一種圖案化二維氣泡陣列及其制備方法和應(yīng)用
【專利摘要】本發(fā)明涉及材料領(lǐng)域，公開了一種圖案化二維氣泡陣列的制備方法，該方法包括如下步驟：1)制備表面具有圖案化結(jié)構(gòu)的基材；2)將所述表面具有圖案化結(jié)構(gòu)的基材和表面平整的基材分別作為下基底和上基底組成氣泡生成體系；3)在所述氣泡生成體系中填充含有微小氣泡的液體，并通過微小氣泡的融合，形成圖案化二維氣泡陣列。該制備方法利用表面具有圖案化結(jié)構(gòu)的基材控制微小氣泡的融合，以圖案化結(jié)構(gòu)為模版實(shí)現(xiàn)了二維氣泡大小、形狀和排列的精確控制，簡單快捷，可控性強(qiáng)，均一性好，制備成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn)。
【專利說明】
一種圖案化二維氣泡陣列及其制備方法和應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及材料領(lǐng)域，具體地，涉及一種圖案化二維氣泡陣列及其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]氣泡由于具有特殊的性能，如高比表面積、可壓縮性、聲波控制、光學(xué)衍射和散射、同時具有固體和液體的力學(xué)性質(zhì)等，具有重要的作用。氣泡的應(yīng)用涵蓋材料科學(xué)、海洋工程、環(huán)境科學(xué)、生物醫(yī)藥工程、化學(xué)工程、食品生產(chǎn)及微電子學(xué)等方面，并可用于實(shí)驗切割、微攪拌器、微反應(yīng)堆、微型總量分析系統(tǒng)等。
[0003]對氣泡的尺寸大小、形狀和分布的控制，是氣泡在生產(chǎn)應(yīng)用中最為重要的部分。如環(huán)境科學(xué)中，較小尺寸的氣泡具有更大的比表面積、界面ζ電位高、在液體中上升速率更小等特點(diǎn)，從而更高效地吸附而去除污染物。用于生物醫(yī)藥工程中的微氣泡造影劑，不但要求氣泡的直徑小于8μπι來防止血管阻塞，而且要求分布均勻來避免產(chǎn)生很寬的回聲頻率。在孔狀固體材料的制備方面，氣泡的特性賦予多孔性固體材料許多優(yōu)異的性能，如高的比表面積具有的催化特性、絕緣、隔熱、隔聲特性及特殊的力學(xué)性能等，而這些性能與材料內(nèi)部孔徑的大小、形狀和分布具有直接的關(guān)系。在生產(chǎn)過程中，氣泡的尺寸、大小及分布也直接影響食品、化工產(chǎn)品、藥物的質(zhì)量。另一方面，對氣泡的尺寸、形狀和分布的精確控制，還有助于加強(qiáng)對氣泡的表面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)、大量氣泡形成的泡沫的演化規(guī)律等的進(jìn)一步認(rèn)識，從而開展更深入的研究。比如，利用氣泡的共振和耦合共振作用制備出聲子晶體，用于聲波傳播控制的研究等。
[0004]目前產(chǎn)生微納米氣泡的方法有很多，如加壓溶氣析出氣泡法、引氣制造氣泡法(利用各種剪切力作用，將氣體粉碎形成微納米氣泡進(jìn)入液相中)、電解析出氣泡法、超聲波法、化學(xué)反應(yīng)法、微流體中流體聚焦法等。這些方法中，有的產(chǎn)生的氣泡產(chǎn)量大但尺寸無法精確控制，離散度很大，有的可精確控制氣泡的數(shù)量和尺寸卻產(chǎn)量較低，而且，這些方法產(chǎn)生的氣泡在空間中分布是隨機(jī)的，形狀和排列都是比較單一的。因此，如何快速產(chǎn)生并精確控制氣泡的大小、形狀和空間中的排列方式是目前的一個研究熱點(diǎn)，并將在聲學(xué)、光學(xué)、微流體芯片、納米材料組裝、功能性孔隙材料制備等方面具有很大的應(yīng)用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種工藝簡單可控、可大面積應(yīng)用的二維氣泡精確圖案化方法。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種圖案化二維氣泡陣列的制備方法，該方法包括如下步驟:
[0007]I)制備表面具有圖案化結(jié)構(gòu)的基材；
[0008]2)將所述表面具有圖案化結(jié)構(gòu)的基材和表面平整的基材分別作為下基底和上基底組成氣泡生成體系；
[0009]3)在所述氣泡生成體系中填充含有微小氣泡的液體，并通過微小氣泡的融合，形成圖案化二維氣泡陣列。
[0010]本發(fā)明還提供了通過上述制備方法制備的圖案化二維氣泡陣列。
[0011]本發(fā)明還提供了通過上述制備方法制備的圖案化二維氣泡陣列在微流體芯片、納米材料組裝、氣泡光柵、濾波器和功能性孔隙材料的制備中的應(yīng)用。
[0012]通過上述技術(shù)方案，利用表面具有圖案化結(jié)構(gòu)的基材控制微小氣泡的融合，以圖案化結(jié)構(gòu)為模版實(shí)現(xiàn)了二維氣泡大小、形狀和排列的精確控制。并且，該制備方法簡單快捷，可控性強(qiáng)，均一性好，制備成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn)。
[0013]本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的【具體實(shí)施方式】部分予以詳細(xì)說明。
【附圖說明】
[0014]附圖是用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與下面的【具體實(shí)施方式】一起用于解釋本發(fā)明，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。在附圖中:
[0015]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1中的表面具有圓柱陣列的硅片基材的示意圖
[0016]圖2是本發(fā)明實(shí)施例6中表面具有圓柱陣列的硅片與表面平整的石英片組成的氣泡生成體系的示意圖。
[0017]圖3是本發(fā)明實(shí)施例1中隨著化學(xué)反應(yīng)和氣泡的融合，在氣泡生成體系中形成的不均勻的氣泡的示意圖。
[0018]圖4是本發(fā)明實(shí)施例1中通過使用表面具有六邊形排列的圓柱陣列的基材與表面平整的基材制備的六邊形二維氣泡陣列的示意圖。
[0019]圖5是本發(fā)明實(shí)施例2中形成的六邊形氣泡的明場顯微鏡圖片。
[0020]圖6是本發(fā)明實(shí)施例3中使用表面具有正方形排列的圓柱陣列的基材制備的正方形排列的二維氣泡陣列的明場顯微鏡圖片。
[0021]圖7是本發(fā)明實(shí)施例4中使用表面具有大小不一的六邊形排列的圓柱陣列的基材制備的相應(yīng)的二維氣泡陣列的明場顯微鏡圖片。
[0022]圖8是本發(fā)明實(shí)施例8中制備的“十字形”排列的二維氣泡陣列的明場顯微鏡圖片。
【具體實(shí)施方式】
[0023]以下對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的【具體實(shí)施方式】僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。
[0024]在本文中所披露的范圍的端點(diǎn)和任何值都不限于該精確的范圍或值，這些范圍或值應(yīng)當(dāng)理解為包含接近這些范圍或值的值。對于數(shù)值范圍來說，各個范圍的端點(diǎn)值之間、各個范圍的端點(diǎn)值和單獨(dú)的點(diǎn)值之間，以及單獨(dú)的點(diǎn)值之間可以彼此組合而得到一個或多個新的數(shù)值范圍，這些數(shù)值范圍應(yīng)被視為在本文中具體公開。
[0025]本發(fā)明提供的圖案化二維氣泡陣列的制備方法，該方法包括如下步驟:
[0026]I)制備表面具有圖案化結(jié)構(gòu)的基材；
[0027]2)將所述表面具有圖案化結(jié)構(gòu)的基材和表面平整的基材分別作為下基底和上基底組成氣泡生成體系；
[0028]3)在所述氣泡生成體系中填充含有微小氣泡的液體，并通過微小氣泡的融合，形成圖案化二維氣泡陣列。
[0029]根據(jù)本發(fā)明，在所述氣泡生成體系中填充含有微小氣泡的液體的步驟中，可以在液體中產(chǎn)生微小氣泡后，將含有微小氣泡的液體填充到所述氣泡生成體系中，也可以在將液體填充到所述氣泡生成體系后，再在液體中形成微小氣泡。
[0030]根據(jù)本發(fā)明，所述含有微小氣泡的液體中的微小氣泡的產(chǎn)生方法沒有特別的限定，具體地，可以通過物理方法或化學(xué)方法產(chǎn)生。
[0031]作為產(chǎn)生所述微小氣泡的物理方法，可以為本領(lǐng)域常規(guī)使用的各種方法，例如可以為流體聚焦法或超聲波法。
[0032]在本發(fā)明中，流體聚焦法通過向液體中注入分隔空氣所形成的微小氣泡。該方法為本領(lǐng)域所公知，對于其具體條件沒有特別的限定，可以采用本領(lǐng)域公知的條件。另外，超聲波法也為本領(lǐng)域所公知，對于其具體條件也沒有特別的限定，可以采用本領(lǐng)域公知的條件。
[0033]作為產(chǎn)生所述微小氣泡的化學(xué)方法，沒有特別的限定，可以為能夠產(chǎn)生氣體的化學(xué)反應(yīng)方法。優(yōu)選的情況下，所述化學(xué)方法為選自過氧化氫或過氧化脲的催化分解、硼氫化物的水解反應(yīng)、碳酸鹽的酸解反應(yīng)和碳酸氫鹽的酸解反應(yīng)的一種或多種。其中，硼氫化物的水解反應(yīng)為在酸性條件下硼氫化物水解生成氫氣的反應(yīng)，所述硼氫化物可以為選自硼氫化鈉、硼氫化鉀、硼氫化鎂和硼氫化鈣中的一種或多種，優(yōu)選為硼氫化鈉;所述碳酸鹽可以為碳酸鈉和/或碳酸鉀，所述碳酸氫鹽可以為碳酸氫鈉和/或碳酸氫鉀。
[0034]作為上述過氧化氫或過氧化脲的催化分解的催化劑，可以為選自金屬納米顆粒、三價鐵離子和錳離子中的一種或多種。
[0035]另外，為了便于控制反應(yīng)的速度，更加穩(wěn)定的形成圖案化二維氣泡陣列，優(yōu)選地，所述化學(xué)反應(yīng)為固體和液體反應(yīng)生成氣體的化學(xué)反應(yīng)，具體可以為硼氫化鈉與酸溶液反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，過氧化脲在催化劑(如銀納米粒子)作用下分解產(chǎn)生氧氣等。
[0036]根據(jù)本發(fā)明，在所述氣泡生成體系中填充含有微小氣泡的液體的步驟中，如果選用物理方法產(chǎn)生微小氣泡，優(yōu)選在液體中產(chǎn)生微小氣泡后，將含有微小氣泡的液體填充到所述氣泡生成體系中；如果選用化學(xué)方法產(chǎn)生微小氣泡，優(yōu)選在將液體填充到所述氣泡生成體系后，再進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)在液體中形成微小氣泡。
[0037]根據(jù)本發(fā)明，為了降低表面張力以避免氣泡在融合過程中發(fā)生破裂，優(yōu)選地，所述含有微小氣泡的液體包含溶劑和表面活性劑。
[0038]作為所述溶劑可以為本領(lǐng)域常規(guī)使用的各種溶劑，優(yōu)選地，所述的溶劑為選自水、
甲醇、乙醇、丙酮、乙二醇、異丙醇、二甘醇、乙二醇甲醚、乙二醇乙醚、乙二醇丁醚、乙二醇苯醚、乙二醇芐醚、糠醇、二甘醇甲醚、二甘醇乙醚、二甘醇丁醚、三甘醇甲醚、雙丙酮醇、十三醇、十四醇、鄰苯二甲酸二辛酯、醋酸乙酯、醋酸丁酯、環(huán)己酮、二甲苯、聯(lián)二環(huán)己烷、環(huán)己烷、正丁醇、丁酮、鄰苯二甲酸二甲酯和山梨糖醇中的一種或多種。
[0039]作為所述表面活性劑可以為本領(lǐng)域常規(guī)使用的各種表面活性劑，優(yōu)選地，所述的表面活性劑為選自陰離子表面活性劑、陽離子表面活性劑、兩性離子表面活性劑和非離子表面活性劑中的一種或多種。具體地，所述陰離子表面活性劑可以為選自十二烷基苯磺酸納、十二烷基硫酸鈉和硬脂酸中的一種或多種;所述陽離子表面活性劑可以為季銨化合物；所述兩性離子表面活性劑可以為選自氨基酸型兩性離子表面活性劑、甜菜堿型兩性離子表面活性劑、聚丙烯酰胺和卵磷脂中的一種或多種;所述非離子表面活性劑可以為選自脂肪酸山梨坦、脂肪酸甘油酯和聚山梨酯中的一種或多種。
[0040]根據(jù)本發(fā)明，所述含有微小氣泡的液體中根據(jù)需要還可以含有其他材料，如納米材料等。
[0041]作為納米材料的種類沒有特別限定，可以根據(jù)需要適當(dāng)選擇。具體可舉出選自膠體微球、納米顆粒、納米線、碳納米管、石墨稀、和選自以PS納米微球或無機(jī)納米球(如二氧化硅納米球、二氧化鈦納米球、氧化鐵納米球等)為核，核外包覆鉑殼、金殼、銀殼、銅殼、DNA分子、有機(jī)焚光分子、功能小分子或者功能高分子的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒中的一種或多種。優(yōu)選的情況下，所述納米顆粒為選自鉑、金、銀、銅、氧化鋅、氧化鐵、四氧化三鐵、二氧化鈦、二氧化硅、CdTe量子點(diǎn)中的一種或多種。根據(jù)本發(fā)明，所述納米材料的尺寸可以根據(jù)需要具體選擇，不影響圖案化二維氣泡陣列的形成即可。其作用為組裝形成納米材料圖案。
[0042]根據(jù)本發(fā)明，所述氣泡生成體系為密閉的或開放的。所述氣泡生成體系的密閉和開放是指該氣泡生成體系的側(cè)面是密閉或是開放的。所述氣泡生成體系為密閉的時，液體不可以通過氣泡生成體系的側(cè)面揮發(fā);所述氣泡生成體系為開放的時，液體可以通過氣泡生成體系的側(cè)面揮發(fā)。
[0043]根據(jù)本發(fā)明，所述表面具有圖案化結(jié)構(gòu)的基材通過在選自硅片、鋁片、銅片、PDMS膜、PET膜、PMMS膜和PU膜中的一種的基材上形成圖案化結(jié)構(gòu)而得到。優(yōu)選地，所述表面平整的基材是具有平整表面的硅片、石英片、鐵片、銅片、鋁片、聚硅氧烷(如PDMS)片和橡膠片中的一種。
[0044]根據(jù)本發(fā)明，所述表面具有圖案化結(jié)構(gòu)的基材上的圖案化結(jié)構(gòu)的形成方式?jīng)]有特別的限定，可以根據(jù)具體的基材材料進(jìn)行選擇。當(dāng)基材為硅片、鋁片或銅片時，可以采取本領(lǐng)域常規(guī)采用的蝕刻技術(shù)制備圖案化結(jié)構(gòu)；當(dāng)基材為PDMS膜、PET膜、PMMS膜或PU膜時，可以采用軟蝕刻技術(shù)進(jìn)行制備圖案化結(jié)構(gòu)。具體蝕刻的步驟和條件，可以用采用本領(lǐng)域常規(guī)使用的方式進(jìn)行，形成所需要的圖案化結(jié)構(gòu)即可，在此不再贅述。
[0045]根據(jù)本發(fā)明，所述表面具有圖案化結(jié)構(gòu)的基材的圖案化結(jié)構(gòu)沒有特別的限定，可以是根據(jù)需要確定的各種結(jié)構(gòu)，可以是規(guī)整排列的，也可以是不規(guī)則的。優(yōu)選的情況下，該圖案化結(jié)構(gòu)是柱狀陣列結(jié)構(gòu)或錐狀陣列結(jié)構(gòu)，更優(yōu)選地，該圖案化結(jié)構(gòu)是柱狀陣列結(jié)構(gòu)，更優(yōu)選地，所述柱狀陣列結(jié)構(gòu)為選自圓柱陣列結(jié)構(gòu)、紡錘柱陣列結(jié)構(gòu)或多面體柱陣列結(jié)構(gòu)中的一種或多種。作為上述規(guī)整排列的方式，優(yōu)選地，所述柱狀陣列形成的圖案可以為六邊形、四邊形或三角形，更優(yōu)選為正六邊形、正方形或正三角形。
[0046]所述表面具有圖案化結(jié)構(gòu)的基材的圖案化結(jié)構(gòu)的尺寸沒有特別的限定，能夠形成所述圖案化二維氣泡陣列即可。在圖案化結(jié)構(gòu)中柱狀陣列形成的單個圖案尺寸較小時，可以僅在圖案的每個頂點(diǎn)設(shè)置所述柱，即能夠精確形成所述圖案化二維氣泡陣列；而在圖案化結(jié)構(gòu)中柱狀陣列形成的單個圖案尺寸較大時，僅在圖案的頂點(diǎn)設(shè)置所述柱，不同圖案內(nèi)的氣泡容易發(fā)生融合導(dǎo)致圖案化二維氣泡陣列不能精確形成，此時，可在同一條邊上設(shè)置多個柱，并控制相鄰的柱的距離，即可形成良好的圖案化二維氣泡陣列。
[0047]在本發(fā)明中，所述柱的半徑定義為柱的中心距離柱的外側(cè)面的最遠(yuǎn)距離，所述柱的間距定義為兩個相鄰的柱的側(cè)面間的最短距離。根據(jù)本發(fā)明，為了形成更加規(guī)整的圖案化二維氣泡陣列，所述柱狀陣列結(jié)構(gòu)中的柱的高度為5-100μπι，優(yōu)選為10-50μπι，所述柱的間距為5-100μηι，優(yōu)選為15-50μηι，所述柱狀陣列結(jié)構(gòu)中的柱的半徑為2-10μηι，優(yōu)選為4-8μηι。并且，本發(fā)明的發(fā)明人經(jīng)過深入研究發(fā)現(xiàn)，所述柱的間距不大于50μπι，所述柱的高度介于10-40μπι之間，能夠更加精確地控制圖案化二維氣泡陣列。
[0048]根據(jù)本發(fā)明，為了穩(wěn)定地形成圖案化二維氣泡陣列，所述含有微小氣泡的液體中氣泡的體積分?jǐn)?shù)為40-90 %，優(yōu)選為50-80 % ο所述微小氣泡的尺寸沒有特別的限定，優(yōu)選的情況下，所述微小氣泡的直徑為lOOnm-lOOym，優(yōu)選為2-100μπι，更優(yōu)選為10-60μπι。在此，使用的含有微小氣泡的液體中氣泡的體積分?jǐn)?shù)是指在25°C、1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的條件下，氣體體積占?xì)怏w與液體總體積的比例。在產(chǎn)生微小氣泡的物理方法中，這里的氣體體積指的是通過物理方法注入的氣體體積;在產(chǎn)生微小氣泡的化學(xué)方法中，這里的氣體體積指的是化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體體積。計算氣泡的體積分?jǐn)?shù)時，假設(shè)氣體在液體中的溶解度為零。
[0049]在本發(fā)明中，所述氣泡的融合，也可稱為氣泡的生長和演變，是指氣泡由于大小不一，界面曲率半徑不同，內(nèi)部壓強(qiáng)不同，內(nèi)部氣體溶解度不同，小氣泡逐漸被大氣泡合并的過程。
[0050]根據(jù)本發(fā)明，所述微小氣泡的融合過程可以通過溫度控制，具體的溫度，可以根據(jù)需要適當(dāng)選擇，具體可以為5-50°C，優(yōu)選為10-30°C。作為具體調(diào)節(jié)溫度的方法，可以采用冰水混合物降低環(huán)境溫度。制得所述圖案化二維氣泡陣列后，為了進(jìn)一步延長其保存時間，優(yōu)選在低溫下保存，所述低溫環(huán)境可為5°C以下，優(yōu)選為0-5°C。
[0051]本發(fā)明還提供了通過上述制備方法制備的圖案化二維氣泡陣列。
[0052]本發(fā)明還提供了上述圖案化二維氣泡陣列在微流體芯片、納米材料組裝、氣泡光柵、濾波器和功能性孔隙材料的制備中的應(yīng)用。
[0053]以下將通過實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。以下實(shí)施例中，使用的光學(xué)顯微鏡為由尼康公司生產(chǎn)，型號為NIK0N/E200。以下實(shí)施例中，如無特別說明，所述形成圖案化二維氣泡陣列的過程在室溫(25 °C)下進(jìn)行。
[0054]實(shí)施例1
[0055]選取5cmX 5cm的硅片，采用常規(guī)掩膜光學(xué)刻蝕的方法，在硅片的表面刻蝕出規(guī)整排列的六邊形排列的圓柱陣列(如圖1所示)，其中圓柱陣列的圓柱半徑為5μπι，圓柱的間距為30μπι，圓柱的高度為40μπι。將表面平整的玻璃片用乙醇超聲清洗10分鐘后用氮?dú)獯蹈伞Ｅ渲婆饸浠c的乙醇溶液，硼氫化鈉的濃度為5mg/mL;使用濃鹽酸、固體十二烷基苯磺酸鈉與水配制十二烷基苯磺酸鈉的酸溶液(pH約為2，十二烷基苯磺酸鈉的質(zhì)量含量為0.05%)。然后使用微量注射器吸取15μ1硼氫化鈉的乙醇溶液滴加到表面具有六邊形排列的圓柱陣列的硅片表面中心處，待乙醇自然揮發(fā)完畢，得到表面均勻分布有硼氫化鈉的硅片。另取50μ1配制的酸溶液滴加到上述清洗干凈的玻璃片上，然后將表面均勻分布有硼氫化鈉的硅片蓋到上述滴加有酸溶液的玻璃片上，并將其組成的開放的氣泡生成體系翻轉(zhuǎn)，隨著化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣泡(氣泡的體積分?jǐn)?shù)為80%)和氣泡融合(如圖3所示)，并隨著液體蒸發(fā)，得到尺寸均一、按六邊形排列的二維氣泡陣列時(如圖4所示)，即得到圖案化二維氣泡陣列。
[0056]實(shí)施例2
[0057]選取5cmX 5cm的硅片，采用常規(guī)掩膜光學(xué)刻蝕的方法，在硅片的表面刻蝕出規(guī)整排列的正六邊形排列的圓柱陣列，每邊有三個圓柱，其中圓柱陣列的圓柱半徑為5μπι，圓柱的間距為30μπι，圓柱的高度為40μπι。將表面平整的玻璃片用乙醇超聲清洗10分鐘后用氮?dú)獯蹈伞Ｅ渲七^氧化脲的乙醇溶液，過氧化脲的濃度為2 5mg/mL;使用粒徑約為5 Onm的銀納米粒子、十二烷基硫酸鈉與水配制得到銀納米粒子含量為2%、十二烷基硫酸鈉的質(zhì)量含量為
0.05%、余量為水的銀納米粒子溶液。然后使用微量注射器吸取25μ1過氧化脲的乙醇溶液滴加到表面具有六邊形圓柱陣列的硅片表面中心處，待乙醇自然揮發(fā)完畢，得到表面均勻分布有過氧化脲的硅片。另取50μ1所配制的銀納米粒子溶液滴加到上述清洗干凈的玻璃片上，然后將表面均勻分布有過氧化脲的硅片蓋到上述滴加有銀納米粒子溶液的玻璃片上，并將其組成的開放的氣泡生成體系翻轉(zhuǎn)，隨著化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣泡(氣泡的體積分?jǐn)?shù)為62%)和氣泡的融合，并隨著液體蒸發(fā)，氣泡由圓形變成六邊形(如圖5所示)，得到尺寸均一、按正六邊形排列的二維氣泡陣列時，即得到圖案化二維氣泡陣列。
[0058]實(shí)施例3
[0059]選取5cmX 5cm的硅片，采用常規(guī)掩膜光學(xué)刻蝕的方法，在硅片的表面刻蝕出規(guī)整排列的正方形排列的圓柱陣列，每邊有四個圓柱，其中圓柱陣列的圓柱半徑為5μπι，圓柱的間距ΙΟμπι，圓柱的高度為20μπι。將表面平整的石英片用乙醇超聲清洗10分鐘后用氮?dú)獯蹈伞Ｅ渲七^氧化脲的乙醇溶液，濃度為25mg/mL;使用粒徑約為50nm的銀納米粒子、十二燒基硫酸鈉與水配制得到銀納米粒子含量為2%、十二烷基硫酸鈉的質(zhì)量含量為0.05%、余量為水的銀納米粒子溶液。然后使用微量注射器吸取12μ1過氧化脲的乙醇溶液滴加到表面具有六邊形圓柱陣列的硅片表面中心處，待乙醇自然揮發(fā)完畢，得到表面均勻分布有過氧化脲的硅片。此時，另取25μ1所配制的銀納米粒子溶液滴加到上述清洗干凈的石英片上，然后將表面均勻分布有過氧化脲的硅片蓋到上述具有銀溶液的石英片上，并將其組成的氣泡生成體系翻轉(zhuǎn)，隨著化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣泡(氣泡的體積分?jǐn)?shù)為61 % )和氣泡的融合，并隨著液體蒸發(fā)，得到尺寸均一、按正方形排列的二維氣泡陣列(如圖6所示)時，即得到圖案化二維氣泡陣列。
[0060]實(shí)施例4
[0061]選取5cmX 5cm的硅片，采用常規(guī)掩膜光學(xué)刻蝕的方法，在硅片的表面刻蝕出大小不一的六邊形排列的圓柱陣列，使圓柱之間組成的三個六邊形夾角都為120度，其中圓柱陣列的圓柱半徑為5μπι，圓柱的間距為ΙΟμπι，圓柱的高度為40μπι。將表面平整的PDMS基片用乙醇超聲清洗10分鐘后用氮?dú)獯蹈?。配制過氧化脲的乙醇溶液，過氧化脲濃度為25mg/mL;使用粒徑約為50nm的銀納米粒子、十二烷基硫酸鈉與水配制得到銀納米粒子的質(zhì)量含量為2%、十二烷基硫酸鈉的質(zhì)量含量為0.05%、余量為水的銀納米粒子溶液。然后使用微量注射器吸取25μ1過氧化脲的乙醇溶液滴加到表面具有六邊形圓柱陣列的硅片表面中心處，待乙醇自然揮發(fā)完畢，得到表面均勻分布有過氧化脲的硅片。此時，另取50μ1所配制的銀納米粒子溶液滴加到上述清洗干凈的PDMS基片上，然后將表面均勻分布有過氧化脲的硅片蓋到上述具有銀溶液的PDMS基片上，并將其組成的氣泡生成體系翻轉(zhuǎn)，隨著化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣泡(氣泡的體積分?jǐn)?shù)為62%)和氣泡的融合，并隨著液體蒸發(fā)，得到尺寸可控、嚴(yán)格按照所設(shè)計六邊形排列的二維氣泡陣列(如圖7所示)時，即得到圖案化二維氣泡陣列。
[0062]實(shí)施例5
[0063]選取5cmX 5cm的玻璃片，采用常規(guī)掩膜光學(xué)刻蝕的方法，在玻璃片的中間，其表面刻蝕出規(guī)整排列的正三角形排列的圓柱陣列，其中圓柱陣列的圓柱半徑為5μηι，圓柱的間距為5μπι，圓柱的高度為15μπι。將表面平整的石英片用乙醇超聲清洗10分鐘后用氮?dú)獯蹈?。配制過氧化脲的乙醇溶液，過氧化脲的濃度為25mg/mL ；使用氯化鐵、十二烷基苯磺酸鈉與水配制得到氯化鐵的質(zhì)量含量為1%、十二烷基苯磺酸鈉的質(zhì)量含量為0.05%、余量為水的氯化鐵溶液。然后使用微量注射器吸取10μ1過氧化脲的乙醇溶液滴加到表面具有六邊形圓柱陣列的玻璃片表面中心處，待乙醇自然揮發(fā)完畢，得到表面均勻分布有過氧化脲的玻璃片。另取20μ1所配制氯化鐵溶液滴加到上述清洗干凈的石英片上，然后將表面均勻分布有過氧化脲的玻璃片蓋到上述具有氯化鐵溶液的石英片上，并將其組成的氣泡生成體系翻轉(zhuǎn)，隨著化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣泡(氣泡的體積分?jǐn)?shù)為62%)和氣泡的融合，并隨著液體蒸發(fā)，得到尺寸可控、嚴(yán)格按照所設(shè)計的三角形排列的二維氣泡陣列時，即得到圖案化二維氣泡陣列。
[0064]實(shí)施例6
[0065]選取5cmX 5cm的硅片，采用常規(guī)掩膜光學(xué)刻蝕的方法，在硅片的表面刻蝕出規(guī)整排列的正六邊形排列的圓柱陣列，其中圓柱陣列的圓柱半徑為5μηι，圓柱的間距為30μηι，圓柱的高度為40μπι。將表面平整的石英片用乙醇超聲清洗10分鐘后用氮?dú)獯蹈伞０咽⑵凸杵M成開放的氣泡生成體系(如圖2所示)。使用流體聚焦法產(chǎn)生氣泡的體積分?jǐn)?shù)為70%、氣泡直徑小于30μπι、十二烷基苯磺酸鈉的質(zhì)量含量為0.05%、其余為水的含有微小氣泡的液體，并緩慢上述氣泡生成體系中直到充滿。控制液體溫度為5°C使液體緩慢蒸發(fā)，隨著氣泡的融合，并隨著液體蒸發(fā)，得到尺寸可控、嚴(yán)格按照所設(shè)計的六邊形排列的二維氣泡陣列時，即得到圖案化二維氣泡陣列。
[0066]實(shí)施例7
[0067]選取5cmX 5cm的表面平整的I3DMS基片，采用軟刻蝕的方法，在PDMS的表面制備出規(guī)整排列的正六邊形排列的圓柱陣列，其中圓柱陣列的圓柱半徑為2μηι，圓柱的間距為26μm，圓柱的高度為ΙΟμπι。在PDMS基片邊緣，留有200μπι的空隙不加刻蝕來避免液體從側(cè)面蒸發(fā)。將表面平整的PET膜用去離子水超聲清洗10分鐘后用氮?dú)獯蹈?。把表面具有正六邊形結(jié)構(gòu)的PDMS基片和PET膜組成氣泡生成體系。使用流體聚焦法產(chǎn)生氣泡的體積分?jǐn)?shù)為80%、氣泡直徑小于30μπι、硬脂酸的質(zhì)量含量為0.01%、余量為乙二醇的含有微小氣泡的液體，并緩慢注入PDMS基片和PET膜形成的氣泡生成體系中直到充滿。控制液體溫度為5°C使液體緩慢蒸發(fā)，隨著氣泡的融合，得到尺寸可控、嚴(yán)格按照所設(shè)計的六邊形排列的二維氣泡陣列時，即得到圖案化二維氣泡陣列。
[0068]實(shí)施例8
[0069]選取5cmX 5cm的硅片，采用常規(guī)掩膜光學(xué)刻蝕的方法，在硅片的表面刻蝕出與實(shí)施例I相似，但去除四個相鄰六邊形單元中心的兩個圓柱(如圖8中白色的小圓柱的排列方式)，其中圓柱陣列的圓柱半徑為5μηι，圓柱的間距為ΙΟμπι，圓柱的高度為40μηι。將表面平整的PDMS基片用乙醇超聲清洗10分鐘后用氮?dú)獯蹈?。配制過氧化脲的乙醇溶液，過氧化脲濃度為25mg/mL;使用粒徑約為50nm的銀納米粒子、十二烷基硫酸鈉與水配制得到銀納米粒子的質(zhì)量含量為2%、十二烷基硫酸鈉的質(zhì)量含量為0.05%、余量為水的銀納米粒子溶液。然后使用微量注射器吸取25μ1過氧化脲的乙醇溶液滴加到表面具有六邊形圓柱陣列的硅片表面中心處，待乙醇自然揮發(fā)完畢，得到表面均勻分布有過氧化脲的硅片。此時，另取50μ1所配制的銀溶液滴加到上述清洗干凈的PDMS上，然后將表面均勻分布有過氧化脲的硅片蓋到上述具有銀納米顆粒溶液的PDMS上，并將其組成的氣泡生成體系翻轉(zhuǎn)，隨著化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣泡(氣泡的體積分?jǐn)?shù)為62%)和氣泡的融合，并隨著液體蒸發(fā)，得到尺寸可控、嚴(yán)格按照所設(shè)計“十字形”排列的二維氣泡陣列時，即得到圖案化二維氣泡陣列。
[0070]實(shí)施例9
[0071]選取5cmX5cm的表面平整的石英片，采用常規(guī)刻蝕的方法，在石英片的表面制備出規(guī)整排列的正六邊形排列的圓柱陣列，其中圓柱陣列的圓柱半徑為ΙΟμπι，圓柱的間距為30μπι，圓柱的高度為30μπι。將表面平整的玻璃片用去離子水超聲清洗10分鐘后用氮?dú)獯蹈?。把表面具有正六邊形結(jié)構(gòu)的石英片和玻璃片組成氣泡生成體系。使用流體聚焦法產(chǎn)生氣泡的體積分?jǐn)?shù)為50%、氣泡直徑小于30μπι、脂肪酸甘油酯的質(zhì)量含量為0.08%、余量為丙三醇的含有微小氣泡的液體，并緩慢注入石英片和玻璃片形成的氣泡生成體系中直到充滿。隨著氣泡的融合，并隨著液體蒸發(fā)，得到尺寸可控、嚴(yán)格按照所設(shè)計的六邊形排列的二維氣泡陣列時，即得到圖案化二維氣泡陣列。
[0072]以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式中的具體細(xì)節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行多種簡單變型，這些簡單變型均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0073]另外需要說明的是，在上述【具體實(shí)施方式】中所描述的各個具體技術(shù)特征，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進(jìn)行組合，為了避免不必要的重復(fù)，本發(fā)明對各種可能的組合方式不再另行說明。
[0074]此外，本發(fā)明的各種不同的實(shí)施方式之間也可以進(jìn)行任意組合，只要其不違背本發(fā)明的思想，其同樣應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明所公開的內(nèi)容。
【主權(quán)項】
1.一種圖案化二維氣泡陣列的制備方法，其特征在于，該方法包括如下步驟: 1)制備表面具有圖案化結(jié)構(gòu)的基材； 2)將所述表面具有圖案化結(jié)構(gòu)的基材和表面平整的基材分別作為下基底和上基底組成氣泡生成體系； 3)在所述氣泡生成體系中填充含有微小氣泡的液體，并通過微小氣泡的融合，形成圖案化二維氣泡陣列。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其中，所述含有微小氣泡的液體通過物理方法或化學(xué)方法產(chǎn)生； 優(yōu)選地，所述物理方法為流體聚焦法或超聲波法； 更優(yōu)選地，所述化學(xué)方法為能夠產(chǎn)生氣體的化學(xué)反應(yīng)方法； 進(jìn)一步優(yōu)選地，所述化學(xué)方法為選自過氧化氫或過氧化脲的催化分解、硼氫化物的水解反應(yīng)、碳酸鹽的酸解反應(yīng)和碳酸氫鹽的酸解反應(yīng)的一種或多種。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其中，所述含有微小氣泡的液體包含溶劑和表面活性劑； 優(yōu)選地，所述的溶劑為選自水、甲醇、乙醇、丙酮、乙二醇、異丙醇、二甘醇、乙二醇甲醚、乙二醇乙醚、乙二醇丁醚、乙二醇苯醚、乙二醇芐醚、糠醇、二甘醇甲醚、二甘醇乙醚、二甘醇丁醚、三甘醇甲醚、雙丙酮醇、十三醇、十四醇、鄰苯二甲酸二辛酯、醋酸乙酯、醋酸丁酯、環(huán)己酮、二甲苯、聯(lián)二環(huán)己烷、環(huán)己烷、正丁醇、丁酮、鄰苯二甲酸二甲酯和山梨糖醇中的一種或多種。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其中，所述的表面活性劑為選自陰離子表面活性劑、陽離子表面活性劑、兩性離子表面活性劑和非離子表面活性劑中的一種或多種； 優(yōu)選地，所述陰離子表面活性劑為選自十二烷基苯磺酸納、十二烷基硫酸鈉和硬脂酸中的一種或多種;所述陽離子表面活性劑為季銨化合物;所述兩性離子表面活性劑為選自氨基酸型兩性離子表面活性劑、甜菜堿型兩性離子表面活性劑、聚丙烯酰胺和卵磷脂中的一種或多種;所述非離子表面活性劑為選自脂肪酸山梨坦、脂肪酸甘油酯和聚山梨酯中的一種或多種。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其中，所述氣泡生成體系為密閉的或開放的。6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的制備方法，其中，所述表面具有圖案化結(jié)構(gòu)的基材通過在選自硅片、鋁片、銅片、PDMS膜、PET膜、PMMS膜和PU膜中的一種的基材上形成圖案化結(jié)構(gòu)而得到； 優(yōu)選地，所述表面平整的基材是具有平整表面的硅片、石英片、鐵片、銅片、鋁片、聚硅氧烷片和橡膠片中的一種。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其中，所述表面具有圖案化結(jié)構(gòu)的基材的圖案化結(jié)構(gòu)為柱狀陣列結(jié)構(gòu)或錐狀陣列結(jié)構(gòu)； 優(yōu)選地，所述表面具有圖案化結(jié)構(gòu)的基材的圖案化結(jié)構(gòu)為柱狀陣列結(jié)構(gòu)； 更優(yōu)選地，所述柱狀陣列結(jié)構(gòu)為選自圓柱陣列結(jié)構(gòu)、紡錘柱陣列結(jié)構(gòu)和多面體柱陣列結(jié)構(gòu)中的一種或多種； 進(jìn)一步優(yōu)選地，所述柱狀陣列形成的圖案為六邊形、四邊形或三角形。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備方法，其中，所述柱狀陣列結(jié)構(gòu)中的柱的高度為5-100μπι; 優(yōu)選地，所述柱狀陣列結(jié)構(gòu)中的柱的間距為5-100μπι; 更優(yōu)選地，所述柱狀陣列結(jié)構(gòu)中的柱的半徑為2-10μπι。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其中，所述含有微小氣泡的液體中氣泡的體積分?jǐn)?shù)為40-90 %，優(yōu)選地，所述微小氣泡的直徑為10nm-1OOym。10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任意一項所述的制備方法制備的圖案化二維氣泡陣列。11.權(quán)利要求10所述的圖案化二維氣泡陣列在微流體芯片、納米材料組裝、氣泡光柵、濾波器和功能性孔隙材料的制備中的應(yīng)用。
【文檔編號】B32B1/06GK106079677SQ201610423587
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月14日 公開號201610423587.6, CN 106079677 A, CN 106079677A, CN 201610423587, CN-A-106079677, CN106079677 A, CN106079677A, CN201610423587, CN201610423587.6
【發(fā)明人】黃占東, 蘇萌, 李正, 宋延林
【申請人】中國科學(xué)院化學(xué)研究所