[发明专利]可控聚并液滴制备各向异性粒子材料及微流体装置

说明书

技术领域

本发明属于粒子材料或光子晶体的微流控制技术领域；特别是涉及液滴可控聚并的微流体装置及各向异性粒子材料的制备。

背景技术

功能材料是新材料领域的核心，是国民经济、社会发展及国防建设的基础和先导。它涉及信息技术、生物工程技术、能源技术、纳米技术、环保技术等现代高新技术及其产业。功能材料不仅对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，还对我国相关传统产业的改造和升级，实现跨越式发展起着重要的促进作用。制备功能材料的基元，其尺寸可从纳米到上百个微米变化，种类也多种多样。其中各向异性粒子：包括补丁粒子、局部分块粒子和非球形粒子等近年来得到广泛关注。特别是补丁粒子，通过粒子表面确切定义的补丁，粒子具有更强的各向异性，可更直接的与其他微粒或微粒表面发生相互作用。目前用于各向异性粒子(包括补丁粒子、局部分块粒子和非球形粒子)生成的方法主要有以下几种：模板法，胶体组装法，倾斜角沉积法，毛细管流体法。

模板法分为三步：1、将粒子表面部分覆盖。2、把无模板表面暴露在反应物中，对暴露的的表面进行修饰。3、移除模板。现有已知的模板技术只能生成含有一个补丁的粒子。关于水包油乳状液，可用熔化的固体石蜡作为油相。乳状液在75℃下制得，该温度下石蜡是熔化的。要修饰的粒子吸附在油水相界面，而粒子表面要进行修饰的区域则浸在水相或者油相中^[1]，粒子进入油相中的深度决定功能化区域的面积。在水包油乳液中，粒子嵌入石蜡的深度通过控制粒子的疏水性调整。疏水性越强粒子嵌入油相越深，导致来自水相的可利用的表面功能化区域越小。随后在低温下石蜡固化，粒子被固定在油水相界面。在室温下粒子进行表面修饰之后，升高温度石蜡熔化，用氯仿溶解熔化的石蜡，修饰后的粒子通过离心过滤重新收集^[2]。乳液技术的主要优点是可以简便的组装大量粒子，同时用于表面修饰的区域可以通过表面活性剂来调节。它的主要问题在于如何实现补丁粒子与水或油分离后表面不附有杂质，以及如何得到具有多个补丁的粒子^[3]。

胶体组装最初建立在聚苯乙烯粒子悬浮液的乳化基础上。在水包甲苯的乳液中，聚苯乙烯微粒由于表面张力在液滴界面被捕获。通过蒸发移除甲苯，形成稳定的簇状胶体粒子并悬浮在的水性溶液中^[4]。这种方法被进一步应用于硅微球和聚乙烯粒子中。若整个过程中只使用一种类型的胶体粒子，则它的表面由同一种材料构成，不含有补丁。这种方法被进一步改进，在液滴中含有两种不同尺寸胶体粒子，从而得到具有不同半球的胶体簇^[5]。胶体组装法可以得到较大体积的粒子，且具有可改良性，提供一种得到具有不同定位补丁胶体粒子的方法。这种方法的主要缺点是每个液滴上粒子的数目不能精确控制。因此得到不同尺寸的胶体簇需要对其进行分离。未来的发展趋势是利用同种尺寸但不同表面功能的胶体形成具有不同功能补丁的胶体簇。

对紧密排列的单层胶体，以一定角度进行汽相沉积，这种技术被称为倾斜角沉积技术^[6，7]。在这种技术中，同一单层上的粒子作为相邻粒子的遮光板。这样，在实验结束时不需要对遮光板进行分离。生成的补丁尺寸依赖于两个角度：蒸发角度，和胶体单层相对于蒸发源的方向角。当倾斜角沉积技术采用单一蒸发源时，粒子表面补丁的沉积范围在3.7％到50％之间。^[6]采用多个蒸发源并且在同一粒子单层进行连续蒸发，在粒子表面的同一半球就会产生多重重叠的补丁^[7]。若将已经进行一次沉积的粒子反转倒置，再进行一次汽相沉积，则粒子的两端都得到了补丁修饰。

倾斜角沉积技术的优势在于它可以通过简单的尺寸限制实现补丁的精确定位。它最为关键的两个问题是放大性和补丁形状对于区域定向(domain orientation)的依赖性。今后这种技术的研究方向是探究如何添加第三种补丁。