CN112718028A - 一种光操控液滴运动材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光操控液滴运动材料及其制备方法和应用，所述光操控液滴运动材料包括铁电材料或铁电基复合材料的基层，所述基层为先后经过极化处理和疏液处理的基层；所述铁电基复合材料为包括所述铁电材料作为基体的复合材料。所述光操控液滴运动材料在光操控液滴运动中的应用。本发明利用疏液铁电材料经极化后偶极子有序排列，疏液铁电材料在光照下产生瞬态电荷，从而在材料表面形成电荷梯度驱动液滴运动。本发明光操控液滴运动材料具有长距离高速可控操纵液滴、便携式激光笔操控液滴等优点。

Description

一种光操控液滴运动材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于液滴操控材料技术领域，尤其涉及一种光操控液滴运动材料及其制备方法和应用。
背景技术
液滴操控在微流控、生物检测和微工程等领域具有重要的研究和应用意义。受自然界生物的启发，众多具有特殊浸润性的材料已被研究、开发，用于液滴操控。通用的液滴操控的方法主要包括通过电场、磁场以及热和光驱动液滴运动，其中光操控液滴因其具有非接触、操纵装置简便以及优异的时空分辨率等优势而被广泛研究。光操控液滴一般是通过在材料中引入光响应物质和吸光材料，从而在梯度光强驱动下或光热产生的马拉戈里回流效应驱动下实现液滴操控的。然而由于液滴与基底的粘滞阻力较大，通过浸润性梯度产生的驱动力一般都很小，从而导致通过光操控液滴实现的液滴运动速度低，运动距离短，而且很难做到光同时操控多个液滴以及光操控液滴实现不同的液滴运动模态。此外，一般光操控液滴的装置都很复杂，需要高能量、高光强的光，很难实现便携式液滴操控。因此，当前研发新型的长距离高速可控操纵液滴、便携式激光笔操控液滴的光操控液滴运动材料的需求尤为迫切。
发明内容
为了解决上述背景技术中所提出的技术问题，本发明的目的在于提供一种光操控液滴运动材料及其制备方法和应用。本发明利用疏液铁电材料在光照下产生瞬态电荷，进而在材料表面形成电荷梯度驱动液滴运动。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一方面，本发明提供了一种光操控液滴运动材料，包括铁电材料或铁电基复合材料的基层，所述基层为先后经过极化处理和疏液处理的基层；
所述铁电基复合材料为包括所述铁电材料作为基体的复合材料。
进一步地，所述铁电材料包括铁电聚合物、无机铁电材料中的至少一种。
进一步地，所述铁电聚合物包括聚偏氟乙烯及其共聚物、碳原子数为奇数的尼龙、聚丙烯腈、聚酰亚胺、聚亚乙烯基二氰、聚脲、聚苯基氰基醚、聚氯乙烯、聚醋酸乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、铁电液晶中的至少一种；优选地，所述聚偏氟乙烯共聚物包括聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物、聚偏氟乙烯-四氟乙烯共聚物、聚偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯共聚物、聚偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯共聚物。
进一步地，所述无机铁电材料包括钛酸铅、钛酸钡、铌酸钾、铌酸锂、钽酸锂、钛酸铋、铋层状钙钛矿结构铁电体、钨青铜型铁电体、铁酸铋、磷酸二氢钾、硫酸三甘酸氨、罗息盐、钙钛矿型有机金属卤化物铁电体、及上述的掺杂化合物中的至少一种。
进一步地，所述铁电基复合材料还包括非铁电材料，所述非铁电材料包括光热材料。
进一步地，所述光热材料包括金纳米棒、金纳米壳、金纳米笼、空心金纳米球、钯纳米片、钯@银、钯@二氧化硅、碳纳米管、石墨烯、还原氧化石墨烯、炭黑、黑磷、硫化铜、吲哚菁绿、聚苯胺、钌酸锶、以及上述物质经过各种化学修饰后的产物中的至少一种。
进一步地，所述铁电材料与非铁电材料的质量比为100：0-70：30(不包括100：0)。
进一步地，所述极化处理为使铁电材料偶极子有序排列的处理。
进一步地，所述极化处理的方式包括以力、电、磁、辐照的外场作用使铁电材料偶极子有序排列的处理方式。
进一步地，所述经过极化处理的基层的压电系数不低于相同条件下未经过极化处理的基层的压电系数的80％。
进一步地，所述经过极化处理的基层的压电系数d33大于等于10pC/N，优选为大于等于15pC/N，更优选为大于等于20pC/N。
进一步地，所述经过疏液处理的基层对水的静态接触角为70°-170°，对水的动态接触角为0°-10°。
进一步地，所述疏液处理的方式包括表面微纳结构构筑、表面低表面能分子修饰、液体灌注中的至少一种。
进一步地，所述微纳结构构筑包括通过模板覆型、3D打印；
优选地，所述微纳结构包括金字塔结构、横截面为圆形、方形以及多边形的微柱结构和微孔结构中的至少一种；
优选地，所述微柱结构高为1nm-100μm，边长/直径为1nm-100μm，间距为1nm-100μm；
优选地，所述金字塔结构高为1nm-50μm，边长为1nm-100μm，间距为1nm-100μm；
优选地，所述微孔结构深度为1nm-100μm，直径为1nm-100μm，间距为1nm-100μm。
进一步地，所述低表面能分子包括全氟分子、全氟分子修饰的纳米颗粒。
进一步地，所述全氟分子包括三氟丙基三乙氧基硅烷、十七氟癸基三甲氧基硅烷、全氟辛基-三氯硅烷、十三氟辛基三乙氧基硅烷；
进一步地，所述纳米颗粒包括聚苯乙烯纳米颗粒、二氧化钛纳米颗粒、二氧化硅纳米颗粒、金纳米颗粒、银纳米颗粒；
进一步地，所述全氟分子与纳米颗粒的质量比1：10～1：100。
进一步地，所述液体灌注包括通过全氟油、植物油、蔬菜籽油、正癸醇、乙二醇、电动机润滑油、煤油、矿物油、油酸、油酸甲酯、油酸乙酯、铁磁流体、石蜡、热致液晶、离子液体、硅油中的至少一种进行浸泡。
进一步地，所述铁电材料或铁电基复合材料的基层厚度为100nm-1mm，优选为100nm-100μm。
另一方面，本发明提供了一种上述任一所述的光操控液滴运动材料的制备方法，当光操控液滴运动材料含有铁电聚合物时，包括以下步骤：
将铁电材料或铁电基复合材料分散和/或溶解于第一溶剂中，然后将其涂覆在基底上，干燥后得到铁电材料或铁电基复合材料层，将铁电材料或铁电基复合材料层先后进行极化处理和疏液处理得到铁电材料或铁电基复合材料的基层；
当光操控液滴运动材料含有无机铁电材料或非铁电材料中的至少一种时，包括以下步骤：
将铁电材料或铁电基复合物材料添加第二溶剂进行湿磨，然后进行热压处理，最后退火得到铁电材料或铁电基复合材料层，将铁电材料或铁电基复合材料层先后进行极化处理和疏液处理得到铁电材料或铁电基复合材料的基层。
进一步地，所述第一溶剂为有机溶剂；
优选地，所述有机溶剂包括二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺丙酮、磷酸三甲酯、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、丙二醇、N-甲基吡咯烷酮、四氢呋喃、四甲基脲、六甲基磷酸酰胺、六氟异丙醇中的至少一种。
进一步地，所述铁电材料或铁电基复合材料与第一溶剂的质量比为1：99-30：70。
进一步地，所述干燥的温度为60-90℃，所述干燥的时间为4-12h。
进一步地，所述第二溶剂包括水、乙醇、丙酮、氨水、乙酸中的至少一种。
进一步地，所述铁电材料或铁电基复合材料与第二溶剂的质量比为80：20-99：1。
进一步地，所述研磨的时间为1-30min。
进一步地，所述热压的温度为150-500℃，所述热压的压力为100-1000MPa，所述热压的时间为0.5-5h；优选地，所述热压的温度为230℃，所述热压的压力为500MPa，所述热压的时间为3h；
进一步地，所述退火的温度为500-900℃，所述退火的时间为1-12h；更优选地，所述退火的温度为700℃，所述退火的时间为3h。
另一方面，本发明提供了一种装置，所述装置具有以上述任一所述光操控液滴运动材料制成的表面。
再一方面，本发明提供了一种上述任一所述光操控液滴运动材料在制备自清洁表面、微流控装置、微化学反应装置、生物检测装置和液滴操控装置中的应用。
再一方面，本发明提供了一种上述任一所述光操控液滴运动材料在光操控液滴运动中的应用。
进一步地，所述操控液滴的数量为1-100个，操控液滴尺寸为1nL-1mL，操控液滴的运动速度为1μm/s-10m/s、运动距离为1mm-10m。
进一步地，采用上述任一所述的光操控液滴运动材料进行操控液滴运动的方法包括以下步骤：将液滴置于所述光操控液滴运动材料的表面，并以光进行照射。
进一步地，所述光操控液滴运动材料在光照射下，开路电压为1mV-500V，短路电流为1nA-100mA/cm2。
进一步地，所述光操控液滴运动材料可操控的液滴的表面张力为10mN·m-1-100mN·m-1；
优选地，所述液滴包括水滴、无机物溶液液滴、有机溶剂液滴、微纳米颗粒悬浮液液滴、生物组织液；
优选地，所述无机物溶液液滴中的溶质包括氯化钠、氯化钙、硫酸铜、氯化镁、硫酸镁、氢氧化钠、盐酸、氢氧化钾；
优选地，所述有机溶剂液滴包括乙醇、丙酮、氯仿、四氢呋喃、二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、正己烷、硅油、氟油、葵花籽油、橄榄油、正十六烷、庚烷、辛烷、乙酸、甲苯、***、乙酸乙酯、丁醇、乙二醇、异丙醇、丙三醇；
优选地，所述微纳米颗粒悬浮液液滴中的溶质包括聚苯乙烯小球、二氧化硅小球、金颗粒。
优选地，所述生物组织液包括血液、血清、含细胞组织液、含细胞培养液。
进一步地，所述光的波长为200nm-2500nm，光照强度为1mW-20000mW，优选为200-3000mW/cm2；
优选地，所述光通过便携式激光笔、激光器产生。
进一步地，所述光操控液滴运动材料操控液滴运动的方式包括推、拉、旋转、震荡、分割、融合、爬倾角为0°-90°的斜坡。
本发明的有益效果是：
1)本发明提供了一种能够实现以光进行液滴操控的材料，该材料克服了现有技术中液体运动速度低、距离短，无法实现多个液体同时操控的问题，通过基底表面的微纳结构设计以及表面疏液化设计，成功降低了液滴粘滞阻力较大，运动速度低，运动距离短的问题，而且还可以控制液滴进行推、拉、旋转以及震荡等多种模态运动。光操控液滴运动材料能操控1-100个尺寸为1nL-1mL液滴的推、拉、旋转和震荡运动等，液滴的运动速度可达到1μm/s-10m/s，运动距离可达到1m以上。
2)本发明提供的材料制备工艺和材料均很简单，此外，由于本发明材料的优异性能，带来了控制液滴光源的简化。现有技术中通常需要高能量、高光强的光，所以难以实现便携式的液滴操控，而本发明的材料仅需很低能量的光源，例如仅仅采用便携式激光笔就可以实现光操纵液体运动的要求。这极大的简化了光操作液滴装备的复杂性。
3)本发明的材料可以制备成较薄的薄膜，可以应用于很多装置或者材料的表面。且不但可以应用于平面，还可以用于曲面或柔性部件的表面，扩宽了光操作液滴的应用范围。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护内容不局限以下实施例。
实施例1
将质量百分数为10％的聚偏氟乙烯溶于二甲基亚砜中，取5mL聚偏氟乙烯溶液流延于干净的2英寸具有高为10μm、直径为5μm、间距为20μm圆柱状结构的硅模板上，80℃烘干12h，然后从硅模板上取下聚偏氟乙烯膜。置于金属底板上，采用26kV高压电晕极化，极化后聚偏氟乙烯膜压电系数d33为25pC/N，表面电势为60V。再在极化后的聚偏氟乙烯铁电膜表面喷涂十七氟癸基三甲氧基硅烷修饰的二氧化硅纳米颗粒行疏液处理，疏液处理后的聚偏氟乙烯铁电膜对水的静态接触角为160°，对水的动态接触角为1°。
经测试，所得到的聚偏氟乙烯铁电材料在便携式激光笔产生的功率为500mW/cm2，808nm波长近红外光照下可产生的输出电压为50V、输出电流为110nA，进而在材料表面形成电荷梯度，能够推动1个10μL水滴以10mm/s的运动速度向前运动2m、推动1个1μL聚苯乙烯小球乳液液滴以80mm/s的运动速度向前运动1m、推动1个100μL水滴以10mm/s的运动速度向前运动1.5m、推动1个1nL氯化钠溶液液滴以10mm/s的运动速度向前运动2m、推动8个10μL水滴以10mm/s的运动速度向前运动1.5m、推动1个50μL丙三醇液滴以10mm/s的运动速度向前运动2m、拉动1个1000μL水滴以10mm/s的运动速度向前运动1m、驱动1个1μL水滴以10mm/s的运动速度进行振荡运动、驱动1个20μL水滴以10mm/s的运动速度进行旋转运动、驱动1个100nL水滴以10mm/s的运动速度进行旋转运动。
实施例2
将质量百分数为10％的聚偏氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TrFE)共聚物溶于N,N-二甲基甲酰胺中，取5ml PVDF-TrFE溶液流延于干净的2英寸具有高为10μm，边长为5μm，间距为20μm金字塔结构的硅模板上，80℃烘干12h，然后从硅模板上取下PVDF-TrFE膜。置于金属底板上，采用26kV高压电晕极化，极化后PVDF-TrFE膜压电系数d33为30pC/N。再在极化后的PVDF-TrFE膜表面喷涂全氟辛基-三氯硅烷修饰的二氧化硅纳米颗粒进行疏液处理，疏液处理后的PVDF-TrFE膜对水的静态接触角为160°，对水的动态接触角为1°。
经测试，所得到的PVDF-TrFE膜形成的光操控液滴运动材料在便携式激光笔产生的功率为500mW/cm2，808nm波长近红外光照下可产生的输出电压为40V、输出电流为120nA，进而在材料表面形成电荷梯度，能够推动1个10μL水滴以10mm/s的运动速度向前运动2m、推动1个1μL聚苯乙烯小球乳液液滴以80mm/s的运动速度向前运动1m、推动1个100μL水滴以10mm/s的运动速度向前运动1.5m、推动1个1nL氯化钠溶液液滴以10mm/s的运动速度向前运动2m、推动8个10μL水滴以10mm/s的运动速度向前运动1.5m、推动1个50μL丙三醇液滴以10mm/s的运动速度向前运动2m、拉动1个1000μL水滴以10mm/s的运动速度向前运动1m、驱动1个1μL水滴以10mm/s的运动速度进行振荡运动、驱动1个20μL水滴以10mm/s的运动速度进行旋转运动、驱动1个100nL水滴以10mm/s的运动速度进行旋转运动。
实施例3
取2g钛酸钡粉体，放入干净研钵中，滴入0.4g的去离子水，并研磨1-2min，然后将研磨后的粉体放入模具中，套上加热套，固定在压片机上，压电机施加500MPa压力，加热套加热至230℃，保持3h。停止加热降至室温后取出钛酸钡铁电陶瓷片，700℃退火3h得到致密钛酸钡铁电陶瓷片。置于金属底板上，采用20kV高压电晕极化，极化后钛酸钡铁电陶瓷片压电系数d33为50pC/N。再在极化后的钛酸钡铁电陶瓷片表面喷涂十七氟癸基三甲氧基硅烷修饰的二氧化硅纳米颗粒进行疏液处理，疏液处理后的钛酸钡铁电陶瓷片对水的静态接触角为160°，对水的动态接触角为1°。
经测试，所得到的钛酸钡铁电陶瓷片形成的光操控液滴运动材料在便携式激光笔产生的功率为500mW/cm2，808nm波长近红外光照下输出电压为30V、输出电流为50mA，进而在材料表面形成电荷梯度，能够推动1个10μL水滴以10mm/s的运动速度向前运动2m、推动1个1μL聚苯乙烯小球乳液液滴以80mm/s的运动速度向前运动1m、推动1个100μL水滴以10mm/s的运动速度向前运动1.5m、推动1个1nL氯化钠溶液液滴以10mm/s的运动速度向前运动2m、推动8个10μL水滴以10mm/s的运动速度向前运动1.5m、推动1个50μL丙三醇液滴以10mm/s的运动速度向前运动2m、拉动1个1000μL水滴以10mm/s的运动速度向前运动1m、驱动1个1μL水滴以10mm/s的运动速度进行振荡运动、驱动1个20μL水滴以10mm/s的运动速度进行旋转运动、驱动1个100nL水滴以10mm/s的运动速度进行旋转运动。
实施例4
将质量百分数为1％的100nm钛酸钡颗粒超声分散在二甲基亚砜中，将质量百分数为10％的聚偏氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TrFE)共聚物溶于上述分散液中，取5mL混合液流延于干净的2英寸具有高为10μm，直径为5μm，间距为20μm圆柱状结构的硅片上，80℃烘干12h，然后从硅片上取下PVDF-TrFE复合膜。置于金属底板上，采用26kV高压电晕极化，极化后PVDF-TrFE复合膜压电系数d33为24pC/N。再在极化后的PVDF-TrFE复合膜通过硅油浸泡进行疏液处理，疏液处理后的聚偏氟乙烯铁电膜对水的静态接触角为79°，对水的动态接触角为4.1°。
经测试，所得到的PVDF-TrFE复合膜形成的光操控液滴运动材料在激光器产生的功率为500mW/cm2，太阳光照下可产生的输出电压为30V、输出电流为130nA，进而在材料表面形成电荷梯度，能够推动1个10μL水滴以10mm/s的运动速度向前运动2m、推动1个1μL聚苯乙烯小球乳液液滴以80mm/s的运动速度向前运动1m、推动1个100μL水滴以10mm/s的运动速度向前运动1.5m、推动1个1nL氯化钠溶液液滴以10mm/s的运动速度向前运动2m、推动8个10μL水滴以10mm/s的运动速度向前运动1.5m、推动1个50μL丙三醇液滴以10mm/s的运动速度向前运动2m、拉动1个1000μL水滴以10mm/s的运动速度向前运动1m、驱动1个1μL水滴以10mm/s的运动速度进行振荡运动、驱动1个20μL水滴以10mm/s的运动速度进行旋转运动、驱动1个100nL水滴以10mm/s的运动速度进行旋转运动。
实施例5
取1.9g钛酸钡和0.1g石墨烯粉体，放入干净研钵中，滴入0.4g的去离子水，并研磨1-2min，然后将研磨后的粉体放入模具中，套上加热套，固定在压片机上，压电机施加500MPa压力，加热套加热至230℃，保持3h。停止加热降至室温后取出钛酸钡石墨烯复合陶瓷片，700℃退火3h得到致密钛酸钡石墨烯陶瓷片。置于金属底板上，采用20kV高压电晕极化，极化后钛酸钡石墨烯陶瓷片压电系数d33为40pC/N。再在极化后的钛酸钡石墨烯陶瓷片表面喷涂全氟辛基-三氯硅烷修饰的二氧化硅纳米颗粒进行疏液处理，疏液处理后的钛酸钡石墨烯陶瓷片对水的静态接触角为159°，对水的动态接触角为2°。
经测试，所得到的钛酸钡石墨烯陶瓷片形成的光操控液滴运动材料在激光器产生的功率为500mW/cm2，太阳光照下可产生的输出电压为30V、输出电流为110mA，进而在材料表面形成电荷梯度，能够推动1个10μL水滴以10mm/s的运动速度向前运动2m、推动1个1μL聚苯乙烯小球乳液液滴以80mm/s的运动速度向前运动1m、推动1个100μL水滴以10mm/s的运动速度向前运动1.5m、推动1个1nL氯化钠溶液液滴以10mm/s的运动速度向前运动2m、推动8个10μL水滴以10mm/s的运动速度向前运动1.5m、推动1个50μL丙三醇液滴以10mm/s的运动速度向前运动2m、拉动1个1000μL水滴以10mm/s的运动速度向前运动1m、驱动1个1μL水滴以10mm/s的运动速度进行振荡运动、驱动1个20μL水滴以10mm/s的运动速度进行旋转运动、驱动1个100nL水滴以10mm/s的运动速度进行旋转运动。
实施例6
将质量百分数为1％的100nm钛酸钡颗粒超声分散在二甲基亚砜中，将质量百分数为10％的聚偏氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TrFE)共聚物溶于上述分散液中，取5mL混合液流延于干净的2英寸具有高为10μm，直径为5μm，间距为20μm圆柱状结构硅片上，80℃烘干12h，然后从硅片上取下PVDF-TrFE复合膜。采用100kPa拉力拉伸得到PVDF-TrFE复合膜压电系数d33为24pC/N。再将极化后的PVDF-TrFE复合膜通过硅油浸泡进行疏液处理，疏液处理后的PVDF-TrFE复合膜对水的静态接触角为70°，对水的动态接触角为5°。
经测试，所得到的PVDF-TrFE复合膜形成的光操控液滴运动材料在激光器产生的功率为500mW/cm2，太阳光照下可产生的输出电压为30V、输出电流为110nA，进而在材料表面形成电荷梯度，能够推动1个10μL水滴以10mm/s的运动速度向前运动2m、推动1个1μL聚苯乙烯小球乳液液滴以80mm/s的运动速度向前运动1m、推动1个100μL水滴以10mm/s的运动速度向前运动1.5m、推动1个1nL氯化钠溶液液滴以10mm/s的运动速度向前运动2m、推动8个10μL水滴以10mm/s的运动速度向前运动1.5m、推动1个50μL丙三醇液滴以10mm/s的运动速度向前运动2m、拉动1个1000μL水滴以10mm/s的运动速度向前运动1m、驱动1个1μL水滴以10mm/s的运动速度进行振荡运动、驱动1个20μL水滴以10mm/s的运动速度进行旋转运动、驱动1个100nL水滴以10mm/s的运动速度进行旋转运动。
实施例7
将质量百分数为1％的100nm钛酸钡颗粒超声分散在二甲基亚砜中，将质量百分数为10％的聚偏氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TrFE)共聚物溶于上述分散液中，取5mL混合液流延于干净的2英寸具有高为10μm，直径为5μm，间距为20μm圆柱状结构硅片上，80℃烘干12h，然后从硅片上取下PVDF-TrFE复合膜。置于金属底板上，采用26kV高压电晕极化，极化后PVDF-TrFE复合膜压电系数d33为24pC/N。再在极化后的PVDF-TrFE复合膜表面喷涂十七氟癸基三甲氧基硅烷修饰的二氧化硅纳米颗粒进行疏液处理，疏液处理后的PVDF-TrFE复合膜对水的静态接触角为158°，对水的动态接触角为1.5°。
经测试，所得到的PVDF-TrFE复合膜形成的光操控液滴运动材料在激光器产生的功率为1500mW/cm2，808nm波长近红外光照下可产生的输出电压为60V、输出电流为120nA，进而在材料表面形成电荷梯度，能够推动1个10μL水滴以10mm/s的运动速度向前运动2m、推动1个1μL聚苯乙烯小球乳液液滴以80mm/s的运动速度向前运动1m、推动1个100μL水滴以10mm/s的运动速度向前运动1.5m、推动1个1nL氯化钠溶液液滴以10mm/s的运动速度向前运动2m、推动8个10μL水滴以10mm/s的运动速度向前运动1.5m、推动1个50μL丙三醇液滴以10mm/s的运动速度向前运动2m、拉动1个1000μL水滴以10mm/s的运动速度向前运动1m、驱动1个1μL水滴以10mm/s的运动速度进行振荡运动、驱动1个20μL水滴以10mm/s的运动速度进行旋转运动、驱动1个100nL水滴以10mm/s的运动速度进行旋转运动。
实施例8
取1.9g钛酸钡和0.1g石墨烯粉体，放入干净研钵中，滴入0.4g的去离子水，并研磨1-2min，然后将研磨后的粉体放入模具中，套上加热套，固定在压片机上，压电机施加500MPa压力，加热套加热至230℃，保持3h。停止加热降至室温后取出钛酸钡石墨烯复合陶瓷片，700℃退火3h得到致密钛酸钡石墨烯陶瓷片。置于金属底板上，采用20kV高压电晕极化，极化后钛酸钡石墨烯陶瓷片压电系数d33为40pC/N。再将极化后的钛酸钡石墨烯陶瓷片通过表面喷涂十三氟辛基三乙氧基硅烷修饰的二氧化硅纳米颗粒进行疏液处理，疏液处理后的钛酸钡石墨烯陶瓷片对水的静态接触角为155°，对水的动态接触角为1.7°。
经测试，所得到的钛酸钡石墨烯陶瓷片形成的光操控液滴运动材料在激光器产生的功率为500mW/cm2，太阳光照下可产生的输出电压为90V、输出电流为130mA，进而在材料表面形成电荷梯度，能够推动1个10μL水滴以10mm/s的运动速度向前运动2m、推动1个1μL聚苯乙烯小球乳液液滴以80mm/s的运动速度向前运动1m、推动1个100μL水滴以10mm/s的运动速度向前运动1.5m、推动1个1nL氯化钠溶液液滴以10mm/s的运动速度向前运动2m、推动8个10μL水滴以10mm/s的运动速度向前运动1.5m、推动1个50μL丙三醇液滴以10mm/s的运动速度向前运动2m、拉动1个1000μL水滴以10mm/s的运动速度向前运动1m、驱动1个1μL水滴以10mm/s的运动速度进行振荡运动、驱动1个20μL水滴以10mm/s的运动速度进行旋转运动、驱动1个100nL水滴以10mm/s的运动速度进行旋转运动。
实施例9
将质量百分数为1％的100nm钛酸钡颗粒超声分散在二甲基亚砜中，将质量百分数10％的聚偏氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TrFE)共聚物溶于上述分散液中，取5ml混合液流延于干净的2英寸具有高为10μm，直径为5μm，间距为20μm圆柱状结构的硅片上，80℃烘干12h，然后从硅片上取下PVDF-TrFE复合膜。置于金属底板上，采用26kV高压电晕极化，极化后PVDF-TrFE复合膜压电系数d33为24pC/N。再在极化后的PVDF-TrFE复合膜表面喷涂十七氟癸基三甲氧基硅烷修饰的二氧化硅纳米颗粒进行疏液处理，疏液处理后的PVDF-TrFE复合膜对水的静态接触角为170°，对水的动态接触角为1.1°。
经测试，所得到的PVDF-TrFE复合膜形成的光操控液滴运动材料在激光器产生的功率为1500mW/cm2，808nm波长近红外光照下可产生的输出电压为50V、输出电流为110nA，进而在材料表面形成电荷梯度，能够推动1个10μL水滴以10mm/s的运动速度向前运动2m、推动1个1μL聚苯乙烯小球乳液液滴以80mm/s的运动速度向前运动1m、推动1个100μL水滴以10mm/s的运动速度向前运动1.5m、推动1个1nL氯化钠溶液液滴以10mm/s的运动速度向前运动2m、推动8个10μL水滴以10mm/s的运动速度向前运动1.5m、推动1个50μL丙三醇液滴以10mm/s的运动速度向前运动2m、拉动1个1000μL水滴以10mm/s的运动速度向前运动1m、驱动1个1μL水滴以10mm/s的运动速度进行振荡运动、驱动1个20μL水滴以10mm/s的运动速度进行旋转运动、驱动1个100nL水滴以10mm/s的运动速度进行旋转运动。
实施例10
取1.9g钛酸钡和0.1g石墨烯粉体，放入干净研钵中，滴入0.4g的去离子水，并研磨1-2min，然后将研磨后的粉体放入模具中，套上加热套，固定在压片机上，压电机施加500MPa压力，加热套加热至230℃，保持3h。停止加热降至室温后取出钛酸钡石墨烯复合陶瓷片，700℃退火3h得到致密钛酸钡石墨烯陶瓷片。置于金属底板上，采用20kV高压电晕极化，极化后钛酸钡石墨烯陶瓷片压电系数d33为40pC/N。再将极化后的钛酸钡石墨烯陶瓷片通过表面喷涂十七氟癸基三甲氧基硅烷修饰的二氧化硅纳米颗粒进行疏液处理，疏液处理后的钛酸钡石墨烯陶瓷片对水的静态接触角为167°，对水的动态接触角为2.1°。
经测试，所得到的钛酸钡石墨烯陶瓷片形成的光操控液滴运动材料在激光器产生的功率为16000mW/cm2，808nm波长近红外光照下可产生的输出电压为550V、输出电流为170mA，进而在材料表面形成电荷梯度，能够推动1个10μL水滴以10mm/s的运动速度向前运动2m、推动1个1μL聚苯乙烯小球乳液液滴以80mm/s的运动速度向前运动1m、推动1个100μL水滴以10mm/s的运动速度向前运动1.5m、推动1个1nL氯化钠溶液液滴以10mm/s的运动速度向前运动2m、推动8个10μL水滴以10mm/s的运动速度向前运动1.5m、推动1个50μL丙三醇液滴以10mm/s的运动速度向前运动2m、拉动1个1000μL水滴以10mm/s的运动速度向前运动1m、驱动1个1μL水滴以10mm/s的运动速度进行振荡运动、驱动1个20μL水滴以10mm/s的运动速度进行旋转运动、驱动1个100nL水滴以10mm/s的运动速度进行旋转运动。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (18)

1.一种光操控液滴运动材料，其特征在于，包括铁电材料或铁电基复合材料的基层，所述基层为先后经过极化处理和疏液处理的基层；
所述铁电基复合材料为包括所述铁电材料作为基体的复合材料。
2.根据权利要求1所述的光操控液滴运动材料，其特征在于，所述铁电材料包括铁电聚合物、无机铁电材料中的至少一种；
优选地，所述铁电聚合物包括聚偏氟乙烯及其共聚物、碳原子数为奇数的尼龙、聚丙烯腈、聚酰亚胺、聚亚乙烯基二氰、聚脲、聚苯基氰基醚、聚氯乙烯、聚醋酸乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、铁电液晶中的至少一种；更优选地，所述聚偏氟乙烯共聚物包括聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物、聚偏氟乙烯-四氟乙烯共聚物、聚偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯共聚物、聚偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯共聚物；
优选地，所述无机铁电材料包括钛酸铅、钛酸钡、铌酸钾、铌酸锂、钽酸锂、钛酸铋、铋层状钙钛矿结构铁电体、钨青铜型铁电体、铁酸铋、磷酸二氢钾、硫酸三甘酸氨、罗息盐、钙钛矿型有机金属卤化物铁电体、及上述的掺杂化合物中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的光操控液滴运动材料，其特征在于，所述铁电基复合材料还包括非铁电材料，所述非铁电材料包括光热材料；
优选地，所述光热材料包括金纳米棒、金纳米壳、金纳米笼、空心金纳米球、钯纳米片、钯@银、钯@二氧化硅、碳纳米管、石墨烯、还原氧化石墨烯、炭黑、黑磷、硫化铜、吲哚菁绿、聚苯胺、钌酸锶、以及上述物质经过各种化学修饰后的产物中的至少一种；
优选地，所述铁电材料与非铁电材料的质量比为100：0-70：30(不包括100：0)。
4.根据权利要求1所述的光操控液滴运动材料，其特征在于，所述极化处理为使铁电材料偶极子有序排列的处理；
优选地，所述极化处理的方式包括以力、电、磁、辐照的外场作用使铁电材料偶极子有序排列的处理方式。
5.根据权利要求1所述的光操控液滴运动材料，其特征在于，所述经过极化处理的基层的压电系数不低于相同条件下未经过极化处理的基层的压电系数的80％；
优选地，所述经过极化处理的基层的压电系数d33大于等于10pC/N，优选为大于等于15pC/N，更优选为大于等于20pC/N。
6.根据权利要求1所述的光操控液滴运动材料，其特征在于，所述经过疏液处理的基层对水的静态接触角为70°-170°，对水的动态接触角为0°-10°。
7.根据权利要求1所述的光操控液滴运动材料，其特征在于，所述疏液处理的方式包括表面微纳结构构筑、表面低表面能分子修饰、液体灌注中的至少一种；
优选地，所述微纳结构构筑包括通过模板覆型、3D打印；更优选地，所述微纳结构包括金字塔结构、横截面为圆形、方形以及多边形的微柱结构和微孔结构中的至少一种；更优选地，所述微柱结构高为1nm-100μm，边长/直径为1nm-100μm，间距为1nm-100μm；更优选地，所述金字塔结构高为1nm-50μm，边长为1nm-100μm，间距为1nm-100μm；更优选地，所述微孔结构深度为1nm-100μm，直径为1nm-100μm，间距为1nm-100μm；
优选地，所述低表面能分子包括全氟分子、全氟分子修饰的纳米颗粒；更优选地，所述全氟分子包括三氟丙基三乙氧基硅烷、十七氟癸基三甲氧基硅烷、全氟辛基-三氯硅烷、十三氟辛基三乙氧基硅烷；更优选地，所述纳米颗粒包括聚苯乙烯纳米颗粒、二氧化钛纳米颗粒、二氧化硅纳米颗粒、金纳米颗粒、银纳米颗粒；更优选地，所述全氟分子与纳米颗粒的质量比为1：10～1：100；
优选地，所述液体灌注包括通过全氟油、植物油、蔬菜籽油、正癸醇、乙二醇、电动机润滑油、煤油、矿物油、油酸、油酸甲酯、油酸乙酯、铁磁流体、石蜡、热致液晶、离子液体、硅油中的至少一种进行浸泡。
8.根据权利要求1所述的光操控液滴运动材料，其特征在于，所述铁电材料或铁电基复合材料的基层厚度为100nm-1mm，优选为100nm-100μm。
9.权利要求1-8任一项所述的光操控液滴运动材料的制备方法，其特征在于，当光操控液滴运动材料含有铁电聚合物时，包括以下步骤：
将铁电材料或铁电基复合材料分散和/或溶解于第一溶剂中，然后将其涂覆在基底上，干燥后得到铁电材料或铁电基复合材料层，将铁电材料或铁电基复合材料层先后进行极化处理和疏液处理得到铁电材料或铁电基复合材料的基层；
当光操控液滴运动材料含有无机铁电材料或非铁电材料中的至少一种时，包括以下步骤：
将铁电材料或铁电基复合物材料添加第二溶剂进行湿磨，然后进行热压处理，最后退火得到铁电材料或铁电基复合材料层，将铁电材料或铁电基复合材料层先后进行极化处理和疏液处理得到铁电材料或铁电基复合材料的基层。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述第一溶剂为有机溶剂；优选地，所述有机溶剂包括二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺丙酮、磷酸三甲酯、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、丙二醇、N-甲基吡咯烷酮、四氢呋喃、四甲基脲、六甲基磷酸酰胺、六氟异丙醇中的至少一种；
优选地，所述铁电材料或铁电基复合材料与第一溶剂的质量比为1：99-30：70；
优选地，所述干燥的温度为60-90℃，所述干燥的时间为4-12h。
11.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述第二溶剂包括水、乙醇、丙酮、氨水、乙酸中的至少一种；
优选地，所述铁电材料或铁电基复合材料与第二溶剂的质量比为80：20-99：1；
优选地，所述研磨的时间为1-30min；
优选地，所述热压的温度为150-500℃，所述热压的压力为100-1000MPa，所述热压的时间为0.5-5h；更优选地，所述热压的温度为230℃，所述热压的压力为500MPa，所述热压的时间为3h；
优选地，所述退火的温度为500-900℃，所述退火的时间为1-12h；更优选地，所述退火的温度为700℃，所述退火的时间为3h。
12.一种装置，其特征在于，所述装置具有以权利要求1-8任一项所述光操控液滴运动材料制成的表面。
13.权利要求1-8任一项所述光操控液滴运动材料在制备自清洁表面、微流控装置、微化学反应装置、生物检测装置和液滴操控装置中的应用。
14.权利要求1-8任一项所述光操控液滴运动材料在光操控液滴运动中的应用。
15.根据权利要求14所述的应用，其特征在于，所述操控液滴的数量为1-100个，操控液滴尺寸为1nL-1mL，操控液滴的运动速度为1μm/s-10m/s、运动距离为1mm-10m。
16.根据权利要求14所述的应用，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的光操控液滴运动材料进行操控液滴运动的方法包括以下步骤：将液滴置于所述光操控液滴运动材料的表面，并以光进行照射。
17.根据权利要求16所述的应用，其特征在于，所述光操控液滴运动材料在光照射下，开路电压为1mV-500V，短路电流为1nA-100mA/cm2。
18.根据权利要求14-17任一项所述的应用，其特征在于，所述光操控液滴运动材料可操控的液滴的表面张力为10mN·m-1-100mN·m-1；
优选地，所述液滴包括水滴、无机物溶液液滴、有机溶剂液滴、微纳米颗粒悬浮液液滴、生物组织液；
优选地，所述无机物溶液液滴中的溶质包括氯化钠、氯化钙、硫酸铜、氯化镁、硫酸镁、氢氧化钠、盐酸、氢氧化钾；
优选地，所述有机溶剂液滴包括乙醇、丙酮、氯仿、四氢呋喃、二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、正己烷、硅油、氟油、葵花籽油、橄榄油、正十六烷、庚烷、辛烷、乙酸、甲苯、***、乙酸乙酯、丁醇、乙二醇、异丙醇、丙三醇；
优选地，所述微纳米颗粒悬浮液液滴中的溶质包括聚苯乙烯小球、二氧化硅小球、金颗粒；
优选地，所述生物组织液包括血液、血清、含细胞组织液、含细胞培养液；
优选地，所述光的波长为200nm-2500nm，光照强度为1mW-20000mW；
优选地，所述光通过便携式激光笔、激光器产生；
优选地，所述光操控液滴运动材料操控液滴运动的方式包括推、拉、旋转、震荡、分割、融合、爬倾角为0°-90°的斜坡。
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