基于飞秒激光制备的磁响应仿生微爪用于微流体操控的研究

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随着仿生学的发展,具有特殊微纳米结构和特殊润湿性的仿生界面受到了广泛的关注。液滴和气泡作为自然界重要的组成部分,因此基于具有特殊润湿性界面的微流体(微液滴/气泡)操控在基础科学和实际应用中都具有重要意义。此外,随着智能材料的发展,在外部刺激响应下可以实现行走、爬行、抓取和跳跃等功能的柔性致动器也被广泛应用于各个领域,然而将具有特殊润湿性的仿生界面应用于柔性致动器从而实现一些特殊功能却很少有人报道。因此,制备具有特殊润湿性仿生界面的致动器也是研究人员需要研究的问题。飞秒激光微纳米加工技术因其加工精度高,热响应区域小,可加工的材料范围广等优点受到了广泛的关注。本文将具有特殊润湿性的功能性表面与柔性致动器结合起来,利用飞秒激光加工技术制备了一种具有特殊润湿性的智能柔性器件,并将该智能柔性器件应用于微流体(微液滴/气泡)的操控,进而展示了一些相关应用。文章主要内容可分为两部分:(1)微流体(微液滴/气泡)的操控一直以来都是研究的热点。本文我们提出了一种混合策略,将超润湿界面的良好特性与空间灵活的刺激响应致动器相结合,借助精确的飞秒激光图案化技术,将掺杂羰基铁粉的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜精确地裁剪成花瓣状,制备了一种具有分层结构的磁响应超疏水柔性微爪。然后将其应用于微液滴的空间内操控,并探究了微爪主臂的数量、长度、宽度以及掺杂羰基铁粉浓度对其操控微液滴体积范围的影响。此外,我们展示了可编程的液滴融合、碎纸屑的去除、恶劣环境中微小玻璃珠的操控及微小生物的无害操控等应用。(2)基于微液滴与微气泡操控的相似性,首先我们将磁响应超疏水柔性微爪的加工参数进行了改进,并将制备好的超疏水微爪在无水乙醇中进行预润湿以排除其微纳米结构中的气膜使其在水下呈现超疏气状态,从而制备了磁响应超疏气柔性微爪,并实现了水下微气泡的操控。同理,我们也探究了微爪主臂的数量、长度、宽度以及掺杂羰基铁粉浓度对其操控微气泡性能的影响。最后,我们展示了微气泡的有序融合及水下细小漂浮物的操控等相关应用。相对于现有的需要特定功能表面辅助来实现的微流体(微液滴/气泡)操控策略,本文提出的方法将超润湿界面与柔性致动器结合起来,打破了局限在平面内的微流体(微液滴/气泡)操控实现了微流体(微液滴/气泡)的空间内操控。这种多用途的磁响应仿生微爪将为微流体和智能机械手等相关应用领域的研究开辟更多的可能性。
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