基于飞秒激光的智能响应超润滑表面制备及微流体操控研究

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飞秒激光以其热效应小,加工精度高等特点,在微纳加工领域具有独特的优势。近几十年来,随着微纳米制造技术的发展及其在各个领域的应用,表面科学受到了研究人员的极大关注。表面润湿性作为表面科学的一门分支学科,描述了液体和固体表面之间行为的性质和特征。本文主要研究飞秒激光制备的超润滑仿生功能表面对微流体(液滴/气泡)行为的操控,实现了液滴滑动和钉扎行为的按需控制以及气泡的单向输送,进而研究了其在微流体操控等领域的潜在应用价值。全文主要内容包含以下两个部分:(1)利用飞秒激光正交线扫描技术在柔性聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄片上制备双重响应智能超润滑表面(DRSS)。通过可伸缩PDMS薄片在不同应变下交替冻结/解冻,实现微尺寸液滴(1~20μL)滑动和固定行为的可控调节。定量分析了润滑油注入量、激光扫描功率、微沟槽间距、样品倾斜角度和湿度等不同实验参数对液滴的临界滑动体积规律影响。并对其机理进行了深入探讨,认为这是由于拉伸力和温度场共同作用导致DRSS与液滴界面处摩擦阻力的变化,改变了DRSS表面粗糙度和目标液滴的物理状态。基于液滴滑动和钉扎之间的选择性体积筛选功能,展示了包括微流体反应和电路开关控制的相关应用。(2)利用飞秒激光在聚四氟乙烯薄膜上制备具有微纳米级粗糙结构的轨道,将表面润滑后获得各向全同润湿性的超润滑Janus膜。通过Janus膜正反两面翻转可以实现气泡单向输送。与之前报道的具有润湿性梯度的Janus薄膜不同,该表面通过润滑轨道两侧的表面能差异来控制气泡的穿透。系统地研究了飞秒激光扫描速度对Janus膜表面形貌的影响以及轨道间距与倾斜角度对气泡单向传输规律的影响,并展示了气泡在Janus膜上的单向输送现象。
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