悬切结构的仿生制备及液体自发定向输运机制研究

The control of dynamic behavior of droplets using bionic interface materials as a carrier has become a focus of intelligent infiltration research, and plays an important role in droplet drive, micro-stream transmission, and fresh water collection. Although current research has rapidly innovated in the field of small-scale liquid transport strategies, most of these technologies require energy-driven and have low processing flexibility, slow liquid movement, limited distance transmission and poor borderline containment Key technology bottlenecks. In this project, we use a laser direct writing technology combined with a wet etching method to prepare a hanging cut structure. Using its sharp edges to suppress liquids and pinning effects, we can achieve controllable wetting and precise control of droplets. The shape, by periodically repeating such edges, enhances the robustness; based on the anisotropic infiltrability of the asymmetric structure, combined with the Laplace pressure and the strong hydrophilicity of the surface, the self-driven controllable directed long-range transport of the droplets is achieved. The implementation of this project is of great significance in the development of new types of surface microfluidic liquid integrated chips/fluid optics/liquid logic circuits/biological analysis.

以仿生界面材料为载体的液滴动态行为调控已成为智能化浸润性研究热点，在液滴驱动、微流传输、淡水采集等方面发挥重要作用。目前研究尽管在小规模液体运输的策略方面进行了迅速的创新，但是这些技术大多都需要能量驱动，并且存在加工灵活性低，液体运动速度慢，远输距离有限，边界溢出性控制不好等关键技术瓶颈，在本项目中，基于激光直写技术结合湿法刻蚀方法制备悬切结构，利用其尖锐边缘对液体的抑制和钉扎效应，实现可控各项润湿，精准控制液滴形状，通过定期重复这样的边缘，提高稳健性；基于不对称结构浸润性的各向异性，结合拉普拉斯压强和表面的强亲水性，实现液滴的自驱动可控定向长程运输。这个项目的实施在新型表面微流控液体集成芯片/流体光学/液体逻辑电路开发/生物分析等方面都具有非常重要的意义。

本项目围绕“悬切结构的仿生制备及液体自发定向输运机制研究”课题，旨在解决目前由于化学梯度产生的各向异性表面，液滴存在运动速度慢，远输距离有限的问题。本项目的具体研究内容如下：1)本项目选择金属氧化物TiO2作为受体材料，我们通过在激光直写（LDW）技术处理的超疏水表面上引入润湿图案，改变TiO2表面的疏水状态，提出了一种精确且高度可控地操纵微小液滴的新方法。这种简单灵活的方法可以准确的实现对样品表面液滴的形状控制，并且可以通过占空比实现了大范围调节液滴接触角。基于我们的图案表面的各种功能已被证明可用于微/纳升液滴，包括可调附着力、任意形状可设计性、定向驱动和集水。优异的可控性归因于 LDW 引入的各向异性液固粘附力，具有高分辨率和灵活的制造特性。这一结果有望应用于生物芯片、生物传感器和微流控芯片等领域。2)采用飞秒激光加工技术在金属表面加工一种三维图案化结构，所述三维结构单元的表面轮廓形状为关于垂直于预设液滴弹跳方向的直线不对称的图案,会对滴落的液滴产生不对称的拉普拉斯压强，从而使液滴形成预定向运动的速度,同时结合所述三维结构单元的疏水表面，实现液滴的定向远距离弹跳运输。激光直写技术的灵活性和多尺度加工可显著提高液滴操控的多样性。这个项目的实施在新型表面微流控液体集成芯片/流体光学/液体逻辑电路开发/生物分析等方面都具有非常重要的意义。