中科院化学所Advanced Materials：流体图案化的一般方法及其在制造微型器件中的应用

【前言】

许多基本的物理和化学过程发生在流体界面。例如，气液界面存在蒸发、吸附和瑞利不稳定性，这在溶剂加工设备制造、表面自组装和喷墨打印中非常重要。设计流体界面对于理解和利用这些基本过程至关重要。然而，以前基于微液流技术的研究集中在自由和移动的流体界面上，因此由于灵活性和流动性，很难控制流体界面。实际上，钉扎和图案化的流体界面在分子扩散研究、界面反应、检测和传感等各个方面更为关键，因为它为观察、识别和标记提供了稳定的平台。此外，图案化的气液界面可以作为高分辨率组装和打印的软模板。在另一种不混溶流体中的固体表面上图案化流体是产生图案化流体界面的有效方式，并且已经引起了很多关注。例如，将水中的气泡图案化作为材料组装的模板，将空气中的液滴图案化以进行流体操作，以及通过溶剂交换将水滴图案化在水中或将水滴图案化在固体表面上的油中。然而，创造和精确控制不同材料的流体模式仍然是一个巨大的挑战。

【成果简介】

近日，来自中科院化学所的宋延林研究员（通讯作者）团队在Advanced Materials上发表文章，题为：A General Approach for Fluid Patterning and Application in Fabricating Microdevices。该团队报道了一种使用微通道中的微柱操纵流体界面进行流体图案化的通用方法。提出了包括空气、水和油在内的不混溶流体对的流体模式化原理。这种理解使得制备可编程多相流体图案和组装多层功能材料来制造微型光电器件成为可能。这种流体模式化的策略为研究流体界面上发生的基本过程提供了一个有希望的平台，并有利于许多学科的应用，如微流体学、微生物学、化学分析和检测、材料合成和组装、器件制造等。

【图文导读】

图1. 微流体中流体图案形成原理的示意图

a)该装置由包含成组微柱(标有红色方框)的微流体通道组成。流体A和B是不混溶的，可以是气体、水或有机溶剂；

b, c)用流体A替换流体B的总(b)和选择性(c)，它们分别具有E₂，E₃的界面自由能；

d)与流体A和流体B相关的固体C (柱和微流体通道)的润湿性；

e)流体图案的放大图像，用于展示柱的几何形状以及微柱结构的微通道和流体B之间的界面(S₂)，以及流体A和流体B之间的界面(S₃)；

图2. 用相应的柱体润湿性制备不同的流体形态

a) 八种不相容流体对的模式示意图, 从1到8的编号；

b) 编号1到8的流体对在四种micropillars润湿性上测量的接触角θ_BA流体；

c) 制备的流体形态的荧光显微镜图像；

图2. 影响流体模式的柱子的几何形状

a) 由柱子固定的流体界面的平衡状态;

b) 柱子不能固定流体界面的临界状态;

c) 柱的几何形状对水中甲苯图案的影响的数值计算;

d、e) 在水中甲苯的各种模式是通过保持几何图形 (r₁、b、d) 在绿点 (c) 中的支柱群的每个支柱来实现的；

图3. 通过组合微结构的润湿性和几何形状，可编程多相流体图案化

a)具有图案化光致抗蚀剂的微柱结构硅衬底的显微图像；

b)在去除光致抗蚀剂之后，在( a )中的衬底的亮场显微图像；

c)将水输入到空气中会形成水包空气模式；

d，e)分别为正己烷中的空气和DMSO中的正己烷中的空气的流体模式，以及随后的流体替换；

f)具有与(a)相似的替代润湿性的六边形柱组的硅衬底；

g)空气交替地在水中形成图案；

h)通过用甲苯选择性地替代(g)中的水，水和气泡交替地在甲苯中形成图案；

I)甲苯在水中交替图案化；

j)水和甲苯通过选择性地用空气替换(I)中的水，交替地在空气中形成图案；

图4. 具有序列流体图案的多材料功能器件的组装

a-g)用发射波长分别为650 nm和520 nm的CdS/ZnS量子点的水和邻二氯苯溶液制备双层组件的过程；

h) QDs的两层组件的共聚焦显微镜图像；

I)光电探测器的45°倾斜视图扫描电子显微镜( SEM )图像；

j)三层组件的SEM图像的俯视图，这是(I) (标记为红色的盒子)的放大图像；

k)测量微光电探测器光响应的实验装置示意图；

l)有和没有照明的光电探测器的电流-时间响应；

【总结】

流体图案化的方法将可以实现许多以前不可能的应用，不同类型的流体图案化将为许多领域的研究提供有希望的平台。例如，水或油中图案化气泡的声学特性会随着其形状、尺寸和排列而变化，这有利于气泡声学的基础研究。水-油图案中的钉扎和封闭界面有望用于界面扩散、化学反应控制、界面组装以及用于检测和传感的微反应器的研究。结合生物学，油或空气中的固定微滴可以为单一细菌分析、微生物进化和细胞老化提供平台。通过图案化油中的氧气泡和水(含微生物)，可以研究微生物耗氧的动力学。此外，通过预先分别在水和油中添加功能材料，空气中的水和油的选择性图案化可以用于为各种器件应用在区域组装多材料。

文献链接：A General Approach for Fluid Patterning and Application in Fabricating Microdevices, (Advanced Materials, 2018, DOI: 10.1002/adma.201802172)

本文由材料人电子电工学术组Z. Chen供稿，欧洲足球赛事 整理编辑。

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