一种超滑表面的制作方法及微流控装置

1.本技术涉及微纳米加工技术领域，具体涉及一种超滑表面的制作方法及微流控装置。

背景技术：

2.微升液滴的运动控制在一些领域中有广泛的应用，比如高通量细胞筛选、高精度分子传感、微流体装置、生物医学测试等。
3.目前用于微升液滴运动控制的装置，微升液滴在传输的过程中，会在固相传输表面产生较大的损失。

技术实现要素：

4.本技术提供一种超滑表面的制作方法及微流控装置，可以使得微升液滴在传输的过程中基本无质量损失。
5.第一方面，本技术实施例提供一种超滑表面的制作方法，包括：
6.提供一基底，对所述基底的表面进行第一粗糙化处理，得到具有多孔微纳米复合结构的粗糙表面；
7.在所述粗糙表面的预设区域进行第二粗糙化处理，得到表面具有多孔微纳米复合结构的凹槽；
8.在所述凹槽的表面以及所述凹槽之外的所述基底的表面形成氟硅烷层；
9.在形成有所述氟硅烷层的凹槽的表面以及所述凹槽之外的所述基底的表面上涂覆硅油，得到所述超滑表面。
10.可选的，所述基底为不锈钢基底。
11.可选的，所述第一粗糙化处理为采用飞秒激光进行扫描，其中，扫描的工艺参数为：扫描间距为0.004-0.006mm，扫描功率为11000-13000mw，扫描速度为300-500mm/s，扫描次数为4-6次。
12.可选的，所述第二粗糙化处理为采用飞秒激光扫描两次，并且每次扫描的工艺参数与所述第一粗糙化处理中扫描的工艺参数相同。
13.可选的，所述凹槽的深度为0.1～0.4mm。
14.可选的，所述在所述凹槽的表面以及所述凹槽之外的所述基底的表面形成氟硅烷层包括：
15.将所述基底置于氟硅烷的乙醇溶液中浸泡，然后进行干燥处理，其中，所述氟硅烷的乙醇溶液的浓度为0.5～1.0wt％，浸泡时间为5-10h。
16.可选的，所述硅油的粘度为50-200cst。
17.可选的，所述多孔微纳米复合结构的孔径为5～40μm。
18.可选的，所述预设区域为直线形或圆滑的曲线形。
19.第二方面，本技术实施例还提供一种微流控装置，包括超滑表面，所述超滑表面包
括平面部分以及凹槽；
20.所述平面部分以及所述凹槽的表面具有多孔微纳米复合结构，并且所述平面部分以及所述凹槽的表面设有氟硅烷层，所述多孔微纳米复合结构的孔中设有硅油。
21.本技术实施例通过在基底的表面以及凹槽的表面均制作出多孔微纳米复合结构，然后在多孔微纳米复合结构的表面形成氟硅烷层以降低基底的表面能，最后在氟硅烷层上涂覆硅油，得到超滑表面。硅油是一种非极性化合物，与水或带极性基团的物质不发生作用，具有良好的化学稳定性、绝缘性，疏水性，氟硅烷同样具有低表面能疏水特性。因此，在多孔微纳米复合结构上形成氟硅烷层降低表面能后，硅油可以很好地在基底的整个表面铺展而进入微孔，同时由于微孔的毛细力使硅油可以稳定地存在于多孔微纳米复合结构的微孔中。水在超滑表面上时，硅油与水不相容，相对于极性的水，设有氟硅烷层的非极性的基底表面优先被非极性的硅油润湿，硅油固定在微孔中相当于润滑剂，水大部分与液相的硅油接触，几乎不与固相的基底接触，由于水和硅油之间液-液接触的摩擦阻力(粘滞力)很小，因而产生超滑现象，水在该超滑表面的滑动角较小，流动速度快，流动过程中几乎无质量损失。
附图说明
22.下面结合附图，通过对本技术的具体实施方式详细描述，将使本技术的技术方案及其有益效果显而易见。
23.图1是本技术实施例提供的一种超滑表面的制作方法的流程示意图；
24.图2是本技术实施例提供的一种超滑表面的结构示意图；
25.图3是本技术实施例提供的基于不锈钢基底的多孔微纳米复合结构的粗糙表面的sem图。
具体实施方式
26.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的装置和方法的例子。
27.应当理解，尽管在本文可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本文范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。此外，本技术中指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
28.请参阅图1和图2，图1是本技术实施例提供的一种超滑表面的制作方法的流程示意图，图2是本技术实施例提供的一种超滑表面的结构示意图。该超滑表面的制作方法，包括：
29.s101、提供一基底，对基底的表面进行第一粗糙化处理，得到具有多孔微纳米复合结构的粗糙表面。
30.本实施例中，基底100可以是聚合物材料基底，比如聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚酰胺(pa)、聚酰亚胺(pi)、聚碳酸酯(pc)、聚乙烯(pe)、聚乳酸(pla)等，也可以是金属，比如不锈钢。本技术不作限定。
31.对基底100的表面10进行第一粗糙化处理，可以通过喷砂、砂纸打磨、酸洗(针对金属基底)、光刻、湿法蚀刻或纳米粒子喷涂等方法实现，以对基底的表面进行改性。但是上述方法或者会造成环境污染、或者不可精确控制形成的表面形貌、或者效率低、或者成本高不经济。
32.作为一个优选示例，第一粗糙化处理可以是飞秒激光加工处理。飞秒激光加工为一种高精度冷加工工艺，处理的工艺相对简单、效率高，易于规模化生产，成本相对交低，并且具有很强的图案可控性和通用性，适用于各种基底的表面。
33.以飞秒激光加工处理不锈钢基底为例，飞秒激光的工艺参数可以是：扫描间距为0.004-0.006mm，扫描功率为11000-13000mw，扫描速度为300-500mm/s，扫描次数为4-6次。比如，扫描间距可以设定为0.004mm、0.005mm、0.006mm等，扫描功率可以设定为11000mw、11300mw、11600mw、12000mw、12500mw、13000mw等，扫描速度可以设定为300mm/s、340mm/s、380mm/s、450mm/s、500mm/s等。例如，可以以0.005mm的扫描间距、13000mw的扫描功率、400mm/s的扫描速度对不锈钢基底扫描4次。
34.需要说明的是，飞秒激光扫描过程中，每扫描一次，相对于对基底剥离一个薄层，在剥离一个薄层的同时，可以使基底100的表面10形成多孔微纳米复合结构的粗糙表面，即经过飞秒激光扫描后该粗糙表面的微观结构同时具有微米尺度的粗糙度和纳米尺度的粗糙度，可参阅图3，图3是本技术实施例提供的基于不锈钢基底的多孔微纳米复合结构的粗糙表面的sem图。通过4-6次的扫描，剥离的厚度可以确保整个表面都被扫描到。
35.s102、在粗糙表面的预设区域进行第二粗糙化处理，得到表面具有多孔微纳米复合结构的凹槽。
36.粗糙表面的预设区域为预先规划的凹槽20区域。比如，第二粗糙化处理如果是传统的喷砂、酸洗或湿法蚀刻等方法，可以预先将基底100的表面10上凹槽20区域之外的区域保护起来，比如贴塑料膜或者印刷保护膜，然后对凹槽20区域进行第二粗糙化处理，即加工出凹槽的同时，使凹槽20的表面具有多孔微纳米复合结构。
37.作为一个优选示例，第二粗糙化处理可以是飞秒激光加工处理。比如，可以通过制图软件设计凹槽20的形状以及凹槽20在基底100上的位置，然后将设计的图形导入飞秒激光设备，飞秒激光设备按照设计的图形，扫描基底100表面10的预设区以形成凹槽20，飞秒激光扫描形成凹槽20的同时，可以使凹槽20的表面具有多孔微纳米复合结构。本方法不需要采用其他耗材辅助进行加工，成本相对更低。需要说明的是，凹槽20的形状可以是直线形，也可以是圆滑的曲线形或其他形状的凹槽结构，本技术实施例不作特别限定。
38.在一个实施例中，可以采用飞秒激光扫描不锈钢粗糙表面的预设区域，扫描次数可以是多次，并且每次扫描的工艺参数与第一粗糙化处理中扫描的工艺参数相同。通过在预设区域进行飞秒激光扫描，从而可以形成具有一定深度的具有多孔微纳米复合结构的凹槽20。
39.作为一个示例，凹槽20的宽度可以是0.1～0.7mm宽的矩形，凹槽20的深度可以是0.1～0.4mm，具体可以根据飞秒激光的扫描工艺参数进行选择。
40.s103、在凹槽的表面以及凹槽之外的基底的表面形成氟硅烷层。
41.比如，可以将基底100置于氟硅烷的乙醇溶液中浸泡，例如，可以将基底100在浓度为0.5～1.0wt％的氟硅烷乙醇溶液浸泡5-10h。然后进行干燥处理，氟硅烷可以在基底100的多孔微纳米复合结构上形成一层氟硅烷层，使基底表面的疏水性大大提高。
42.需要说明的是，氟原子由于电负性大，与其他元素结合时几乎是夺取其电子，形成最外层为8电子的稳定结构，因此，氟硅烷的表面能较低，并且氟硅烷中氟含量越高，表面能越低。本实施例通过在凹槽20的表面的多孔微纳米复合结构以及凹槽之外的基底100的表面10上的多孔微纳米复合结构形成氟硅烷层，从而可以降低上述表面的表面能。
43.s104、在形成有氟硅烷层的凹槽的表面以及凹槽之外的基底的表面上涂覆硅油，得到超滑表面。
44.比如，可以将表面形成有氟硅烷的基底浸泡于硅油中，使硅油在形成有氟硅烷层的凹槽的表面以及凹槽之外的基底的表面铺展开，并进入微孔中以形成超滑表面。作为一个示例，硅油的粘度可以是50-200cst，该粘度范围可以使硅油在基底表面铺展进入微孔内，并稳定吸附在微孔内。
45.需要说明的是，硅油是一种非极性化合物，与水或带极性基团的物质不发生作用，具有良好的化学稳定性、绝缘性，疏水性。氟硅烷同样具有低表面能疏水特性。因此，在多孔微纳米复合结构上形成氟硅烷层降低表面能后，硅油可以很好地在基底的整个表面铺展而进入微孔，同时由于微孔的毛细力使硅油可以稳定地存在于多孔微纳米复合结构的微孔中。
46.当水在本实施例的超滑表面流动时，会沿着凹槽20延伸的方向进行流动，其流动模型为：水在超滑表面上时底部一部分内嵌或铆接入凹槽20，并以凹槽20为轨道进行滑动，水珠足够大时，可以同时内嵌入多条凹槽20，滑动更加稳定，并且流动过程水几乎无质量损失。这是由于硅油与水不相容，相对于极性的水，设有氟硅烷层的非极性的基底表面优先被非极性的硅油润湿，硅油固定在微孔中相当于润滑剂，水大部分与液相的硅油接触，几乎不与固相的基底100接触。由于水和硅油之间液-液接触的摩擦阻力(粘滞力)很小，因而产生超滑现象，水在该超滑表面的滑动角较小，流动速度快，水流动过程中几乎无质量损失。
47.优选的，多孔微纳米复合结构的孔径为5～40μm，孔径过小时会使水溶液接触固相比例较大，水溶液流动时的滑动摩擦力也增大。孔径过大毛细力则会相对不足，无法使润滑剂稳定存在于微孔中。
48.以不锈钢基底为例对本技术超滑表面的制作方法作进一步说明。
49.可以预先依次用乙醇、去离子水对不锈钢基底进行超声波清洗，然后进行飞秒激光加工处理。飞秒激光加工的工艺参数为：扫描间距为0.005mm，扫描功率为12000mw，扫描速度为400mm/s，扫描次数为5次。飞秒激光加工在基底的表面形成多孔微纳米复合结构的粗糙表面，请参阅图3。
50.在对不锈钢基底的表面进行第一粗糙化处理后，将预先设计的凹槽图形导入飞秒激光设备，所述图形为圆滑的曲线形，对应不锈钢基底表面的预设区域。然后控制飞秒激光按照所述图形对不锈钢粗糙表面进行第二粗糙化处理，在预设区域形成凹槽，可参阅图2，凹槽为圆滑的曲线形凹槽，该曲线形凹槽为s形，相比直线型凹槽的长度更长，以应用于长凹槽的场景。可以对该预设区域扫描2次，并且每次扫描的工艺参数与第一粗糙化处理中扫
描的工艺参数相同，可以使凹槽的表面与相邻凹槽之间基底的表面都形成微观结构基本一致的多孔微纳米复合结构。通过在预设区域进行2次飞秒激光扫描剥离两个薄层以后，从而形成深度大致为0.3mm的凹槽。
51.再将不锈钢基底在浓度为0.8wt％的氟硅烷乙醇溶液中浸泡8h，使其表面能降低，取出不锈钢基底后让残余溶液自然挥发，以形成低表面能的多孔微纳米复合结构的表面，便于后续步骤进一步吸附硅油。本实施例中，氟硅烷通过水解形成的硅基头部会向着不锈钢基底的表面运动，可以与基底特别是经过羟基化处理后的不锈钢基底的表面形成稳固的氢键结合，从而在基底的表面形成一层氟硅烷层，使基底表面的疏水性大大提高。
52.将表面形成有氟硅烷层的不锈钢基底在粘度为150cst的硅油中浸泡2h，使硅油充分进入多孔微纳米复合结构中，然后将不锈钢基底从硅油中取出，垂直放置1.5h，让多余硅油自然流出，超滑表面制作完成。
53.本实施例制作的基于不锈钢基底的超滑表面，氟硅烷层降低了不锈钢基底的表面能，硅油从而可以在不锈钢基底上铺展进入微孔中，并通过毛细力稳定吸附在微孔中，水在超滑表面上时，硅油与水不相容，相对于极性的水，设有氟硅烷层的非极性的基底表面优先被非极性的硅油润湿，硅油作为水在不锈钢基底的表面流动的润滑剂。此外，本实施例的不锈钢基底具有较小的滑动角，不锈钢基底向流向倾斜一个小角度(最低可以是2
°
)，水便可沿着凹槽流动，并且水在该超滑表面几乎无质量损失。本实施例的超滑表面可以在重力作用下高效、精确地传输/收集液滴。
54.本技术实施例还提供一种微流控装置，该微流控装置包括超滑表面，所述超滑表面包括平面部分以及凹槽；平面部分以及凹槽的表面具有多孔微纳米复合结构；平面部分以及凹槽的表面设有氟硅烷层，多孔微纳米复合结构的孔中设有硅油。该微流控装置可用于如高通量细胞筛选、高精度分子传感、微流体传输、生物医学测试等。
55.作为一个实施例，凹槽为圆滑的曲线形凹槽。
56.本技术实施例的微流控装置的工作原理和具体实施例，已在上文各实施例的超滑表面的制作方法中进行描述，均属于同一构思，此处不再赘述。
57.以上对本技术实施例所提供的一种超滑表面的制作方法及微流控装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本技术的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本技术的限制。

技术特征：

1.一种超滑表面的制作方法，其特征在于，包括：提供一基底，对所述基底的表面进行第一粗糙化处理，得到具有多孔微纳米复合结构的粗糙表面；在所述粗糙表面的预设区域进行第二粗糙化处理，得到表面具有多孔微纳米复合结构的凹槽；在所述凹槽的表面以及所述凹槽之外的所述基底的表面形成氟硅烷层；在形成有所述氟硅烷层的凹槽的表面以及所述凹槽之外的所述基底的表面上涂覆硅油，得到所述超滑表面。2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述基底为不锈钢基底。3.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述第一粗糙化处理为采用飞秒激光进行扫描，其中，扫描的工艺参数为：扫描间距为0.004-0.006mm，扫描功率为11000-13000mw，扫描速度为300-500mm/s，扫描次数为4-6次。4.根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述第二粗糙化处理为采用飞秒激光扫描两次，并且每次扫描的工艺参数与所述第一粗糙化处理中扫描的工艺参数相同。5.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于，所述凹槽的深度为0.1～0.4mm。6.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述在所述凹槽的表面以及所述凹槽之外的所述基底的表面形成氟硅烷层包括：将所述基底置于氟硅烷的乙醇溶液中浸泡，然后进行干燥处理，其中，所述氟硅烷的乙醇溶液的浓度为0.5～1.0wt％，浸泡时间为5-10h。7.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述硅油的粘度为50-200cst。8.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述多孔微纳米复合结构的孔径为5～40μm。9.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述预设区域为直线形或圆滑的曲线形。10.一种微流控装置，其特征在于，包括超滑表面，所述超滑表面包括平面部分以及凹槽；所述平面部分以及所述凹槽的表面具有多孔微纳米复合结构，并且所述平面部分以及所述凹槽的表面设有氟硅烷层，所述多孔微纳米复合结构的孔中设有硅油。

技术总结

本申请公开了一种超滑表面的制作方法及微流控装置，制作方法包括：提供一基底，对所述基底的表面进行第一粗糙化处理，得到具有多孔微纳米复合结构的粗糙表面；在所述粗糙表面的预设区域进行第二粗糙化处理，得到表面具有多孔微纳米复合结构的凹槽；在所述凹槽的表面以及所述凹槽之外的所述基底的表面形成氟硅烷层；在形成有所述氟硅烷层的凹槽的表面以及所述凹槽之外的所述基底的表面上涂覆硅油，得到所述超滑表面。本申请制作的超滑表面可以减小液滴流动时的摩擦阻力(粘滞力)，液滴滚动角较小，流动速度快，流动过程中几乎无质量损失。流动过程中几乎无质量损失。流动过程中几乎无质量损失。