一种基于纳米半锥壳阵列实时控制水流方向的方法技术

一种基于纳米半锥壳阵列实时控制水流方向的技术，属于材料科学领域。本方法涉及到掩模刻蚀方法、物理气相沉积方法，一些组装方面的方法以及表面引发原子转移自由基聚合方法。整个过程操作简便，过程低耗清洁，可控性高。由于半锥壳阵列的倾斜特征，使水流在表面具有单向的流动性，而且随着半锥壳表面亲疏水性质的不同，水流方向可以被反转。通过在表面修饰温度响应的聚异丙基丙烯酰胺，使表面亲疏水性质随着温度的变化而转换，从而可以实现对水流方向的实时控制。这种对水流的实时控制可以在智能微流体器件，集水器件等实际应用中发挥特殊的作用。

【技术实现步骤摘要】
方法领域本专利技术属于材料科学方法领域，具体涉及一种基于纳米半锥壳阵列实时控制水流方向的方法。背景方法各向异性润湿表面吸引了众多的注意力，因为它可以在微流体、自清洁表面、集水器件等应用中发挥巨大的作用[1]。在微纳结构上选择性修饰亲疏水性质不同的物质，或者制备单一取向的微纳条带结构可以实现水在二维平面上的各向异性浸润[2-4]。然而这种各向异性表面在一维线性上是对称的，不能满足一些实际应用特殊的需要。最近，人们发现倾斜微米结构可以实现水流的单向移动[5]。基于倾斜纳米结构的水流单向性对实现复杂的水流图案和满足特殊需求的润湿情况是极为有利的。随后，一些新型的倾斜微纳结构被制备出来并且对其润湿行为和机理进行了研究[6-8]。但是对这种单向水流方向的实时控制还没有实现。为满足更多的潜在的应用，还需要对倾斜微纳结构的润湿性有更深层次的理解和进一步的探索。其中一个特别的挑战就是实时性的控制单向润湿水流的方向转换。这种实时性的控制可以在智能微流体器件，集水器件等实际应用中发挥特殊的作用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种控制性好、单向性强、响应速度快的控制水流方向的方法。本方法涉及到掩模刻蚀方法、物理气相沉积方法、一些组装方面的方法以及表面引发原子转移自由基聚合方法。整个过程操作简便，过程低耗清洁，可控性高。通过控制刻蚀的时间和条件，可以制备不同高度的半锥壳，从而实现不同程度的单向流动。利用我们的方法实现的实时控制水流方向的方法，可以运用到新型的智能微流体器件和集水器件等实际应用中。本专利技术以实现基于纳米半锥壳阵列实时控制水流方向为例，实现基于纳米半锥壳阵列实时控制水流方向的方法，具体步骤如下：1)取亲水处理过基底，以1000～3000rpm的转速将正向光刻胶原液旋涂到基底上，然后将基底在80～120℃条件下放置0.5～1小时进行固化，得到厚1～2μm的光刻胶薄膜；2)在1～5mL浓度为1～20wt％的聚苯乙烯微球的去离子水分散液中加入1～3mL的去离子水，在4000～10000rpm转速下离心3～5分钟，在离心后得到的固态物中再加入1～3mL去离子水并再次进行离心，重复加入去离子水和离心过程4～7次；在最后离心得到的固态物中加入1～5mL体积比为1：1的乙醇和去离子水的混合液，在4000～10000rpm转速下离心5～10分钟，重复加入混合液和离心过程4～20次，在最后离心得到的固态物中再加入1～5mL体积比为1：1的乙醇和去离子水的混合液，从而得到疏水聚苯乙烯微球的乙醇和去离子水分散液；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离子水分散液，滴加到盛有去离子水的容器中，疏水聚苯乙烯微球就会在空气-去离子水的气液界面排列为单层，再加入50～200μL、浓度为1～10wt％的十二烷基磺酸钠表面活性剂使聚苯乙烯微球彼此紧密排列；将旋涂有光刻胶薄膜的基底从单层聚苯乙烯微球底部将紧密排列的疏水聚苯乙烯微球托起，放于倾斜面上自然干燥，从而在基底上得到二维有序的单层聚苯乙烯微球阵列；3)将步骤2)制得的基底置于反应性等离子体刻蚀机中，在刻蚀气压为5～10mTorr，刻蚀温度为10～20℃，氧气流速为10～50sccm，刻蚀功率为200～300W的条件下，刻蚀100～500秒；在这个过程中，微球与其下部的光刻胶同时被刻蚀，微球逐渐变小直至完全消失，光刻胶薄膜被刻蚀成纳米锥阵列；然后将刻蚀过的样品放置在真空蒸发镀膜设备的样品台上，样品法线与沉积方向的夹角(即入射角)为30～50°，在5×10-4～1×10-3Pa的真空度下进行热蒸发沉积金属银，沉积速度为，沉积厚度为50～100nm；4)将蒸镀完后的基底放入无水乙醇中浸泡2～3小时，去除银覆盖的光刻胶，取出洗净，得到纳米半锥壳阵列；5)将纳米半锥壳阵列水平放置在真空蒸发镀膜设备的样品台上，在1×10-4～2×10-4真空度下进行硅的溅射10～20min，然后将样品放置在氧气等离子体清洗机中，用氧等离子体处理2～10min，使硅的表面富含羟基；再将样品放入一个密闭的容器中，在底部放入几滴氨基丙基三甲氧基硅烷(ATMS)，样品与液滴之间不直接接触；将这个密闭容器放入50～70℃烘箱中1～3小时，然后再将样品放入5～15mL无水二氯甲烷和100～150μL三乙胺的混合溶液中，将这个含有样品的混合液在0～10℃下冷藏5～20min；然后再将80～100μL的2-溴异丁酰溴加入到混合液中，放置在0～10℃下1～3小时；取出之后在室温下放置15～18小时，之后用无水二氯甲烷和乙醇分别清洗3～6遍，用氮气吹干；6)将0.2～0.5克异丙基丙烯酰胺和120～160μL1,1,4,7,7-五甲基二乙烯基三胺加入到1～3mL乙醇和1～3mL水的混合液中，将此混合液进行超声至混合均匀，然后通20～50min高纯氮气去除液体中的氧气，之后将15～30毫克的氯化亚铜放入到该混合液中，并将混合液进行超声至液体变绿；再将上述步骤得到的样品放入混合液中，在室温下通氮气反应0.5～2小时，在聚合完成后，样品用乙醇和去离子水冲洗，得到接枝有聚异丙基丙烯酰胺的纳米半锥壳阵列；7)将步骤6)制备的样品放置在控温器件上，利用接触角测试仪不断用针头向样品表面注水，当表面温度低于临界温度(～32℃)时，水流向纳米半锥壳的倾斜方向；当表面温度高于临界温度(～32℃)时，水流方向反转，从而通过控制温度实时控制水流的方向。步骤1)基底为平整的玻璃片、石英片、硅片等。步骤2)中聚苯乙烯微球直径的尺寸在0.5～3μm，购买商业化产品。本专利技术各个步骤操作简单，可控性强，在制备的纳米半锥壳阵列上接枝有温度响应的聚异丙基丙烯酰胺，使样品表面随着温度的变化而改变浸润性，从而控制水的流向。附图说明图1为制备纳米半锥壳阵列的流程图；图中标示了各种利用的材料和主要操作步骤；其中，基底1、光刻胶2、聚苯乙烯微球3、银膜4、纳米半锥壳阵列5；图2为(A)接枝有聚异丙基丙烯酰胺的纳米半锥壳阵列扫描电子显微镜(SEM)照片(从倾斜45°的角度拍摄)。(B)标注了整体结构的不同成分组成，其中，基底1、银膜4、纳米半锥壳阵列5、硅层6、聚异丙基丙烯酰胺层7；(C)当表面温度低于临界温度(LCST)时，表面是亲水的状态，水流向左侧移动。(D)当温度高于LCST时，表面变为疏水状态，随着液体量的增加，接触角在不断变大。(E)随着继续注水，水向相反本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于纳米半锥壳阵列实时控制水流方向的方法，其步骤如下：步骤如下：1)将纳米半锥壳阵列水平放置在真空蒸发镀膜设备的样品台上，在1×10‑4～2×10‑4真空度下进行硅的溅射10～20min，然后将样品放置在氧气等离子体清洗机中，用氧等离子体处理2～10min，使硅的表面富含羟基；再将样品放入一个密闭的容器中，在底部放入几滴氨基丙基三甲氧基硅烷(ATMS)，样品与液滴之间不直接接触；将这个密闭容器放入50～70℃烘箱中1～3小时，然后再将样品放入5～15mL无水二氯甲烷和100～150μL三乙胺的混合溶液中，将这个含有样品的混合液在0～10℃下冷藏5～20min；然后再将80～100μL的2‑溴异丁酰溴加入到混合液中，放置在0～10℃下1～3小时；取出之后在室温下放置15～18小时，之后用无水二氯甲烷和乙醇分别清洗3～6遍，用氮气吹干；2)将0.2～0.5克异丙基丙烯酰胺和120～160μL1,1,4,7,7‑五甲基二乙烯基三胺加入到1～3mL乙醇和1～3mL水的混合液中，将此混合液进行超声至混合均匀，然后通20～50min高纯氮气去除液体中的氧气，之后将15～30毫克的氯化亚铜放入到该混合液中，并将混合液进行超声至液体变绿；再将上述步骤得得的样品放入混合液中，在室温下通氮气反应0.5～2小时，在聚合完成后，样品用乙醇和去离子水冲洗，得到接枝有聚异丙基丙烯酰胺的纳米半锥壳阵列；3)将步骤2)制备的样品放置在控温器件上，利用接触角测试仪不断用针头向样品表面注水，当表面温度低于临界温度时，水流向纳米半锥壳的倾斜方向；当表面温度高于临界温度时，水流方向反转，从而通过控制温度实时控制水流的方向。...

【技术特征摘要】
1.一种基于纳米半锥壳阵列实时控制水流方向的方法，其步骤如下：
步骤如下：
1)将纳米半锥壳阵列水平放置在真空蒸发镀膜设备的样品台上，在
1×10-4～2×10-4真空度下进行硅的溅射10～20min，然后将样品放置在氧气
等离子体清洗机中，用氧等离子体处理2～10min，使硅的表面富含羟基；
再将样品放入一个密闭的容器中，在底部放入几滴氨基丙基三甲氧基硅
烷(ATMS)，样品与液滴之间不直接接触；将这个密闭容器放入50～70℃
烘箱中1～3小时，然后再将样品放入5～15mL无水二氯甲烷和100～150
μL三乙胺的混合溶液中，将这个含有样品的混合液在0～10℃下冷藏
5～20min；然后再将80～100μL的2-溴异丁酰溴加入到混合液中，放置
在0～10℃下1～3小时；取出之后在室温下放置15～18小时，之后用无
水二氯甲烷和乙醇分别清洗3～6遍，用氮气吹干；
2)将0.2～0.5克异丙基丙烯酰胺和120～160μL1,1,4,7,7-五甲基二乙烯基三
胺加入到1～3mL乙醇和1～3mL水的混合液中，将此混合液进行超声至
混合均匀，然后通20～50min高纯氮气去除液体中的氧气，之后将15～30
毫克的氯化亚铜放入到该混合液中，并将混合液进行超声至液体变绿；
再将上述步骤得得的样品放入混合液中，在室温下通氮气反应0.5～2小
时，在聚合完成后，样品用乙醇和去离子水冲洗，得到接枝有聚异丙基
丙烯酰胺的纳米半锥壳阵列；
3)将步骤2)制备的样品放置在控温器件上，利用接触角测试仪不断用针
头向样品表面注水，当表面温度低于临界温度时，水流向纳米半锥壳的
倾斜方向；当表面温度高于临界温度时，水流方向反转，从而通过控制
温度实时控制水流的方向。
2.如权利要求1所述的一种基于纳米半锥壳阵列实时控制水流方向的方法，其
特征在于：
1)取亲水处理过平整基底，以1000～3000rpm的转速将正向光刻胶原液旋
涂到基底上，然后将基底在80～120℃条件下放置0.5～1小时进行固化，
得到厚1～2μm的光刻胶薄膜；
2)在1～5mL浓度为1～20wt％的聚苯乙烯微球的去离子水分散...

【专利技术属性】
技术研发人员：张刚，艾斌，王立敏，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22