用于微流体驱动的微纳米多级沟槽结构的飞秒激光制备技术研究

Surface tension driving based on micro/nanostructure is a promising method to drive fluid flow without external energy, and has showed broad potential applications in microfluidic chip. However, the fluid velocity and flow volume by surface tension driving in microfluidic chip is still difficult to be controlled. To solve the problem, this project proposed a high-efficiency, multiscale femtosecond laser processing technique to etch novel multilevel micro/nanogroove structures in microchannels. This structure has two distinct advantages: a) Anisotropic groove array can directionally control the fluid motion behavior; b) the micronanostructure on groove surface can enhance the surface wettability or hydrophobicity which is beneficial for fluid control. The main research contents of this project contain: 1) using pump-prob technique, the investigation of the ultrafast absorption mechanism and key technology optimization between femtosecond laser and materials (such as glass, PDMS, metal etc.); 2) The fabrication of 2D-3D anisotropic controllable biomimetic micronanogroove structures on the flat surface by femtosecond laser microfabrication and their wetting properties; 3) In-channel fabrication of anisotropic controllable biomimetic micronanogroove structures by femtosecond laser microfabrication and the realization of controllable fluid motion in micro channel for its future microfluidic applications.

基于微纳米结构的表面张力驱动是一种无需外部能量输入就能驱动液体流动的方法，在微流控芯片中具有广阔的应用前景。本项目针对目前微流控芯片中表面张力驱动时流体速度和流量不易控制等问题，拟提出利用一种高效率、多尺度的飞秒激光加工在微通道内壁刻蚀微纳米多级复合的新型沟槽阵列结构。该结构有两个特色：a）各向异性的沟槽阵列可以方向性控制流体运动行为；b）沟槽表面的微纳米多级复合结构又能增强表面浸润性或疏水性，更有利于流体控制。因此，本项目主要研究内容有：1）利用pump-prob探测技术，研究飞秒激光与材料（如玻璃、PDMS、金属等）的超快吸收机制及关键优化工艺；2）飞秒激光在平表面刻蚀可控的2D-3D各向异性仿生微纳米复合大沟槽结构及其浸润特性研究；3）飞秒激光在微通道内刻蚀各向异性微纳米复合沟槽结构的可控加工，实现微流体在微通道中的可控流动并将其运用到微流控系统中。

基于微纳米结构的表面张力驱动方法已引起人们的关注，它是一种无需借助外部装置和能量输入就可以驱动液体流动的动力源，人们通过在微流控芯片中构建具有特殊表面能的微通道，实现对微流控芯片中流体流动的控制。这种功能结构的设计和加工对于医疗、能源等领域的发展都有着重要的意义。我们主要采用超快激光为主要技术手段研究多尺度的表面微纳米结构形成机理和制备工艺。主要研究内容包括：设计多级微纳米沟槽结构，并对其加工参数和功能机理进行研究；搭建了飞秒激光加工系统，研究了激光与不同物质材料（PDMS聚合物、钛片、铝箔等）作用机理；制备了具有各向异性微流体通道的沟槽结构、孔洞结构、锥形结构等；实现了各向异性液滴微流体操纵、油/水分离、气泡可调润湿性及气体收集的微流体、微通道功能表面，探索了不同类型的微纳米多级结构对功能的影响规律和机制；对激光加工工艺进行的多方位的设计和优化，实现了微纳米多级结构的激光加工制备和表征。本项目为微流体通道设计和超快激光加工在理论和技术上奠定了基础，具有较重要的学术研究价值和良好的产业化应用前景。