中科院化學所Advanced Materials：流體圖案化的一般方法及其在制造微型器件中的應用

cc 5年前 (2018-08-11) 2766瀏覽

【前言】

許多基本的物理和化學過程發生在流體界面。例如，氣液界面存在蒸發、吸附和瑞利不穩定性，這在溶劑加工設備制造、表面自組裝和噴墨打印中非常重要。設計流體界面對于理解和利用這些基本過程至關重要。然而，以前基于微液流技術的研究集中在自由和移動的流體界面上，因此由于靈活性和流動性，很難控制流體界面。實際上，釘扎和圖案化的流體界面在分子擴散研究、界面反應、檢測和傳感等各個方面更為關鍵，因為它為觀察、識別和標記提供了穩定的平臺。此外，圖案化的氣液界面可以作為高分辨率組裝和打印的軟模板。在另一種不混溶流體中的固體表面上圖案化流體是產生圖案化流體界面的有效方式，并且已經引起了很多關注。例如，將水中的氣泡圖案化作為材料組裝的模板，將空氣中的液滴圖案化以進行流體操作，以及通過溶劑交換將水滴圖案化在水中或將水滴圖案化在固體表面上的油中。然而，創造和精確控制不同材料的流體模式仍然是一個巨大的挑戰。

【成果簡介】

近日，來自中科院化學所的宋延林研究員（通訊作者）團隊在Advanced Materials上發表文章，題為：A General Approach for Fluid Patterning and Application in Fabricating Microdevices。該團隊報道了一種使用微通道中的微柱操縱流體界面進行流體圖案化的通用方法。提出了包括空氣、水和油在內的不混溶流體對的流體模式化原理。這種理解使得制備可編程多相流體圖案和組裝多層功能材料來制造微型光電器件成為可能。這種流體模式化的策略為研究流體界面上發生的基本過程提供了一個有希望的平臺，并有利于許多學科的應用，如微流體學、微生物學、化學分析和檢測、材料合成和組裝、器件制造等。

【圖文導讀】

圖1. 微流體中流體圖案形成原理的示意圖

a)該裝置由包含成組微柱(標有紅色方框)的微流體通道組成。流體A和B是不混溶的，可以是氣體、水或有機溶劑；

b, c)用流體A替換流體B的總(b)和選擇性(c)，它們分別具有E2，E3的界面自由能；

d)與流體A和流體B相關的固體C (柱和微流體通道)的潤濕性；

e)流體圖案的放大圖像，用于展示柱的幾何形狀以及微柱結構的微通道和流體B之間的界面(S2)，以及流體A和流體B之間的界面(S3)；

圖2. 用相應的柱體潤濕性制備不同的流體形態

a) 八種不相容流體對的模式示意圖, 從1到8的編號；

b) 編號1到8的流體對在四種micropillars潤濕性上測量的接觸角θBA流體；

c) 制備的流體形態的熒光顯微鏡圖像；

圖2. 影響流體模式的柱子的幾何形狀

a) 由柱子固定的流體界面的平衡狀態;

b) 柱子不能固定流體界面的臨界狀態;

c) 柱的幾何形狀對水中甲苯圖案的影響的數值計算;

d、e) 在水中甲苯的各種模式是通過保持幾何圖形 (r1、b、d) 在綠點 (c) 中的支柱群的每個支柱來實現的；

圖3. 通過組合微結構的潤濕性和幾何形狀，可編程多相流體圖案化

a)具有圖案化光致抗蝕劑的微柱結構硅襯底的顯微圖像；

b)在去除光致抗蝕劑之后，在( a )中的襯底的亮場顯微圖像；

c)將水輸入到空氣中會形成水包空氣模式；

d，e)分別為正己烷中的空氣和DMSO中的正己烷中的空氣的流體模式，以及隨后的流體替換；

f)具有與(a)相似的替代潤濕性的六邊形柱組的硅襯底；

g)空氣交替地在水中形成圖案；

h)通過用甲苯選擇性地替代(g)中的水，水和氣泡交替地在甲苯中形成圖案；

I)甲苯在水中交替圖案化；

j)水和甲苯通過選擇性地用空氣替換(I)中的水，交替地在空氣中形成圖案；

圖4. 具有序列流體圖案的多材料功能器件的組裝

a-g)用發射波長分別為650 nm和520 nm的CdS/ZnS量子點的水和鄰二氯苯溶液制備雙層組件的過程；

h) QDs的兩層組件的共聚焦顯微鏡圖像；

I)光電探測器的45°傾斜視圖掃描電子顯微鏡( SEM )圖像；

j)三層組件的SEM圖像的俯視圖，這是(I) (標記為紅色的盒子)的放大圖像；

k)測量微光電探測器光響應的實驗裝置示意圖；

l)有和沒有照明的光電探測器的電流-時間響應；

【總結】

流體圖案化的方法將可以實現許多以前不可能的應用，不同類型的流體圖案化將為許多領域的研究提供有希望的平臺。例如，水或油中圖案化氣泡的聲學特性會隨著其形狀、尺寸和排列而變化，這有利于氣泡聲學的基礎研究。水-油圖案中的釘扎和封閉界面有望用于界面擴散、化學反應控制、界面組裝以及用于檢測和傳感的微反應器的研究。結合生物學，油或空氣中的固定微滴可以為單一細菌分析、微生物進化和細胞老化提供平臺。通過圖案化油中的氧氣泡和水(含微生物)，可以研究微生物耗氧的動力學。此外，通過預先分別在水和油中添加功能材料，空氣中的水和油的選擇性圖案化可以用于為各種器件應用在區域組裝多材料。

文獻鏈接：A General Approach for Fluid Patterning and Application in Fabricating Microdevices, (Advanced Materials, 2018, DOI: 10.1002/adma.201802172)

本文由材料人電子電工學術組Z. Chen供稿，材料牛整理編輯。

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