隨著微流控技術(shù)的迅速發(fā)展,多功能、便攜化器件與系統(tǒng)成為其發(fā)展的必然趨勢(shì),微尺度流體的精確操控是其前提與基礎(chǔ)。基于介質(zhì)層的電潤(rùn)濕效應(yīng)作為一種微流體現(xiàn)象可通過(guò)電壓精確控制液滴形變與位移,已在柔性電子紙、變焦液體透鏡、微流控分析、能量收集、微移動(dòng)平臺(tái)器等領(lǐng)域中表現(xiàn)出誘人的發(fā)展前景。但目前傳統(tǒng)固體介質(zhì)上的電潤(rùn)濕存在可逆性較差、驅(qū)動(dòng)電壓較高(50-200V左右)、液滴震蕩及高壓易擊穿等問(wèn)題,已成為制約電潤(rùn)濕器件與系統(tǒng)便攜化及應(yīng)用的重要因素。部分工作雖在空氣環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了低電壓電潤(rùn)濕,但仍然存在可逆性極差與介質(zhì)層太薄極易被擊穿等諸多問(wèn)題,而利用交流電驅(qū)動(dòng)液滴提升電潤(rùn)濕可逆性的方法又很大程度上限制了電潤(rùn)濕的應(yīng)用范圍。研究發(fā)現(xiàn)液滴與介質(zhì)層三相接觸線的釘扎作用是導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電壓高及可逆性差的一個(gè)重要因素,而液體介質(zhì)層的出現(xiàn)可有望減小來(lái)自基底的釘扎作用力,受到這一思路的啟發(fā),研究者們提出了一種新型的基于光滑注液多孔表面的電潤(rùn)濕模型,可有效改善電潤(rùn)濕的可逆性、減弱液滴震蕩,然而該模型仍存在驅(qū)動(dòng)電壓過(guò)高的問(wèn)題。針對(duì)目前基于光滑注液多孔表面的電潤(rùn)濕驅(qū)動(dòng)電壓過(guò)高的問(wèn)題,為了降低電潤(rùn)濕現(xiàn)象的驅(qū)動(dòng)電壓,本文開展了經(jīng)氟硅烷修飾的注液多孔聚四氟乙烯(Poly tetra fluoroethylene,PTFE)薄膜上水滴的電潤(rùn)濕效應(yīng)研究。研究發(fā)現(xiàn),在28μm厚的PTFE多孔薄膜上先經(jīng)全氟辛基三氯硅烷水解/接枝修飾,并灌注硅油后表現(xiàn)出良好的疏水性,該薄膜可實(shí)現(xiàn)在正0-60V電壓作用下水滴在空氣環(huán)境中接觸角從112°到58°之間的連續(xù)可逆調(diào)制,大幅度降低了正向驅(qū)動(dòng)電壓。同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)氟硅烷溶液的濃度,這種低壓電潤(rùn)濕可以實(shí)現(xiàn)完全的可逆性。此外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這種基于氟硅烷修飾的光滑注液薄膜電潤(rùn)濕在正負(fù)電壓調(diào)制時(shí)表現(xiàn)出與傳統(tǒng)介質(zhì)層電潤(rùn)濕完全不一樣的非對(duì)稱性,在施加正向直流電壓時(shí)可以觀察到低電壓電潤(rùn)濕現(xiàn)象,然而在施加負(fù)向直流電壓時(shí)觀察不到低電壓電潤(rùn)濕現(xiàn)象。我們的研究提供了一種新的途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)低壓可逆電潤(rùn)濕,對(duì)豐富介電潤(rùn)濕相關(guān)理論不僅有非常重要的科學(xué)意義,而且在微流控器件設(shè)計(jì)與應(yīng)用等領(lǐng)域具有巨大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
【學(xué)位單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN492
【部分圖文】：

圖 1-1 Lippmann 搭建的電毛細(xì)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)中有效控制液滴的一種方法，由于電潤(rùn)濕性好，體積小等諸多優(yōu)勢(shì)，而且不需要利用復(fù)體液滴相對(duì)靈活，精確的操縱，因而使得其在光域日益成為研究重點(diǎn)。包括飛利浦，三星，朗大學(xué)等世界上許多的科研機(jī)構(gòu)都開展了基于中科院微系統(tǒng)所和清華大學(xué)精密儀器系也開表明了電潤(rùn)濕技術(shù)具有良好的應(yīng)用前景。r 等首次提出利用介質(zhì)上電潤(rùn)濕實(shí)現(xiàn)了對(duì)小水 Berge 和 Peseux 將電潤(rùn)濕技術(shù)應(yīng)用到了變焦進(jìn)展13，如圖 1-2 所示，該透鏡通過(guò)改變電壓

圖 1-1 Lippmann 搭建的電毛細(xì)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖1.2 電潤(rùn)濕的相關(guān)應(yīng)用作為微流體系統(tǒng)中有效控制液滴的一種方法，由于電潤(rùn)濕自身具備調(diào)控范圍寬，速度快，可靠性好，體積小等諸多優(yōu)勢(shì)，而且不需要利用復(fù)雜的微納米通道,便可實(shí)現(xiàn)對(duì)微流體液滴相對(duì)靈活，精確的操縱，因而使得其在光學(xué)、生命、化學(xué)、電子學(xué)等諸多領(lǐng)域日益成為研究重點(diǎn)。包括飛利浦，三星，朗訊，加州大學(xué)洛杉磯分校，辛辛那提大學(xué)等世界上許多的科研機(jī)構(gòu)都開展了基于介電潤(rùn)濕現(xiàn)象的產(chǎn)品研發(fā)12。國(guó)內(nèi)的中科院微系統(tǒng)所和清華大學(xué)精密儀器系也開展了相關(guān)的科學(xué)研究。這一切充分表明了電潤(rùn)濕技術(shù)具有良好的應(yīng)用前景。2000 年 Fair 等首次提出利用介質(zhì)上電潤(rùn)濕實(shí)現(xiàn)了對(duì)小水滴的驅(qū)動(dòng)6。在同年，法國(guó)科學(xué)家 Berge 和 Peseux 將電潤(rùn)濕技術(shù)應(yīng)用到了變焦液體透鏡的制作中去并取得一系列進(jìn)展13，如圖 1-2 所示，該透鏡通過(guò)改變電壓來(lái)改變液體曲面的

蘭州大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 光滑注液多孔表面極性低壓電潤(rùn)濕行為研究曲率半徑，從而實(shí)現(xiàn)焦距的變化。2003 年 CK Kim 等首次提出了數(shù)字微流控電路的構(gòu)想，從而實(shí)現(xiàn)了液滴的輸運(yùn)、產(chǎn)生、分離和合并14。2004 年飛利浦公司R.Hayes 等人推出了基于介電潤(rùn)濕效應(yīng)的電子顯示紙（圖 1-3），這種電子紙是一種和我們?nèi)粘Ｊ褂玫碾娨�、電腦顯示器工作原理十分相似的成像設(shè)備引起，這引起了人們對(duì)于電潤(rùn)濕顯示技術(shù)的高度關(guān)注15。美國(guó)杜克大學(xué) Richard Fair 等人將介電潤(rùn)濕應(yīng)用到了 Lab-on-a-chip 中16，設(shè)計(jì)出了如圖 1-4 所示的微流控芯片，并取得了成功，這對(duì)介電潤(rùn)濕的發(fā)展和未來(lái)分析科學(xué)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

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