一種基于納米半錐殼陣列實(shí)時(shí)控制水流方向的方法
【專利摘要】一種基于納米半錐殼陣列實(shí)時(shí)控制水流方向的技術(shù)，屬于材料科學(xué)領(lǐng)域。本方法涉及到掩模刻蝕方法、物理氣相沉積方法，一些組裝方面的方法以及表面引發(fā)原子轉(zhuǎn)移自由基聚合方法。整個(gè)過(guò)程操作簡(jiǎn)便，過(guò)程低耗清潔，可控性高。由于半錐殼陣列的傾斜特征，使水流在表面具有單向的流動(dòng)性，而且隨著半錐殼表面親疏水性質(zhì)的不同，水流方向可以被反轉(zhuǎn)。通過(guò)在表面修飾溫度響應(yīng)的聚異丙基丙烯酰胺，使表面親疏水性質(zhì)隨著溫度的變化而轉(zhuǎn)換，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水流方向的實(shí)時(shí)控制。這種對(duì)水流的實(shí)時(shí)控制可以在智能微流體器件，集水器件等實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮特殊的作用。
【專利說(shuō)明】一種基于納米半錐殼陣列實(shí)時(shí)控制水流方向的方法
[0001] 方法領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明屬于材料科學(xué)方法領(lǐng)域，具體涉及一種基于納米半錐殼陣列實(shí)時(shí)控制水流 方向的方法。
[0003] 背景方法
[0004] 各向異性潤(rùn)濕表面吸引了眾多的注意力，因?yàn)樗梢栽谖⒘黧w、自清潔表面、集水 器件等應(yīng)用中發(fā)揮巨大的作用[1]。在微納結(jié)構(gòu)上選擇性修飾親疏水性質(zhì)不同的物質(zhì)，或者 制備單一取向的微納條帶結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)水在二維平面上的各向異性浸潤(rùn) [24]。然而這種各 向異性表面在一維線性上是對(duì)稱的，不能滿足一些實(shí)際應(yīng)用特殊的需要。最近，人們發(fā)現(xiàn)傾 斜微米結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)水流的單向移動(dòng) [5]?；趦A斜納米結(jié)構(gòu)的水流單向性對(duì)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的水 流圖案和滿足特殊需求的潤(rùn)濕情況是極為有利的。隨后，一些新型的傾斜微納結(jié)構(gòu)被制備 出來(lái)并且對(duì)其潤(rùn)濕行為和機(jī)理進(jìn)行了研究 [6_8]。
[0005] 但是對(duì)這種單向水流方向的實(shí)時(shí)控制還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。為滿足更多的潛在的應(yīng)用，還 需要對(duì)傾斜微納結(jié)構(gòu)的潤(rùn)濕性有更深層次的理解和進(jìn)一步的探索。其中一個(gè)特別的挑戰(zhàn)就 是實(shí)時(shí)性的控制單向潤(rùn)濕水流的方向轉(zhuǎn)換。這種實(shí)時(shí)性的控制可以在智能微流體器件，集 水器件等實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮特殊的作用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種控制性好、單向性強(qiáng)、響應(yīng)速度快的控制水流方向的方 法。
[0007] 本方法涉及到掩?？涛g方法、物理氣相沉積方法、一些組裝方面的方法以及表面 引發(fā)原子轉(zhuǎn)移自由基聚合方法。整個(gè)過(guò)程操作簡(jiǎn)便，過(guò)程低耗清潔，可控性高。通過(guò)控制刻 蝕的時(shí)間和條件，可以制備不同高度的半錐殼，從而實(shí)現(xiàn)不同程度的單向流動(dòng)。利用我們的 方法實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)控制水流方向的方法，可以運(yùn)用到新型的智能微流體器件和集水器件等實(shí) 際應(yīng)用中。
[0008] 本發(fā)明以實(shí)現(xiàn)基于納米半錐殼陣列實(shí)時(shí)控制水流方向?yàn)槔?，?shí)現(xiàn)基于納米半錐殼 陣列實(shí)時(shí)控制水流方向的方法，具體步驟如下：
[0009] 1)取親水處理過(guò)基底，以1000?3000rpm的轉(zhuǎn)速將正向光刻膠原液旋涂到基底 上，然后將基底在80?120°C條件下放置0. 5?1小時(shí)進(jìn)行固化，得到厚1?2 μ m的光刻 膠薄膜；
[0010] 2)在1?5mL濃度為1?20wt%的聚苯乙烯微球的去離子水分散液中加入1? 3mL的去離子水，在4000?IOOOOrpm轉(zhuǎn)速下離心3?5分鐘，在離心后得到的固態(tài)物中再 加入1?3mL去離子水并再次進(jìn)行離心，重復(fù)加入去離子水和離心過(guò)程4?7次；在最后 離心得到的固態(tài)物中加入1?5mL體積比為1 :1的乙醇和去離子水的混合液，在4000? IOOOOrpm轉(zhuǎn)速下離心5?10分鐘，重復(fù)加入混合液和離心過(guò)程4?20次，在最后離心得 到的固態(tài)物中再加入1?5mL體積比為1 :1的乙醇和去離子水的混合液，從而得到疏水聚 苯乙烯微球的乙醇和去離子水分散液；用一次性注射器吸取0. 1?0. 5mL疏水聚苯乙烯微 球的乙醇和去離子水分散液，滴加到盛有去離子水的容器中，疏水聚苯乙烯微球就會(huì)在空 氣-去離子水的氣液界面排列為單層，再加入50?200 μ L、濃度為1?lOwt%的十二烷基 磺酸鈉表面活性劑使聚苯乙烯微球彼此緊密排列；將旋涂有光刻膠薄膜的基底從單層聚苯 乙烯微球底部將緊密排列的疏水聚苯乙烯微球托起，放于傾斜面上自然干燥，從而在基底 上得到二維有序的單層聚苯乙烯微球陣列；
[0011] 3)將步驟2)制得的基底置于反應(yīng)性等離子體刻蝕機(jī)中，在刻蝕氣壓為5? IOmTorr,刻蝕溫度為10?20°C，氧氣流速為10?50sccm，刻蝕功率為200?300W的條件 下，刻蝕100?500秒；在這個(gè)過(guò)程中，微球與其下部的光刻膠同時(shí)被刻蝕，微球逐漸變小 直至完全消失，光刻膠薄膜被刻蝕成納米錐陣列；然后將刻蝕過(guò)的樣品放置在真空蒸發(fā)鍍 膜設(shè)備的樣品臺(tái)上，樣品法線與沉積方向的夾角（即入射角）為30?50°，在5X KT4? 1 X KT3Pa的真空度下進(jìn)行熱蒸發(fā)沉積金屬銀，沉積速度為〇.5?2 A/s，沉積厚度為50? IOOnm ；
[0012] 4)將蒸鍍完后的基底放入無(wú)水乙醇中浸泡2?3小時(shí)，去除銀覆蓋的光刻膠，取出 洗凈，得到納米半錐殼陣列；
[0013] 5)將納米半錐殼陣列水平放置在真空蒸發(fā)鍍膜設(shè)備的樣品臺(tái)上，在IXKT4? 2 X KT4真空度下進(jìn)行硅的濺射10?20min，然后將樣品放置在氧氣等離子體清洗機(jī)中，用 氧等離子體處理2?lOmin，使硅的表面富含羥基；再將樣品放入一個(gè)密閉的容器中，在底 部放入幾滴氨基丙基三甲氧基硅烷（ATMS)，樣品與液滴之間不直接接觸；將這個(gè)密閉容器 放入50?70°C烘箱中1?3小時(shí)，然后再將樣品放入5?15mL無(wú)水二氯甲烷和100? 150 μ L三乙胺的混合溶液中，將這個(gè)含有樣品的混合液在0?KTC下冷藏5?20min ;然 后再將80?100 μ L的2-溴異丁酰溴加入到混合液中，放置在0?KTC下1?3小時(shí)；取 出之后在室溫下放置15?18小時(shí)，之后用無(wú)水二氯甲烷和乙醇分別清洗3?6遍，用氮?dú)?吹干；
[0014] 6)將(λ 2?(λ 5克異丙基丙烯酰胺和120?160 μ LI, 1，4, 7, 7-五甲基二乙烯基 三胺加入到1?3mL乙醇和1?3mL水的混合液中，將此混合液進(jìn)行超聲至混合均勻，然后 通20?50min高純氮?dú)馊コ后w中的氧氣，之后將15?30毫克的氯化亞銅放入到該混合 液中，并將混合液進(jìn)行超聲至液體變綠；再將上述步驟得到的樣品放入混合液中，在室溫下 通氮?dú)夥磻?yīng)〇. 5?2小時(shí)，在聚合完成后，樣品用乙醇和去離子水沖洗，得到接枝有聚異丙 基丙烯酰胺的納米半錐殼陣列；
[0015] 7)將步驟6)制備的樣品放置在控溫器件上，利用接觸角測(cè)試儀不斷用針頭向樣 品表面注水，當(dāng)表面溫度低于臨界溫度（?32°C )時(shí)，水流向納米半錐殼的傾斜方向；當(dāng)表 面溫度高于臨界溫度（?32°C)時(shí)，水流方向反轉(zhuǎn)，從而通過(guò)控制溫度實(shí)時(shí)控制水流的方 向。
[0016] 步驟1)基底為平整的玻璃片、石英片、硅片等。
[0017] 步驟2)中聚苯乙烯微球直徑的尺寸在0. 5?3 μ m，購(gòu)買商業(yè)化產(chǎn)品。
[0018] 本發(fā)明各個(gè)步驟操作簡(jiǎn)單，可控性強(qiáng)，在制備的納米半錐殼陣列上接枝有溫度響 應(yīng)的聚異丙基丙烯酰胺，使樣品表面隨著溫度的變化而改變浸潤(rùn)性，從而控制水的流向。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019] 圖1為制備納米半錐殼陣列的流程圖；圖中標(biāo)示了各種利用的材料和主要操作步 驟；其中，基底1、光刻膠2、聚苯乙烯微球3、銀膜4、納米半錐殼陣列5 ;
[0020] 圖2為（A)接枝有聚異丙基丙烯酰胺的納米半錐殼陣列掃描電子顯微鏡（SEM)照 片（從傾斜45°的角度拍攝）。（B)標(biāo)注了整體結(jié)構(gòu)的不同成分組成，其中，基底1、銀膜 4、納米半錐殼陣列5、硅層6、聚異丙基丙烯酰胺層7 ; (C)當(dāng)表面溫度低于臨界溫度（LCST) 時(shí)，表面是親水的狀態(tài)，水流向左側(cè)移動(dòng)。（D)當(dāng)溫度高于LCST時(shí)，表面變?yōu)槭杷疇顟B(tài)，隨 著液體量的增加，接觸角在不斷變大。（E)隨著繼續(xù)注水，水向相反方向，右側(cè)移動(dòng)。C-E中 的虛線表示移動(dòng)方向轉(zhuǎn)換后，液體會(huì)在左側(cè)停住，方向的轉(zhuǎn)換是徹底的。（F-H)對(duì)應(yīng)的是和 (C-E)相反的過(guò)程。

【具體實(shí)施方式】
[0021] 實(shí)施例1 :親水玻璃片的制備
[0022] 所用玻璃片用玻璃刀裁至2. 5cm長(zhǎng)，3. 5cm寬大小，放入濃硫酸與過(guò)氧化氫的混合 溶液（體積比為7 :3)中水浴加熱至80°C，保持5小時(shí)，即得到親水玻璃片；將混合溶液倒 入廢液瓶中，得到的玻璃片用去離子水反復(fù)洗滌3?5次，并用氮?dú)獯蹈伞?br> [0023] 實(shí)施例2 :光刻膠膜的制備
[0024] 將光刻膠原液（BP212-37,正向光刻膠，購(gòu)于北京科華微電子材料有限公司）利用 臺(tái)式勻膠機(jī)以3000rpm的轉(zhuǎn)速旋涂30秒，旋涂到處理的玻璃片上，然后將其放置在KKTC的 烘箱中〇. 5小時(shí)，取出放置到室溫，得到2 μ m厚的光刻膠膜。實(shí)施例3 :疏水聚苯乙烯微球 的制備
[0025] 在常溫下，在lmL、5wt%、直徑為700nm的聚苯乙烯微球水分散液中加入3mL去離 子水，用6000rpm轉(zhuǎn)速離心5分鐘，吸取上層清液，在遺留下的固態(tài)物中再加入3mL去離子 水并再次進(jìn)行離心，此后重復(fù)此過(guò)程7次。在最后一次吸取上層清液之后，在固態(tài)物中加入 ImL的乙醇和ImL去離子水，用6000rpm轉(zhuǎn)速離心5分鐘，吸取上層清液，然后在遺留的固態(tài) 物中再加入相同的乙醇和去離子水的混合液并用相同的方法離心，此后重復(fù)此離心過(guò)程16 次，在最后一次吸取上層清液后，在固態(tài)物中最后加入ImL乙醇和ImL去離子水，得到疏水 的IOwt %聚苯乙烯微球乙醇和去離子水的分散液。
[0026] 實(shí)施例4 :六方緊密堆積的單層聚苯乙烯膠體晶體的制備
[0027] 用一次性注射器吸取0. 2mL實(shí)施例3制備的直徑為700nm的疏水聚苯乙烯微球的 乙醇水分散液，緩慢滴到培養(yǎng)皿的空氣-去離子水的界面上，靜置片刻，沿著培養(yǎng)皿一側(cè)加 入50 μ L濃度為IOwt%的十二烷基硫酸鈉的水溶液，聚苯乙烯微球會(huì)隨之形成六方緊密堆 積的單層。以旋涂有光刻膠的玻璃片為基底，伸入到水面以下，從緊密的單層微球下方緩慢 向上提起，置于斜面自然干燥，從而在玻璃片上得到單層緊密堆積的聚苯乙烯膠體晶體。
[0028] 實(shí)施例5 :光刻膠的納米錐型陣列的的制備
[0029] 將上述制備的樣品放置在各向異性等離子體刻蝕機(jī)中，在刻蝕氣壓為IOmTorr,刻 蝕溫度20°C，氧氣流速5〇 SCCm，刻蝕功率為300W的條件下，刻蝕240秒。在這個(gè)過(guò)程中，微 球與其下部的光刻膠同時(shí)被刻蝕，微球逐漸變小直至消失，光刻膠薄膜被刻蝕成納米錐型 的陣列。
[0030] 實(shí)施例6 :金屬銀的蒸鍍方法。
[0031] 將實(shí)施例5制得的樣品置于真空蒸發(fā)鍍膜設(shè)備的樣品臺(tái)上，樣品法線與沉積方向 的夾角（即入射角）為40°，在5 X KT4Pa的真空度下進(jìn)行熱蒸發(fā)沉積銀，沉積速度為I A/s ，沉積厚度為IOOnm;
[0032] 實(shí)施例7 :納米半錐殼陣列的制備。
[0033] 將上述制得的樣品然后放入無(wú)水乙醇中浸泡3小時(shí)，去除銀覆蓋的光刻膠。取出 洗凈，得到納米半錐殼陣列。
[0034] 實(shí)施例8 :在納米半錐殼陣列接枝引發(fā)劑的方法。
[0035] 將制備的納米半錐殼陣列樣品水平放置在真空蒸發(fā)鍍膜設(shè)備的樣品臺(tái)上在 2 X KT4真空度下進(jìn)行硅的濺射lOmin。然后將樣品放置在氧氣等離子體清洗機(jī)中，用氧等 離子體處理5min，是表面富含羥基。然后將樣品放入一個(gè)密閉的容器中，在底部放入幾滴氨 基丙基三甲氧基硅烷（ATMS)，樣品與液滴之間不直接接觸。將這個(gè)密閉容器放入60°C烘箱 中1小時(shí)。然后再將樣品放入IOmL無(wú)水二氯甲烷和HOyL三乙胺的混合溶液中。將這個(gè) 含有樣品的混合液在〇°C下冷藏lOmin。然后再將100 μ L的2-溴異丁酰溴加入到次混合 液中，放置在〇°C下1小時(shí)。取出之后在室溫下放置15?18小時(shí)。之后用無(wú)水二氯甲烷和 乙醇分別清洗三遍，用氮?dú)獯蹈伞?br> [0036] 實(shí)施例9 :在納米半錐殼陣列接枝聚異丙基丙烯酰胺的方法
[0037] 將0. 3克異丙基丙烯酰胺和140 μ LI, 1，4, 7, 7-五甲基二乙烯基三胺加入到2. 5mL 乙醇和2. 5mL水的混合液中。將此混合進(jìn)行超聲直到混合均勻。然后通30min高純氮?dú)馊?除液體中的氧氣。之后將22毫克的氯化亞銅放入到混合液中，并將混合液進(jìn)行超聲直到液 體變綠。將樣品放入混合液中，在室溫下通氮?dú)夥磻?yīng)1小時(shí)。在聚合完成后，樣品用乙醇和 去離子水沖洗。得到接枝有聚異丙基丙烯酰胺的納米半錐殼陣列。
[0038] 實(shí)施例10 :實(shí)時(shí)控制水流方向的方法
[0039] 將實(shí)施例9中制備的樣品放置在控溫器件上，利用接觸角測(cè)試儀不斷用針頭向樣 品表面注水，當(dāng)表面溫度低于臨界溫度?32°C時(shí)，水流向納米半錐殼的傾斜方向。當(dāng)表面溫 度高于臨界溫度?32°C時(shí)，水流方向反轉(zhuǎn)。通過(guò)控制溫度可以實(shí)時(shí)控制水流的方向。
[0040] 以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明的方法方案作任何形式 上的限制。凡是依據(jù)本發(fā)明的方法實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同改變與修 飾，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
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【權(quán)利要求】
1. 一種基于納米半錐殼陣列實(shí)時(shí)控制水流方向的方法，其步驟如下： 步驟如下： 1) 將納米半錐殼陣列水平放置在真空蒸發(fā)鍍膜設(shè)備的樣品臺(tái)上，在IXKT4?2X1(T4真空度下進(jìn)行硅的濺射10?20min，然后將樣品放置在氧氣等離子體清洗機(jī)中，用氧等離 子體處理2?lOmin，使硅的表面富含羥基；再將樣品放入一個(gè)密閉的容器中，在底部放入 幾滴氨基丙基三甲氧基硅烷（ATMS)，樣品與液滴之間不直接接觸；將這個(gè)密閉容器放入 50?70°C烘箱中1?3小時(shí)，然后再將樣品放入5?15mL無(wú)水二氯甲烷和100?150 ii L 三乙胺的混合溶液中，將這個(gè)含有樣品的混合液在0?KTC下冷藏5?20min ;然后再將 80?100 ii L的2-溴異丁酰溴加入到混合液中，放置在0?KTC下1?3小時(shí)；取出之后 在室溫下放置15?18小時(shí)，之后用無(wú)水二氯甲烷和乙醇分別清洗3?6遍，用氮?dú)獯蹈桑? 2) 將0.2?0.5克異丙基丙烯酰胺和120?160 ii LI, 1，4, 7, 7-五甲基二乙烯基三胺 加入到1?3mL乙醇和1?3mL水的混合液中，將此混合液進(jìn)行超聲至混合均勻，然后通 20?50min高純氮?dú)馊コ后w中的氧氣，之后將15?30毫克的氯化亞銅放入到該混合液 中，并將混合液進(jìn)行超聲至液體變綠；再將上述步驟得得的樣品放入混合液中，在室溫下通 氮?dú)夥磻?yīng)〇. 5?2小時(shí)，在聚合完成后，樣品用乙醇和去離子水沖洗，得到接枝有聚異丙基 丙烯酰胺的納米半錐殼陣列； 3) 將步驟2)制備的樣品放置在控溫器件上，利用接觸角測(cè)試儀不斷用針頭向樣品表 面注水，當(dāng)表面溫度低于臨界溫度時(shí)，水流向納米半錐殼的傾斜方向；當(dāng)表面溫度高于臨界 溫度時(shí)，水流方向反轉(zhuǎn)，從而通過(guò)控制溫度實(shí)時(shí)控制水流的方向。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于納米半錐殼陣列實(shí)時(shí)控制水流方向的方法，其特征在 于： 1) 取親水處理過(guò)平整基底，以1000?3000rpm的轉(zhuǎn)速將正向光刻膠原液旋涂到基底 上，然后將基底在80?120°C條件下放置0. 5?1小時(shí)進(jìn)行固化，得到厚1?2 ii m的光刻 膠薄膜； 2) 在1?5mL濃度為1?20wt%的聚苯乙烯微球的去離子水分散液中加入1?3mL 的去離子水，在4000?IOOOOrpm轉(zhuǎn)速下離心3?5分鐘，在離心后得到的固態(tài)物中再加入 1?3mL去離子水并再次進(jìn)行離心，重復(fù)加入去離子水和離心過(guò)程4?7次；在最后離心得 到的固態(tài)物中加入1?5mL體積比為1 :1的乙醇和去離子水的混合液，在4000?IOOOOrpm 轉(zhuǎn)速下離心5?10分鐘，重復(fù)加入混合液和離心過(guò)程4?20次，在最后離心得到的固態(tài)物 中再加入1?5mL體積比為1 :1的乙醇和去離子水的混合液，從而得到疏水聚苯乙烯微球 的乙醇和去離子水分散液；用一次性注射器吸取0. 1?0. 5mL疏水聚苯乙烯微球的乙醇和 去離子水分散液，滴加到盛有去離子水的容器中，疏水聚苯乙烯微球就會(huì)在空氣-去離子 水的氣液界面排列為單層，再加入50?200 iiL、濃度為1?lOwt%的十二烷基磺酸鈉表面 活性劑使聚苯乙烯微球彼此緊密排列；將旋涂有光刻膠薄膜的基底從單層聚苯乙烯微球底 部將緊密排列的疏水聚苯乙烯微球托起，放于傾斜面上自然干燥，從而在基底上得到二維 有序的單層聚苯乙烯微球陣列； 3) 將步驟2)制得的基底置于反應(yīng)性等離子體刻蝕機(jī)中，在刻蝕氣壓為5?IOmTorr, 刻蝕溫度為10?20°C，氧氣流速為10?50sccm，刻蝕功率為200?300W的條件下，刻蝕 100?500秒；在這個(gè)過(guò)程中，微球與其下部的光刻膠同時(shí)被刻蝕，微球逐漸變小直至完全 消失，光刻膠薄膜被刻蝕成納米錐陣列；然后將刻蝕過(guò)的樣品放置在真空蒸發(fā)鍍膜設(shè)備的 樣品臺(tái)上，樣品法線與沉積方向的夾角（即入射角）為30?50°，在5X KT4?IXKT3Pa 的真空度下進(jìn)行熱蒸發(fā)沉積金屬銀，沉積速度為0.5?2 A/s_,沉積厚度為50?IOOnm ; 4)將蒸鍍完后的基底放入無(wú)水乙醇中浸泡2?3小時(shí)，去除銀覆蓋的光刻膠，取出洗 凈，得到納米半錐殼陣列。
3. 如權(quán)利要求2所述的一種基于納米半錐殼陣列實(shí)時(shí)控制水流方向的方法，其特征在 于：平整基底為平整的玻璃片、石英片或硅片。
4. 如權(quán)利要求2所述的一種基于納米半錐殼陣列實(shí)時(shí)控制水流方向的方法，其特征在 于：聚苯乙烯微球直徑的尺寸在0. 5?3 y m。
【文檔編號(hào)】B01L3/00GK104353507SQ201410168674
【公開日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年4月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月23日
【發(fā)明者】張剛, 艾斌, 王立敏 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)