结构的金属工件。
其中，在所述金属工件上所述溶液所在位置形成电场之后，还包括：
拍摄所述纳米颗粒吸附在所述金属工件表面分布情况的分布图像；
根据所述分布图像对所述电场的大小和方向进行调节，直到所述纳米颗粒在所述金属工件表面的分布满足分布要求，再执行所述向所述金属工件表面预定区域进行激光光斑照射的操作。
其中，所述向所述金属工件表面预定区域进行激光光斑照射包括：
根据金属工件表面的轮廓形状以及预定区域位置，调节激光光斑的发射距离以及发射角度，使得所述激光光斑照射至金属工件表面预定区域。
其中，在将混合有纳米颗粒的胶体混合液引至金属工件上之前，还包括：
通过超声振动和/或磁力搅拌使所述溶液中的纳米颗粒均匀混合。
本发明还提供了一种金属表面纳米结构的制备设备，用于实现如上任一项所述的制备方法，包括：
为所述金属工件提供真空环境或惰性气体环境的真空控制装置；
用于将含有带电纳米颗粒的所述溶液引至所述金属工件表面的悬浮液吸引管；
与所述金属工件均和电源相连接，和所述金属工件之间形成电场的电泳辅助阴极，其中，所述电场用于控制所述溶液中纳米颗粒吸附于所述金属工件表面；
用于对所述金属工件表面预定区域的所述纳米颗粒进行激光烧结，使所述纳米颗粒粘结在所述金属工件表面的激光器。
其中，还包括溶液混合设备；
所述溶液混合设备包括超声振动装置和搅拌装置，用于在悬浮液吸引管将所述溶液引至所述金属工件表面之前，使所述溶液中的纳米颗粒均匀混合。
其中，所述溶液混合设备还包括溶液循环装置，用于获得具有纳米结构的金属工件之后，对所述金属工件表面剩余的溶液进行吸附回收。
其中，还包括ccd视频检测设备，用于拍摄所述纳米颗粒吸附在所述金属工件表面分布情况的分布图像。
其中，还包括分别控制所述金属工件和所述电泳辅助阴极运动的运动控制装置，用于通过控制金属工件和电泳辅助阴极的相对位置，对所述金属工件和所述电泳辅助阴极之间产生的电场的大小和方向进行调节。
其中，还包括用于根据所述金属工件表面轮廓形状，控制所述激光器和所述金属工件相对位置以及所述激光器发射激光角度的激光调节系统；
所述运动控制装置还用于控制金属工件和掩膜板之间的相对位置，以便所述掩膜板在所述激光器向金属工件发射激光时进行掩膜。
本发明所提供的金属表面纳米结构的制备方法，通过在金属工件和电泳辅助电极共同形成的电场，对金属工件表面溶液中的带电的纳米颗粒施加电场力的作用，使得纳米颗粒排列吸附于金属工件的表面，再对该纳米颗粒进行激光烧结，使纳米颗粒粘结在金属工件的表面，即可在金属工件的表面形成纳米结构，该金属工件即可用作制备微流控芯片的模具。
因为纳米颗粒是通过电场控制吸附于金属工件的表面，纳米颗粒能够大致的并排排列于金属工件表面，即便金属工件表面存在凹凸不平的情况，纳米颗粒也会随着金属工件表面的凹凸表面呈现相适应的凹凸排列，使得金属工件表面吸附的纳米颗粒的厚度大致均匀，也就保证了纳米结构厚度的均匀性，进而保证了金属工件表面亲疏水性的均匀性；另外，本发明中无需采用化学制剂，操作方便安全，无污染，所获得的具有纳米结构的金属工件，可用作微流控芯片的大规模生产的模具。
本发明还提供了一种金属表面纳米结构的制备设备，具有上述有益效果。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的金属表面纳米结构的制备方法的流程示意图；
图2为本发明实施例所提供的金属表面纳米结构的制备设备结构示意图；
附图中1为金属工件、2为真空控制装置、3为悬浮液吸引管、4为电源、5为电泳辅助阴极、6为激光器、7为工作台、8为工件夹具、9为加工槽、10为集成控制柜、11为溶液混合设备、12为ccd视频检测设备、13为三维运动平台、14为激光调节系统。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，图1为本发明实施例所提供的金属表面纳米结构的制备方法的流程示意图，包括：
步骤s1：将含有带电纳米颗粒的溶液引至金属工件表面。
具体地，带电的纳米颗粒可以是将化合物直接融溶在水中后，电离产生的带电离子。也可以是纳米级的颗粒混合于水或其他能够电离的溶液中，颗粒和溶液中的电荷相结合而带电。总之，只要溶液中存在大小在纳米级且带电的粒子即可。
可选地，在步骤s1之前还可以进一步地包括：
通过超声振动和/或磁力搅拌使溶液中的纳米颗粒均匀混合。
需要说明的是，溶液中的带电的纳米颗粒由于自身的带电特性或结构特性，可能会在纳米颗粒之间形成化学键，进而发生团聚形成体积较大的颗粒，而体积较大的颗粒显然不符合制备金属表面纳米结构的要求。通过超声振动和/或磁力搅拌对进行溶液振动或搅拌，能够在很大程度上避免纳米颗粒之间的团聚，使得纳米颗粒在溶液中均匀混合且颗粒大小大致均匀，进而保证制备金属工件表面的纳米结构的质量。
步骤s2：将金属工件和金属工件上方的电泳辅助电极通电。
具体地，金属工件和电泳辅助电极所接通的电压存在一定的电势差，那么两者之间即可形成电场。而含有带电的纳米颗粒的溶液位于金属工件的上表面，溶液中的纳米颗粒在电场力的作用下，即可向金属工件表面运动，并吸附在金属工件的表面。
可以理解的是，对金属工件通电，金属工件的表面也必然是等势面，靠近金属工件表面的电场线均垂直于金属工件的表面，那么纳米颗粒受到的电场力的作用也就是垂直于金属工件的表面，使得纳米颗粒能够吸附在金属工件上，且通过调整电场强度的大小和方向，可以大致使得纳米颗粒平铺于金属工件的表面，在一定程度上保证了纳米结构厚度的均匀性。并且，由于金属工件为等势体，即便金属工件的表面存在一定程度上的凹凸不平，纳米颗粒在电场力的作用下也能够配合金属工件的表面吸附，呈现出凹凸排列。
需要说明的是，在实际操作过程中，对金属工件表面纳米结构的加工可以是局部小范围依次进行的，如果对金属工件表面进行小范围的加工，即便是金属工件表面凹凸不平的局部区域内，也就可以近似的视为平整的表面，在依据表面的倾斜角度以及方向等适当调整电场的方向和大小，使得整个电场的电场线都近似的垂直于需要加工区域的表面，即可使得金属工件表面的纳米颗粒有序沉积，并提高沉积效率。
步骤s3：在真空环境或者惰性气体氛围中，向金属工件表面预定区域进行激光光斑照射，对预定区域内的纳米颗粒进行激光烧结。
具体地，在整个加工过程都可以直接在真空环境或者惰性气体氛围中进行，避免在对金属工件表面进行激光烧结时，外界环境中的氧气等对金属工件表面产生氧化。
在纳米颗粒吸附排布金属工件表面之后，通过激光烧结使得纳米颗粒完全粘结于金属工件表面，即可在金属工件的表面形成纳米结构。
需要说明的是，为了拓展微流控芯片应用领域的范围，对微流控芯片表面的亲疏水性就存在更高的要求。如果采用热印法生产微流控芯片，通常的做法是改变金属模具表面的亲疏水性。通常需要对金属模具表面需要高温处理，并浸渍改性物质，而高温条件的工艺成本较高，表面浸渍的改性物质的厚度也可能不均匀；另外，也可以直接对金属表面改性剂等化学试剂，通过改变金属表面能改变金属表面的亲疏水性后，直接以该金属作为微流控芯片，而化学试剂不仅对环境有污染，操作过程中还存在危险，并且以上两种方式均无法实现微流控芯片的大规模生产。
本发明中所提供的金属表面纳米结构的制备方法，即是生产微流控芯片的模具的制备方法。在金属工件的表面制备纳米结构，如果金属工件本身呈现一定的亲水性，在金属工件表面形成纳米结构后，其亲水性会增强，反之，金属工件本身呈现一定的疏水性，在金属工件表面形成纳米结构后，其疏水性也会增强。利用电泳辅助及激光选区技术，可以在金属工件表面亲疏水改性处理。利用电场驱动纳米颗粒，在模具的任意平面、曲面、凸台、凹槽等不规则表面进行表面处理，使金属工件表面得到有序的微粒排列；再通过激光技术选区加热，改变特定工件表面温度，实现增强微纳改性颗粒与工件表面结合力；可以通过改性颗粒进行无掩膜的模具局部区域及不同形状尺寸的表面亲疏水改性。
本发明所采用的对金属表面加工纳米结构的方法，步骤简单，整个过程操作安全无污染，且能够使得纳米颗粒均匀的排布于金属工件表面，保证了纳米结构的均匀性，进而保证了金属工件表面亲疏水性的均匀性，以该金属工件作为压印微流控芯片的模具，能够实现微流控芯片的批量生产，提高了微流控芯片的生产效率。
进一步地，当在金属工件形成纳米结构之后，还可以减小或增大金属工件表面的表面能，进而进一步加强金属工件的亲疏水性。
基于上述实施例，在本发明的另一具体实施例中，在金属工件上溶液所在位置形成电场后，还可以进一步地包括：
拍摄纳米颗粒吸附在金属工件表面分布情况的分布图像；
根据分布图像对电场的大小和方向进行调节，直到纳米颗粒在金属工件表面的分布满足分布要求，再执行步骤s3的操作
考虑到溶液中的纳米颗粒最终吸附在金属工件表面的状态会受很多因素的影响，例如电场的过大，就会导致金属工件表面吸附的纳米颗粒堆积，电场过小则导致吸附的纳米颗粒过少。
通过拍摄金属工件表面的图像可以清晰的观察到纳米颗粒在金属表面的分布情况，如果纳米颗粒的分布不符合要求，则适当调整电场的大小和方向，进而改变纳米颗粒的排布，使得纳米颗粒最终满足分布要求，为后续获得均匀的纳米结构提供基础。
可选地，在纳米颗粒在金属工件表面吸附后，向金属工件表面预定区域进行激光光斑照射具体可以包括：
根据金属工件表面的轮廓形状以及预定区域位置，调节激光光斑的发射距离以及发射角度，使得激光光斑照射至金属工件表面预定区域。
考虑到金属工件的表面存在不平整性，那么激光发射光斑的方向就不能够保证和金属工件表面完全垂直，而激光发射的角度和激光器于金属工件的远近都影响到纳米颗粒吸收激光光斑热量的多少。因此，在实际操作中，就需要根据金属工件表面的形状以及金属材料和纳米颗粒的种类、大小对激光的照射做适当的调节，以便能够达到最好的激光烧结的效果。
本发明中还提供了一种金属表面纳米结构的制备设备，具体应用于实现上述任意实施例的制备方法，具体地，可参考图2，该制备设备包括：
为金属工件1提供真空环境或惰性气体环境的真空控制装置2；
用于将含有带电纳米颗粒的溶液引至金属工件1表面的悬浮液吸引管3；
与金属工件1均和电源4相连接，和金属工件1之间形成电场的电泳辅助阴极5，其中，电场用于控制溶液中纳米颗粒吸附于金属工件1表面；
用于对金属工件1表面预定区域的纳米颗粒进行激光烧结，使纳米颗粒粘结在金属工件1表面的激光器6。
如图2所示，在工作台7上，设置有固定金属工件1的工件夹具8，该工件夹具8和金属工件1均位于加工槽9中，加工槽9中的真空状态以及温度受真空控制装置2调节。金属工件1的上方设置有悬浮液吸引管3，用于将溶液吸附至金属工件1的表面，溶液通过悬浮液吸引管3一次或者分多次准确置于金属工件1表面上；金属工件1上方还设置有电泳辅助阴极5，该电泳辅助阴极5和金属工件1均和电源4接通，且一个接电源正极一个接电源负极，使得电泳辅助阴极5和金属工件1之间形成电场。在金属工件1的上方还设置有激光器6，可以向金属工件1表面发射处对纳米颗粒进行激光烧结的激光光斑。
另外在工作台7的一侧还设置有集成控制柜10，该集成控制柜10中的主机内置有控制整个设备的各个装置的控制程序，以便对整个设备的正常工作运行进行自动化的控制调节，降低提高制备金属工件1表面纳米结构的精准度。
本发明中通过真空控制装置2、悬浮液吸引管3、电泳辅助阴极5以及激光器6的配合使用，实现了纳米颗粒在金属工件1表面的吸附并最终通过激光烧结粘结在金属工件1的表面，获得表面具有纳米结构的金属工件1，对金属工件1的亲疏水性进行了改造，操作方便，安全系数高，且能够保证金属工件1表面亲疏水性的均匀性。
进一步地，在本发明的另一具体实施例中，还可以进一步包括溶液混合设备11，溶液混合设备11包括超声振动装置和搅拌装置。
该溶液混合设备11中承载有还有带电的纳米颗粒的溶液，并且还设置有超声振动装置和磁力搅拌装置。在悬浮液吸引管3将溶液引至金属工件1表面之前，通过超声振动装置和磁力搅拌装置使溶液中的纳米颗粒均匀混合。如图1所述，悬浮液吸引管3的一端和溶液混合设备11相连通，可以保证悬浮液吸引管3将溶液吸引至金属工件1的表面。
进一步地，该溶液混合设备11还可以包括溶液循环装置。
在金属工件1表面的纳米颗粒完全粘结在金属工件1表面形成纳米结构之后，金属工件1表面的溶液并不能完全被用完，而溶液循环装置可以将金属工件1表面剩余的溶液进行吸引回收，和未使用的溶液混合在一起重复循环使用，减少不必要的材料浪费，降低生产成本。
基于上述任意实施例，在本发明的另一具体实施例中，还可以包括：
ccd视频检测设备12，该ccd视频检测设备12可以对金属工件1表面纳米级的图像进行拍摄。
当纳米颗粒受电场力的作用吸附于金属颗粒表面时，可以通过ccd视频检测设备12拍摄金属工件1表面纳米颗粒分布的图像，通过该图像就可以判断纳米颗粒在金属工件1的表面的排布是否达到要求，如果没有达到要求，就对纳米颗粒在金属工件1表面的分布进行调整。
另外，在激光器6对金属工件1表面的纳米颗粒进行激光烧结之后，也可以通过ccd食品检测设备拍摄金属工件1表面的纳米结构，以判断加工得到的金属工件1是否合格。
基于上述任意实施例，在本发明的另一具体实施例中，还可以进一步地包括：
运动控制装置，该运动控制装置可以控制金属工件1的工件夹具8在工作台7表面运动。
具体地，该运动控制装置可以包括三维运动平台13，金属工件1和工件夹具8均位于三维运动平台13上，通过三维运动平台13的前后左右以及偏转的运动，而带动金属工件1跟随其运动。当金属工件1在工作台7上的位置甚至倾斜的角度发生变化时，悬浮液吸引管3就可以将溶液吸附至金属工件1表面不同的位置处；激光器6照射在金属工件1表面的激光光斑的位置以及发射激光的角度也相应的改变。
还可以控制电泳辅助阴极5相对于金属工件1运动，从而改变金属工件1和电泳辅助阴极5之间产生的电场的大小和方向。
通过运动控制装置对金属工件1以及电泳辅助阴极5位置的调整，即可实现金属工件1表面不同位置的加工。
可选地，在本发明的另一具体实施例中，还可以进一步地包括：
激光调节系统14，该激光调节系统14可以调剂激光器6发射激光的角度以及激光器6相对于金属工件1的高度。
在实际应用过程中可以根据金属工件1表面轮廓形状，通过激光调节系统14对激光器6进行控制调节，使得激光器6发射激光的角度以及发射激光的距离调节到一个合适的状态，使得纳米颗粒吸收激光所产生的热量后，更好的粘结于金属工件1表面。
需要说明的是，激光调节系统14具体地采用能够控激光器上下运动或前后左右角度的调节的机械结构即可，例如机械臂，上下滑道等等，对此，目前已有的现有技术即可实现，对此不再一一赘述。
可选地，在金属工件1表面上方位置还可以设置掩膜板，当采用激光照射金属工件1表面时，对金属工件1表面进行掩膜，以便对预定区域内的纳米颗粒进行激光烧结。
一般而言，因为对金属工件1表面纳米结构的加工可以是局部小范围的加工，加工精细度较高，一般不需要使用掩膜板。但是为了避免操作过程中存在的误差影响，纳米结构的加工精度，可以在金属工件1上方设置掩膜板，并通过运动控制装置控制金属工件1和掩膜板的相对位置，具体地，可以是运动控制装置仅控制金属工件1运动，也可以两个同时控制运动，只要将两者的相对位置调节到合适的状态即可。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。
以上对本发明所提供的金属表面纳米结构的制备方法以及制备设备进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。