[发明专利]一种胶体微球单层薄膜的自组装制备方法及其装置

说明书

本发明公开了一种胶体微球单层薄膜的自组装制备方法及其装置。包括水槽、玻璃片、Arduino控制器、电池、微型水泵、继电器、蜂鸣器、水管、面包板、水位传感器和控制按键。具体的，本发明提供了一种胶体微球单层薄膜的自组装制备方法：在水槽中，将胶体微球/酒精混合液滴入表面铺有一层去离子水的洁净玻璃片上；运行自动送水系统，水泵向水槽内送水，待水位到达设定位置后，蜂鸣器报警，水泵停止工作，在设定水位得到胶体微球单层薄膜。该方法操作简单，成本低廉，成形质量高，效率高，可制备大面积的光子晶体薄膜。

技术领域

本发明涉及薄膜制备领域，具体地涉及胶体微球单层薄膜的自组装制备方法及其装置。

背景技术

1887年，英国物理学家瑞利勋爵对多层周期性介电叠层进行了实验，实验结果表明这种结构具有一维光子带隙。自从1987年伊莱·亚布洛诺维奇和萨杰夫·约翰对多维周期性光学结构(今称光子晶体)进行了研究以后，学术界对于光子晶体的研究兴趣越来越大。光子晶体已经被广泛用于生物成像、光谱学、人脸识别、激光雷达、虚拟现实等众多领域，最近比较热门的有关隐身衣的研究也要用到光子晶体材料。

光子晶体由周期性电介质、金属电介质甚至超导体微结构或纳米结构组成，它调控电磁波传播的方式，就像半导体晶体中的周期电势通过电子能带来调控电子运动一样。光子晶体包含周期性重复的高介电常数和低介电常数的区域。光子(表现为波)能不能通过这个光子晶体结构取决于波长。传播的波长称为模式，允许的模式组形成光子的导带，不允许的波段称为光子禁带(也称带隙)。这样的性质产生了独特的光学现象，例如自发辐射抑制、高反射全向反射镜和低损耗波导。光子晶体的带隙可以直观理解为由晶体中传播的光在高介电常数区域和低介电常数区域的界面处的多次反射的相消干涉产生，类似于固体中电子的带隙。

自组装技术目前被公认为是一种价廉高效的纳米材料制备的关键技术，在全球各实验室得到了广泛应用和研究。在溶液中，胶体颗粒小球表面带有电荷，在适当的电荷密度和颗粒浓度下，通过静电力相互作用，小球自组织生长成周期性结构，形成胶体晶体。在毛细容器中，利用胶粒与带电玻璃器壁的静电力相互作用。当胶粒体积分数较高时，胶体悬浮颗粒以面心立方点阵堆积；当体积分数较低时，倾向于体心立方点阵堆积，晶体的密排面平行于器壁表面。

然而，已经报道的自组装技术所制得的单层薄膜，往往具有成形质量差、成形时间长、成形面积小、成本高等问题，无法满足大规模生产的需要。因此，本领域迫切需要开发新的成形质量高、成形时间短、成形面积大、成本低廉，可用于大规模生产的自组装制膜技术。

发明内容

本发明提供了一种成形质量高、成形时间短、成形面积大、成本低廉，可用于大规模生产的胶体微球单层薄膜的制备方法及其装置。第一方面，本发明提供了一种制备胶体微球单层薄膜的装置，该装置包括：水槽、玻璃片、Arduino控制器、电池、微型水泵、继电器、蜂鸣器、水管、面包板、水位传感器和控制按键。所述玻璃片可以是正方形或长方形，长度为6～10 cm，宽度为2～10cm，厚度为1～2mm。玻璃片水平放置，距离水槽底部 2～6cm。所述的电池电压大于5V，通过T型电池扣连接Arduino控制器。所述的微型水泵为直流水泵，工作电压为3～6V。所述继电器用于驱动水泵，水管连接水泵往水槽送水。所述水传感器用于监测水槽水位，蜂鸣器用于发声报警，提示水槽水位到达设定高度。所述控制按键用于启动、停止自动送水系统。第二方面，本发明提供了一种胶体微球单层薄膜的自组装制备方法，该方法包括以下步骤：

S1.在水槽内水平放置清洁好的玻璃片；

S2.用塑料滴管吸取去离子水，均匀铺在玻璃片上，在玻璃片表面形成一层去离子水层；

S3.将胶体微球溶于溶剂中，制成微球悬浊液；胶体微球可以是聚苯乙烯微球或二氧化硅微球，其单分散性小于6％，粒径范围在200nm～3μm；溶剂可以是无水乙醇及不同比例的乙醇的水溶液。