基于材料浸潤性數(shù)字微流體技術(shù)的研究.pdf

1、近年來，在電子紙顯示、液體透鏡以及生物芯片等應(yīng)用領(lǐng)域，微流體技術(shù)(microfluidics)逐漸成為研究熱點。其中，對單個液滴進行精確操作的數(shù)字微流體技術(shù)（digitalmicrofluidics）尤其受到人們的廣泛關(guān)注。相比傳統(tǒng)的微流體技術(shù)，數(shù)字微流體技術(shù)不僅繼承了體積輕巧，使用樣品量少等優(yōu)點，而且可借助小液滴實現(xiàn)更加快速及精確的反應(yīng)、或液體操控。最近，數(shù)字微流體技術(shù)對電子紙顯示器件、新型透鏡等領(lǐng)域產(chǎn)生了革命性的沖擊，具有快速響應(yīng)速

2、度的電潤濕電子紙，新型的可連續(xù)變焦的液體透鏡等技術(shù)不斷涌現(xiàn)。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，隨著液滴體積的減小，甚至可以實現(xiàn)單分子或單細胞操作。對于數(shù)字微流體技術(shù)而言，在亞毫米尺度范圍內(nèi)，流體系統(tǒng)中的表面張力將遠大于重力而起主導(dǎo)作用，因此，對表面張力的控制技術(shù)成為研究數(shù)字微流體技術(shù)以及提高器件性能的關(guān)鍵。目前研究報告中介紹的表面張力控制手段主要有:表面活性劑的紫外光或者電化學(xué)調(diào)節(jié)、溫度梯度控制以及其他復(fù)雜的光電系統(tǒng)調(diào)節(jié)等。在實際數(shù)字微流體應(yīng)用中，人們期

3、待不需外部輔助設(shè)備，簡單低成本且可靈活操作的表面張力調(diào)節(jié)手段，來實現(xiàn)并提高以上所述數(shù)字微流體器件性能。本論文針對表面張力的有效控制技術(shù)，從靜態(tài)和動態(tài)調(diào)節(jié)兩個方面展開了研究，其重要研究成果總結(jié)如下:
　　 1.通過結(jié)合微納米級結(jié)構(gòu)以及低表面自由能，可以獲得與水滴接觸角大于150°的超疏水表面。目前研究人員通常關(guān)注超疏水表面的自清潔特性，抗污染特性，針對減遲滯特性卻缺乏系統(tǒng)的研究。我們建立了超疏水表面結(jié)構(gòu)對減遲滯特性影響的理論模型，

4、并在不同微納米尺度的氧化鋅結(jié)構(gòu)上實驗發(fā)現(xiàn)空氣比例、結(jié)構(gòu)間隙的增加將有益于產(chǎn)生減遲滯特性更佳的微流體平臺。與此同時，在微米級結(jié)構(gòu)表面覆蓋納米級結(jié)構(gòu)所形成的雙重粗糙結(jié)構(gòu)有利于提高超疏水表面的穩(wěn)定性，在此基礎(chǔ)上，我們研究和制備了具有很強減遲滯特性的穩(wěn)定的超疏水表面。在諸如電子紙顯示器件、液體透鏡及生物芯片等數(shù)字微流體系統(tǒng)中，流體遲滯力的減小不僅能減小流體擴張與收縮阻力，提高像素單元對比度變化和連續(xù)變焦速率，而且能降低驅(qū)動能源消耗。
　　

5、 2.由于不存在擁有足夠低表面自由能的材料產(chǎn)生疏油效果，超疏油表面無法利用現(xiàn)有超疏水表面一樣的原理進行制備，超雙疏特性的實現(xiàn)必須依賴于新的結(jié)構(gòu)設(shè)計。另外，目前油水分離薄膜主要依靠聚四氟乙烯噴涂金屬網(wǎng)制備而成，但是由于其親油性不好，容易造成大的油性流體流動阻力，降低油水分離效果。我們首先從理論上研究了超雙疏表面的形成機理，理論模型顯示，通過在固體表面制造凸形微觀結(jié)構(gòu)可以利用液體的表面張力獲得局部穩(wěn)定的空氣/液體界面，從而產(chǎn)生超雙疏效果。

6、與此同時，我們采用水熱法在網(wǎng)狀金屬基板表面成功制備了具有多重粗糙度的氧化鋅納米結(jié)構(gòu)，受益于表面的多重粗糙度，在進行疏水化處理以后，基板不僅顯示了理想的超疏水性，還擁有了理想的超親油性，降低了油性流體流動阻力，實驗驗證了良好的油水分離功能。多重浸潤特性表面的研究在工業(yè)應(yīng)用中具有重要意義，可以利用超雙疏表面減小電子紙顯示器件以及液體透鏡中油性流體的粘附力，也可以借助油水分離功能在微流體器件中制造流體閥。
　　 3.通過在傳統(tǒng)電潤濕器

7、件的導(dǎo)電電極和液滴中間增加一層疏水介質(zhì)薄膜，可以獲得性能更加穩(wěn)定和實用的EWOD器件。并且受益于優(yōu)越的表面張力控制能力以及微量液滴操作性能，EWOD是實現(xiàn)數(shù)字微流體器件最具潛力的技術(shù)。但是由于缺乏給內(nèi)部電極施加電壓的有效技術(shù)手段，研究人員一直無法有效實現(xiàn)可同步操作多重微量液滴的二維EWOD數(shù)字微流體器件。利用現(xiàn)有的集成電路制造工藝制備多層電極結(jié)構(gòu)可以解決這一問題，但是其制造成本較高。我們采用多層印制電路板作為EWOD器件的基板，利用分布

8、在內(nèi)部電極上的不同類型過孔，有效地、低成本地解決了內(nèi)部電極電信號接入的問題，并以此實現(xiàn)了真正的二維EWOD數(shù)字微流體器件。在二維器件中，我們可以同步實現(xiàn)多種微流體操作及反應(yīng)測試，極大地提高了微流體操作效率。
　　 4.通常所說的EWOD器件是在光滑疏水表面上進行的，如果在超疏水表面進行類似操作，我們可以獲得相比光滑表面更大的接觸角改變。然而，在多數(shù)情況下超疏水表面接觸角改變是不可回復(fù)的，在空氣環(huán)境中這一問題尤為突出，由此產(chǎn)生液滴

9、遲滯力的增加會嚴重影響到數(shù)字微流體器件性能。我們通過設(shè)計超疏水表面結(jié)構(gòu)參數(shù)，在非浸潤狀態(tài)下實現(xiàn)了液滴接觸角的可回復(fù)變化。由于微觀結(jié)構(gòu)間隙頂端存在的空氣/液體界面在一定量電潤濕力作用下依然能保持穩(wěn)定狀態(tài)，存在電潤濕電壓安全操作區(qū)間，從而實現(xiàn)部分可回復(fù)角度變化。與此同時，我們通過在納米結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電電極之間增加介質(zhì)層的方法，在浸潤的超疏水表面實現(xiàn)了可回復(fù)性良好的電潤濕現(xiàn)象。超疏水表面液滴由于非對稱形變產(chǎn)生的驅(qū)動力要遠大于光滑表面，并由此產(chǎn)生更快