液体二极管、表面修饰方法及应用

技术领域

本申请涉及液体定向运输的技术领域，尤其涉及液体二极管、表面修饰方法及应用。

背景技术

液体定向输送与操控在微流体、雾水收集、喷墨打印、界面催化、膜过滤和生物医学等技术应用中具有举足轻重的地位。研究者发现，自然界中存在多种具有液体自发定向运输的表面，如沙漠甲虫的背部、蜘蛛网、仙人掌、蝴蝶翅膀和猪笼草等。

目前，受自然界启发，研究人员已经提出了两种实现液体定向运输的驱动方式，包括被动驱动和主动驱动。其中被动驱动是利用不对称化学成分或物理结构产生润湿梯度的驱动，例如，液体倾向于在润湿性梯度作用下从高表面能区域流向低表面能区域，在拉普拉斯压力作用下从高曲率区域流向低曲率区域；主动驱动是液滴在外部刺激如光、热、电场或磁场等作用下产生的润湿性梯度实现定向运输。相比之下，主动驱动需要外部能量的辅助才能克服钉扎力。而且，目前的主动驱动方式一般只能进行单一种类液体驱动，无法同时实现多种液体的定向运输。如何结合主动驱动和被动驱动的优点成为研究热点。

相关技术中，液体驱动大多难以实现可灵活控制性，而且外部能源的使用通常需要复杂的制造技术。因此，迫切需要研发出一种可灵活操控定向运输例如速度及方向，同时可实现多种液体定向运输的液体二极管。

发明内容

有鉴于此，本申请提供液体二极管、表面修饰方法及应用，通过拉伸或释放来改变液体二极管结构单元的实际间距大小，有效调节液滴在弹性体基上的定向运输状况，操作灵活、方便。

第一方面，本申请提供一种液体二极管，包括：

可变形的基底；

阵列结构层，用于液体的定向运输并设于所述可形变基底上，所述阵列结构层由非对称结构单元呈阵列排布，所述阵列结构间距大小由所述基底变形程度决定，继而藉由该变形程度的改变操纵液体的定向运输/暂停或运输方向。前文已述“该拉伸程度的改变操纵液体的定向运输”，所属领域技术人员应当能够理解的是，拉伸程度必然不会导致三维纳米结构层整体结构发生严重的破坏，以不导致定向运输功能的基本丧失。具体而言，液体二极管的运输能力是和结构固有性能相关，前提是不破坏结构层就能实现运输。

为了解决该技术难题，本发明人将基底配置成用以承受外力拉伸的对象，控制拉伸程度在基底可承受范围内，以避免基底不会被破坏；其次，本申请阵列结构层和基底的结合力是具有足够保障的，以防基底稍有位移就会导致微结构脱离。

可选地，所述结构单元为半圆形、半椭圆形、圆形、椭圆形、多边形、曲面、双曲面中的一种或任意几种的组合。

可选地，所述结构单元的尺寸为纳米至毫米级，所述结构层由一种或多种尺寸的结构单元排列在同一平面，或小尺寸结构单元堆叠在大尺寸结构单元上。

可选地，所述结构单元的倾斜方向决定液体的运输方向，且所述结构单元的倾斜方向与所述基底形成夹角为10-90°。

可选地，所述基底的材料为弹性树脂、橡胶、水凝胶、金属网中一种或任意几种。

可选地，所述基底的变形方式可以是机构变形、机构单元之间的连接方式可以是螺丝、铆钉中一种或任意几种。

可选地，所述基底的变形方式可以是结构变形，通过拉伸使结构单元的长宽比发生变化，从而达到液体二极管阵列改变。

可选地，所述基底可以是一种材料或多种材料的非均质基底，通过拉伸，基底不同区域的形变不同，从而改变液体的运输状态。

第三方面，本申请提供一种液体二极管的表面修饰方法，将如上述液体二极管预拉伸预定程度，再在其表面沉积液体二极管所运输液体无反应的材料。

第三方面，本申请提供一种如上述液体二极管的应用，应用于微流控芯片制作、微反应器、颜料配色、电路控制、油水分离、雾水收集、物质输送、生物医学、环境健康。

本申请具有以下有益效果：

1)本申请结合了3D打印技术和复刻法，即先采用3D打印技术成型带有阵列结构层的光固化树脂模型，这样可以实现液体二极管表面结构的多样化；再利用复刻法即以光固化树脂模型为模板浇筑弹性体材料液，只需要以同一样品为模板，这样可制备出不同间距的阵列。两种方法的结合使用，可在短时间内实现批量操作，有利于大规模应用。

2)本申请中，将纳米至毫米级的阵列结构层同弹性的基底相结合，充分发挥了阵列结构层的定向运输液体的特点，以及通过机械拉伸弹性体可使二极管结构阵列变换的灵活性，不仅实现了长距离、连续的定向运输性能，还克服了相关技术中液体运输材料定向运输无法调控的问题。

3)本申请可适用于多种阵列结构。同时结合传统阵列与多种弹性体，可根据不同需求场所衍生出多种用于定向运输的液体二极管。

4)本申请利用弹性体作为结构和基底材料，不仅克服传统液体定向输运结构强度过小、易脱落等缺点，还实现了机械强度高、耐磨性强的液体控制结构。

附图说明

下面结合附图，通过对本申请的具体实施方式详细描述，将使本申请的技术方案及其它有益效果显而易见。

图1为本申请中实施例的液体二极管制备过程示意图；

图2为本申请的实施例中提供的光固化树脂模型；

图3为本申请的实施例中提供的一种液体二极管；

图4为本申请的实施例中PDMS膜未经预拉伸的液体二极管对乙醇运输过程的照片；

图5为本申请的实施例中PDMS膜预拉伸伸长率为20％的液体二极管对乙醇运输过程的照片；

图6为本申请的实施例中PDMS膜预拉伸伸长率为40％的液体二极管对乙醇运输过程的照片；

图7为本申请实施例中PDMS基液体二极管对乙醇单向控制照片；

图8为本申请实施例中PDMS基液体二极管对乙醇运输-暂停过程照片。

其中，图中元件标识如下：

1-光固化树脂模型；2-结构单元；3-凹膜；4-填充PDMS预聚物的凹膜；5-PDMS膜；6-液体二极管。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

本申请实施例液体二极管，适用包括但不限于水、乙醇、正己烷、硅油、各种与液体二极管无反应的溶剂的定向运输。

该液体二极管包括：

可变形基底层；

所述阵列结构层，用于液体的定向运输并设于所述可形变基底上，所述阵列结构层由非对称结构单元呈阵列排布，所述阵列结构间距大小由所述基底变形程度决定，继而藉由该变形程度的改变操纵液体的定向运输/暂停或运输方向。

所述阵列结构层，由一种或多种尺寸的结构单元呈层级或同一平面排列。

应当注意的是，上述液体二极管未拉伸时，可实现液滴单向自运输；拉伸至不同伸长率时，利用基底材料的泊松效应或长宽比变化，结构间距发生变化。具体而言，在撤去外力后，基底在预拉伸方向会收缩，导致结构单元的前后距离变小，左右距离变大，具体的距离与预拉伸的伸长率相关。

在实际操作时，在液体二极管上注射液体，其运输列数和二极管结构阵列间距、二极管结构、液体表面张力和注射速度等相关。选取的二极管结构参数，以一定的注射速度连续注射液体，液体在二极管上运输一段距离后，迅速拉伸液体二极管，液滴将会继续向前运输、或暂停运输一段时间、或改变运输方向。即，控制液体的运输方向或暂停运输，其运输速度可根据需要调控。

以下实施例中结构单元的横截面为双曲率的半椭圆形状为例，液体二极管材料以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为例，运输的液体以乙醇为例，介绍液体二极管的制备过程。

如图1所示，S1、在画图软件中设计结构单元2的形状或排布，结构单元为传统微米级或亚毫米级三维结构，由n个结构单元呈阵列排列而成阵列结构层。液体定向运输的原理是沿着先接触的方向铺展，在设计阵列时沿着运输方向的间距需要比垂直方向上更小一些。

S2、采用3D打印技术打印光固化树脂模型1，例如采用灰色的光固化树脂。打印出的光固化树脂模型1用乙醇清洗以去除未固化的树脂，在紫外灯下进行二次固化，所得带有结构阵列的光固化树脂模型1，如图2所示。

S3、对光固化树脂模型1氟硅烷处理后，将预聚物(可示范性地，PDMS和固化剂按质量比10：1)的混合液浇筑在光固化树脂模型1中(即以光固化树脂模型1为模板或模具成型)固化，脱模得到凹膜4。

S4、对凹膜4进行氟硅烷处理后，用PDMS预聚物填充，并在真空下脱泡。将预先制备的PDMS膜(即弹性的基底)5拉伸至一定伸长率，覆盖在填充满预聚物的凹膜4上，刮去多余预聚物并固化，脱模后即可得到相应弹性体的液体二极管6(如图3所示)。

实施例1

结构单元2形状为双曲率的半椭圆，其厚度为300μm，与基底夹角为50°，前后间距为1250μm，左右间距为1350μm，阵列为6×35。复刻过程采用的材料是PDMS，PDMS膜5的预拉伸伸长率为0％(未拉伸)，乙醇注射速度为1μL/s。结果所得到的液体二极管6结构间距为：1250×1350μm；如图4所示，液体二极管6对乙醇的运输速度为：0.26mm/s；运输列数为：6列。

实施例2

结构单元2形状为双曲率的半椭圆，其厚度为300μm，与基底夹角为50°，前后间距为1250μm，左右间距为1350μm，阵列为6×35。复刻过程采用的材料是PDMS，PDMS膜5的预拉伸伸长率为20％，乙醇注射速度为1μL/s。结果所得到的液体二极管6结构间距为：1100×1450μm；如图5所示，液体二极管6对乙醇的运输速度为：0.58mm/；运输列数为：3列。

实施例3

结构单元2形状为双曲率的半椭圆，其厚度为300μm，与基底夹角为50°，前后间距为1250μm，左右间距为1350μm，阵列为6×35。复刻过程采用的材料是PDMS，PDMS膜5的预拉伸伸长率为40％，乙醇注射速度为1μL/s。结果所得到的液体二极管6结构间距为：960×1525μm；如图6所示，液体二极管6对乙醇的运输速度为：0.96mm/s；运输列数为：2列。

实施例4

结构单元2形状为双曲率的半椭圆，其厚度为300μm，与基底夹角为50°，前后间距为1250μm，左右间距为1350μm，阵列为6×35。复刻过程采用的材料是PDMS，PDMS膜5的预拉伸伸长率为50％，乙醇注射速度为1μL/s。结果所得到的液体二极管6结构间距为：950×1600μm；液体二极管6对乙醇的运输速度为：0.88mm/s；运输列数为：2列。

实施例5

结构单元2形状为双曲率的半椭圆，其厚度为300μm，与基底夹角为50°，前后间距为1250μm，左右间距为1350μm，阵列为6×35。复刻过程采用的材料是PDMS，PDMS膜5的预拉伸伸长率为40％，乙醇注射速度为2μL/s。液体二极管6对乙醇的运输速度为：1.52mm/s；运输列数为：2列。

实施例6

结构单元2形状为双曲率的半椭圆，其厚度为300μm，与基底夹角为50°，前后间距为1250μm，左右间距为1350μm，阵列为6×35。复刻过程采用的材料是PDMS，PDMS膜5的预拉伸伸长率为40％，乙醇注射速度为4μL/s。液体二极管6对乙醇的运输速度为：1.89mm/s；运输列数为：2列。

实施例7

结构单元2形状为双曲率的半椭圆，其厚度为300μm，与基底夹角为50°，前后间距为1250μm，左右间距为1350μm，阵列为6×35。复刻过程采用的材料是PDMS，PDMS膜5的预拉伸伸长率为40％，乙醇注射速度为6μL/s。液体二极管6对乙醇的运输速度为：2.61mm/s；运输列数为：2、3、或4列(3列概率高)。

实施例8

结构单元2形状为双曲率的半椭圆，其厚度为300μm，与基底夹角为50°，前后间距为1250μm，左右间距为1350μm，阵列为6×35。复刻过程采用的材料是PDMS，PDMS膜5的预拉伸伸长率为40％，乙醇注射速度为8μL/s。液体二极管6对乙醇的运输速度为：3.64mm/s；运输列数为：3列或4列(3列概率高)。

实施例9

结构单元2形状为双曲率的半椭圆，其厚度为300μm，与基底夹角为50°，前后间距为1250μm，左右间距为1350μm，阵列为6×35。复刻过程采用的材料是PDMS，PDMS膜5的预拉伸伸长率为40％，乙醇注射速度为10μL/s。液体二极管6对乙醇的运输速度为：3.65mm/s；运输列数为：3列或4列(4列概率高)。

实施例10

结构单元2形状为双曲率的半椭圆，其厚度为300μm，与基底夹角为50°，前后间距为1250μm，左右间距为1350μm，阵列为6×35。复刻过程采用的材料是PDMS，PDMS膜5的预拉伸伸长率为40％，乙醇注射速度为1μL/s。正常情况下乙醇运输速度为0.96mm/s，运输列数为2列。如图7所示，采用自制装置拉伸液体二极管6至伸长率为30％时，乙醇在原始位置暂停运输4s后，回复液体二极管6至0％的伸长率，乙醇沿着原列数继续向前运输。

实施例11

结构单元2形状为双曲率的半椭圆，其厚度为300μm，与基底夹角为50°，前后间距为1250μm，左右间距为1350μm，阵列为6×35。复刻过程采用的材料是PDMS，PDMS膜5的预拉伸伸长率为40％，乙醇注射速度为1μL/s。正常情况下乙醇运输速度为0.96mm/s，运输列数为2列。如图8所示，采用自制装置拉伸液体二极管6至伸长率为30％时，乙醇暂停运输10s后，向两端扩散至六列，且乙醇可在液面最前端位置停留136s。最后回复液体二极管6至0％的伸长率，乙醇沿着6列继续向前运输。

实施例12

结构单元2形状为双曲率的半椭圆，其厚度为300μm，与基底夹角为50°，前后间距为1250μm，左右间距为1350μm，阵列为6×35。复刻过程采用的材料是PDMS，PDMS膜5的预拉伸伸长率为40％。控制乙醇注射速度为1μL/s，将液体二极管6摆放在不同位置，包括内曲面、外曲面、斜面、螺旋面等，该二极管均可实现乙醇定向运输。

实施例13

结构单元2形状为双曲率的半椭圆，其厚度为300μm，与基底夹角为50°，控制结构前后间距分别为1250、1400、1550μm的阵列各两列，左右间距为1350μm，阵列为6×35。复刻过程采用的材料是PDMS，PDMS膜5的预拉伸伸长率为40％。其中前后间距为1250μm的两列阵列连接绿色灯泡，间距为1400μm的两列阵列连接黄色灯泡，间距为1550μm的两列阵列连接红色灯泡。该二极管伸长率为0％时，绿色灯泡发光；伸长率为20％时，黄色灯泡发光；伸长率为40％时，红色灯泡发光。

实施例14

结构单元2形状为双曲率的半椭圆，其厚度为300μm，与基底夹角为50°，料是PDMS，PDMS膜5的预拉伸伸长率为40％。该液体二极管6可进行多项应用，包括：油水分离、颜料配色、物质递送、线路控制、雾水收集、生物医学等。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。