用于制備包括三維磁性微結(jié)構(gòu)體的膜的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及用于制備包括非磁性基體和根據(jù)預(yù)定圖案布置在該基體內(nèi)的多個= 維磁性微結(jié)構(gòu)體的膜的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 磁泳設(shè)及物體在不均勻磁場作用下的移動。
[0003] 其目前用于處理操作如物體的捕獲、分離、混合和運輸，所述物體包括例如通過磁 性納米顆?；蛭⒚最w粒功能化的生物物質(zhì)。
[0004] 作用于磁性顆粒的磁泳力通過W下表達式給出：
[0005] F'n二M'pVB(U
[0006] 其中，Mp為顆粒的磁矩，與其體積成比例，V公為顆粒放置在其中的磁場梯度。
[0007] 根據(jù)等式（1)，對放置在均勻磁場中的物體施加的磁力為零，該與磁場的值無關(guān)， 無論磁場多高。
[000引因此，用于產(chǎn)生明顯磁力的必要條件之一是磁場梯度的存在，即在空間中局部不 均勻的磁場的存在。
[0009] 因此，目的是產(chǎn)生最強的可能磁場梯度，W及在亞毫米尺度產(chǎn)生最強的可能磁場 梯度。
[0010] 主要開發(fā)用于控制和/或處理鐵磁性或超順磁性的物體的微型裝置目前使用微 線圈或與外部磁場禪合的軟磁材料，可能地聯(lián)合使用兩者。
[0011] 第一種微型裝置基于使用通常通過常規(guī)微制造技術(shù)、如光刻法實施的微線圈。
[0012] 然而，該些微線圈具有S個主要缺點。
[0013] 一方面，產(chǎn)生的磁場受電路的發(fā)熱限制。
[0014] 事實上，由具有電阻R的線圈產(chǎn)生的磁場直接與流過線圈的電流強度I成比例。 [001引在時間t期間，電流強度I的電流在電路中的流動通過焦耳效應(yīng)（Rl2xt)造成發(fā) 熱，該必然導(dǎo)致對電流的限制，從而導(dǎo)致對產(chǎn)生的磁場的限制。
[0016] 舉例來說，在具有100ym2橫截面的銅導(dǎo)體中的連續(xù)電流為1(T4A的數(shù)量級。
[0017] 該種導(dǎo)體的具有l(wèi)Oym半徑的單個線圈的磁場為0.ImT的數(shù)量級，最大磁場梯度 為l〇2T/m的數(shù)量級。
[001引利用脈沖電流饋送，微線圈可W產(chǎn)生比利用連續(xù)電流高得多的場，一般為其1000 倍，但是持續(xù)通常小于一毫秒的時間，該不適合用于預(yù)期的應(yīng)用。
[0019] 此外，該些微線圈通常需要外部電流饋電用于其工作。
[0020] 第二種微型裝置將軟磁材料的使用與外部宏觀磁場結(jié)合。
[0021] 置于外部磁場中時，軟磁材料被磁化，然后W與永磁體相似的方式表現(xiàn)為場源。
[0022] 用于磁場微源的軟磁材料通過微/納米制造技術(shù)來實施。
[0023] 獲得的磁場源具有實施的軟磁材料的圖案的大小，即亞毫米尺寸。
[0024] 置于外部宏觀磁場中，該些源產(chǎn)生強磁場和基本在圖案尺度上調(diào)節(jié)的場梯度。
[0025] 使用可變的和可切換的外部磁場使該些磁源可變和可切換。
[0026] 最后，近來已經(jīng)描述了制造包括膜的裝置，所述膜由沉積在娃襯底上的硬磁 材料制成，其通過使用微制造技術(shù)[Walther09]進行形貌結(jié)構(gòu)化，或者進行熱磁性 巧umas-BouchiatlO]結(jié)構(gòu)化，W形成多個微磁體。
[0027] 該些裝置提供自主的優(yōu)點，該是因為一旦被磁化，它們就不需要能源或外部磁場 源。
[002引此外，由此形成的微磁體產(chǎn)生強的磁場梯度，高至106T/m。
[0029] 然而，制造該些不同的裝置是昂貴的，該是因為其需要前沿的技術(shù)，由此不適合于 大量低成本裝置的生產(chǎn)。
[0030] 特別地，基于娃襯底的技術(shù)受該些襯底的可用尺寸限制，因此面臨不能形成大尺 寸裝置的問題。
[0031] 此外，一定的裝置柔性對于一些應(yīng)用是理想的。
[0032] 此外，例如對于體外應(yīng)用，有用的是具有透明或差不多半透明的裝置，W使得通過 光學(xué)透射顯微鏡能夠觀察受產(chǎn)生的磁場影響的顆粒的行為。
[0033]D.Issadore等的文章"Self-Assembledmagneticfilterforhighlyefficient immunoma即etics巧aration"(X油化ip,2011, 11,第 147-151 頁）報道了聚合物膜的制 造，其包括W懸浮的方式將NdFeB的顆粒置于聚二甲基硅氧烷（PDM巧中，通過施增強的外 部磁場使所述顆粒磁化，然后使PDMS成網(wǎng)狀，從而固定NdFeB顆粒。
[0034] 然而，顆粒在PDMS基體中的分布是隨機的。
[0035] 此外，每個顆粒都與其周圍的顆粒分離，使得由此形成的阱具有單個顆粒的尺寸， 從而具有有限的捕獲能力。
[0036] 因此，存在制造在亞毫米尺度產(chǎn)生高的磁場梯度并可低成本制造的裝置的需 求。
[0037] 此外，根據(jù)想要的應(yīng)用，該裝置必須能夠具有柔性和/或是透明的。
[003引本發(fā)明的另一目的是限定一種簡單且經(jīng)濟的方法，所述方法用于制備能夠W永久 的方式或在外部磁場的作用下被磁化W在亞毫米尺寸產(chǎn)生大的磁場梯度的裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0039] 根據(jù)本發(fā)明，提出一種用于制備包括非磁性基體和根據(jù)預(yù)定圖案布置在所述基體 內(nèi)的多個=維磁性微結(jié)構(gòu)體的膜的方法，其包括W下步驟：
[0040]-提供母基底，其包括由多個磁場微源形成的磁性結(jié)構(gòu)化面，所述磁場微源具有 102T/m至106T/m的磁場梯度，
[0041]-將磁性微米顆粒或納米顆粒添加到所述母基底的磁性結(jié)構(gòu)化面，所述顆粒在由 磁場梯度施加的吸引磁泳力作用下聚集成布置在母基底的表面上的=維微結(jié)構(gòu)體，
[0042]-將由非磁性材料制成的基體沉積到母基底的磁性結(jié)構(gòu)化面上，W包封所述布置 的微結(jié)構(gòu)體并形成所述膜，
[0043]-從母基底剝離所述膜。
[0044] 納米顆粒應(yīng)理解為表示尺寸為納米尺度，即特征尺寸如平均直徑小于lOOnm的顆 粒。
[0045] 微米顆粒應(yīng)理解為表示尺寸為微米尺度，即特征尺寸如平均直徑為lOOnm至1mm 的顆粒。
[0046] 微磁體應(yīng)理解為表示至少兩個維度為微米尺度，即厚度和/或長度和/或?qū)挾葹?lOOnm至100ym的磁體。
[0047] "表面的磁性結(jié)構(gòu)化"（無論其為平面的、彎曲的和/或具有凹凸部分（凸部或凹 部））應(yīng)理解為指表面具有根據(jù)預(yù)定圖案分布的不同磁化區(qū)域。
[0048] "填充因數(shù)"應(yīng)理解為表示W(wǎng)=維結(jié)構(gòu)布置在膜的一部分中的納米顆?；蛭⒚最w 粒占據(jù)的體積與所考慮部分的體積的比例。
[0049] 根據(jù)一個實施方案，在沉積磁性微米顆粒或納米顆粒之前，將層沉積到母基底的 磁性結(jié)構(gòu)化面上，W有助于之后從母基底剝離所述膜。
[0050] 基體可W由彈性體材料制成，所述彈性體材料使得能夠形成柔性膜。
[0化1 ] 對于其他應(yīng)用，相反地，基體可W由剛性材料制成。
[0化2] 用于基體的優(yōu)選材料可W包括彈性體（如聚二甲基硅氧烷（PDM巧或橡膠等）；熱 塑性材料（如聚甲基丙締酸甲醋（PMMA)、聚對二甲苯或聚苯己締等）；熱固性材料（如聚 醋、環(huán)氧樹脂、酪醒樹脂或光敏樹脂（如SU-8)等）；氧化物，如Si化、A12化或Hf〇2;金屬，如 化或Ag;或者碳材料，如石墨或化C。
[0053] 在一個特別有利的方式中，在將所述微米顆?；蚣{米顆粒沉積到母基底期間或之 后，振動所述母基底和/或顆粒W優(yōu)化微米顆?；蚣{米顆粒相對于磁場微源的分布。
[0054] 此外，在沉積非磁性基體之前，可W將氣體射流施加到母基底，W優(yōu)化納米顆粒相 對于磁場微源的分布和/或除去未被母基底的磁場捕獲的顆粒。
[0055] 根據(jù)一個有利的實施方案，在沉積非磁性基體之前，將液相配體沉積到布置在母 基底的表面的微結(jié)構(gòu)體上，W增強形成所述微結(jié)構(gòu)體的微米顆?；蚣{米顆粒的力學(xué)內(nèi)聚 力。
[0化6] 得自該方法的膜由此具有兩個相反的面，微米顆粒或納米顆粒填充因數(shù)在所述兩 個相反的面之間變化，預(yù)先與母基底接觸的面附近的填充因數(shù)大于在相反的面附近的填充 因數(shù)。
[0化7] 可能地，在剝離膜之后，將導(dǎo)電材料沉積到膜的表面的至少一部分上。
[0化引根據(jù)本發(fā)明的一個應(yīng)用，當(dāng)膜為柔性時，可W使其卷繞W形成管。
[0化9] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，母基底的磁性結(jié)構(gòu)化面具有至少一個凹部和/或至 少一個凸部，使得在剝離后，膜具有與母基底的凹部和/或凸部互補的凸部和/或凹部。
[0060] 根據(jù)本發(fā)明的一個不同的實施方案，基體包含熱塑性材料，并且在剝離膜之后，所 述膜通過熱成形貼靠模具來成型。
[0061] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，微米顆粒或納米顆粒由軟磁材料制成。
[0062] 在一個優(yōu)選的方式中，所述微米顆粒或納米顆粒于是由W下材料之一制成；Fe、 CoFe、化化、Fe3〇4或化 2〇3。
[0063] 可替代地，微米顆粒或納米顆粒由硬磁材料制成。
[0064] 所述微米顆?；蚣{米顆粒于是優(yōu)選由W下材料之一制成；NdFeB、FePt、SmCo、 BaFei2〇i9、SrFei2〇i9或〔〇化 2〇4。
[00化]在該種情況下，可w有利地使膜經(jīng)受外部磁場，W使=維磁性微結(jié)構(gòu)體永久地磁 化。
[0066] 根據(jù)本發(fā)明的其他特征，單獨地或組合地采取W下：
[0067] -磁性微米顆?；蚣{米顆粒的平均特征尺寸為lO