專利名稱：一種仿生可控粘附性疏水金表面的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對水滴具有可控粘附性疏水的仿生微、納織構(gòu)表面的制備技術(shù)領(lǐng) 域，特別是利用軟印章技術(shù)和表面化學(xué)修飾方法相結(jié)合，在金表面上制備出對水滴具有可 控粘附性的仿生微、納織構(gòu)的方法，具體地說是一種仿生可控粘附性疏水金表面的制備方法。
背景技術(shù)：
生物物種為了適應(yīng)周圍的環(huán)境以及更好的生存，常常表現(xiàn)出令人驚訝的性質(zhì)，如 超疏水、紫外線防護(hù)、多姿多彩的顏色、自清潔、高粘附等等。如荷葉，水在其表面的接觸角 大于150°，滑動角小于10°，當(dāng)葉子稍微傾斜，水珠很快滑落，同時將葉片表面的污染物 帶走，這種現(xiàn)象被稱為荷葉效應(yīng)，水稻葉也有類似性質(zhì)。這是由荷葉表面上的疏水性蠟狀物 質(zhì)和葉片表面微、納二元結(jié)構(gòu)協(xié)同作用導(dǎo)致的。即使在陰雨天大量雨滴“炮彈”的籠罩下， 水黽也可以毫不費(fèi)力的在水面上自由站立和行走，這主要得益于其腳面上微、納剛毛陣列 結(jié)構(gòu)。小水滴落在玫瑰花瓣表面上時保持球形且不會從花瓣表面滾落，球形水滴在陽光下 閃閃發(fā)光，可以吸引昆蟲前來授粉，這與其表面凹坑狀微、納織構(gòu)密切相關(guān)。壁虎可以利用 其足面上緊密堆積的納米尺寸的剛毛陣列實現(xiàn)在任意粗糙度表面上以任意角度爬行，表現(xiàn) 出優(yōu)異的粘附控制能力。因此，向自然界學(xué)習(xí)并模仿生物的構(gòu)造已成為當(dāng)前納米科技研究 的熱點。經(jīng)過長久的努力，人們研制出很多方法和技術(shù)手段來獲得仿生織構(gòu)表面如溶膠凝 膠法，激光、等離子體、化學(xué)刻蝕法，微接觸印章法，陽極氧化鋁模板法，原子力局部陽極氧 化法，電化學(xué)沉積法，化學(xué)氣相沉積法等。但是，這些方法制備過程復(fù)雜，成本比較高，而且 常常受到當(dāng)前儀器水平和材料的制約。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對當(dāng)前現(xiàn)有技術(shù)現(xiàn)狀，提供采用表面軟印章技術(shù) 和表面化學(xué)修飾法相結(jié)合制備具有可控粘附性疏水表面的一種仿生可控粘附性疏水金表 面的制備方法，該方法成本低，重復(fù)性好，精度高，而且具有能大面積制得仿生織構(gòu)的優(yōu)點。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為一種仿生可控粘附性疏水金表面 的制備方法，該方法包括以用自然界生物材料為模板，通過軟印章技術(shù)法和表面化學(xué)修飾 法相結(jié)合，制備出具有可控粘附性的，并與生物原型表面微織構(gòu)相一致的疏水金表面，所述 軟印章技術(shù)法包括以下步驟步驟1 預(yù)處理步驟首先將生物葉片用去離子水超聲處理進(jìn)行清潔，并用氮氣吹 干，然后用雙面膠將其固定于玻璃器皿表面?zhèn)溆?；步驟2 制備具有仿生反形貌的金表面用聚二甲基硅氧烷預(yù)聚體與交聯(lián)劑的混 合物作為表面復(fù)制材料，復(fù)制上述生物葉片的生物模板表面織構(gòu)后，在真空干燥箱里加熱 干燥，待聚二甲基硅氧烷混合物固化后，生物模板表面的反形貌就轉(zhuǎn)移到固化的聚二甲基 硅氧烷混合物上；然后在將復(fù)制有生物模板反形貌的混合物上蒸鍍一層金膜，即得到具有生物葉片反形貌的仿生織構(gòu)金表面；步驟3 制備具有仿生正形貌的金表面與步驟2方法相同，用聚二甲基硅氧烷預(yù) 聚體與交聯(lián)劑的混合物作為表面復(fù)制材料，復(fù)制步驟1生物葉片的生物模板表面織構(gòu)，在 真空干燥箱里加熱干燥，待聚二甲基硅氧烷混合物固化后，生物模板表面的正形貌就轉(zhuǎn)移 到固化的聚二甲基硅氧烷混合物上；然后在將復(fù)制有生物模板正形貌的混合物上蒸鍍一層 金膜，即得到具有生物葉片正形貌的仿生織構(gòu)金表面。所采取的進(jìn)一步技術(shù)措施還包括上述的表面化學(xué)修飾法包括以下步驟步驟1 將仿生織構(gòu)金表面浸泡在無水乙醇溶液中，室溫下放置24小時；步驟2 將浸泡的仿生織構(gòu)金表面取出，放在干燥箱里加熱干燥；步驟3 用大量的無水乙醇沖洗加熱干燥后的金表面，用以去除其表面物理吸附 的硫醇分子，最后氮氣吹干，完成仿生織構(gòu)金表面的化學(xué)修飾。上述的生物材料的生物葉片為荷葉或水稻葉子。上述的軟印章技術(shù)法步驟2、步驟3中的作為復(fù)制材料的聚二甲基硅氧烷預(yù)聚體 與交聯(lián)劑的混合物的混合質(zhì)量比為10 1，所述在真空干燥箱里加熱干燥的處理溫度為 70°C，處理時間為10小時。上述的表面化學(xué)修飾法步驟2中放在干燥箱里加熱干燥的處理溫度為70°C，處理 時間為3小時。上述的表面化學(xué)修飾法步驟1中的無水乙醇溶液為癸基硫醇無水乙醇，其濃度為 5mMol/L。上述的軟印章技術(shù)法步驟2、步驟3中蒸鍍的一層金膜，其厚度為lOOnm。本發(fā)明的一種仿生可控粘附性疏水金表面的制備方法，以自然界生物材料荷葉和 水稻葉片為模板，利用聚二甲基硅氧烷預(yù)聚體與交聯(lián)劑的混合物作為表面復(fù)制材料，采用 軟印章技術(shù)和表面化學(xué)修飾方法相結(jié)合，在常溫下制得具有可控粘附性疏水的金表面，其 制備工藝簡單，原料易得，成本低，精度高，具有粘附性能可控，重復(fù)性好，而且可以大面積 制得仿生織構(gòu)的優(yōu)點。可作為“機(jī)械手”實現(xiàn)微量液滴的無損運(yùn)輸、液體攜帶材料和生物微 量溶液移液管等應(yīng)用。本方法也可以用于制備具有其它生物，例如芋頭葉、玫瑰花瓣、壁虎、 水黽、水黽和鯊魚鱗片等表面微織構(gòu)及人工有序或者無序織構(gòu)的金表面，從而可以應(yīng)用于 不同的工程設(shè)計和應(yīng)用。


圖1是本發(fā)明具有可控粘附性疏水表面的制備示意圖；圖2是本發(fā)明的具有荷葉表面正形貌的滾動性疏水表面的a和b為低倍數(shù)，c和d 為高倍數(shù)的表面SEM圖；圖3是本發(fā)明的具有水稻葉表面正形貌的滾動性疏水表面的a為低倍數(shù)，b、C、d 為局部放大的表面SEM圖；圖4是本發(fā)明的具有荷葉表面反形貌的粘附性疏水表面的a和b為低倍數(shù)，c和d 為高倍數(shù)的表面SEM圖；圖5是本發(fā)明的具有水稻葉葉表面反形貌的粘附性疏水表面的a為低倍數(shù)，b、C、d為局部放大的表面SEM圖；圖6a是本發(fā)明的具有荷葉表面正形貌金表面的三維形貌圖；圖6b是本發(fā)明的具有荷葉表面反形貌金表面的三維形貌圖；圖7是本發(fā)明的具有荷葉表面反形貌的粘附性疏水表面在翻轉(zhuǎn)90°和180°時其 表面上水滴的形狀變化數(shù)碼照片；圖8本發(fā)明的具有水稻葉表面反形貌的粘附性疏水表面在翻轉(zhuǎn)90°和180°時其 表面上水滴的形狀變化。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。如圖1、圖2、圖4、圖6a、圖6b 和圖7所示實施例一，本發(fā)明的一種仿生可控粘附性疏水金表面的制備方法，該方法包括以 用自然界生物材料的荷葉為模板，通過軟印章技術(shù)法和表面化學(xué)修飾法相結(jié)合，制備出具 有可控粘附性的，并與生物原型表面微織構(gòu)相一致的疏水金表面，所述軟印章技術(shù)法包括 以下步驟步驟1 預(yù)處理步驟首先將荷葉表面用去離子水超聲處理進(jìn)行清潔，并用氮氣吹 干，然后用雙面膠將其固定于玻璃器皿表面?zhèn)溆?；步驟2 制備具有仿生反形貌的金表面利用軟印章技術(shù)，用質(zhì)量比為10 1的聚 二甲基硅氧烷預(yù)聚體與交聯(lián)劑的混合物作為表面復(fù)制材料，復(fù)制上述荷葉的生物模板表面 織構(gòu)，在真空干燥箱里70°C加熱10小時，待聚二甲基硅氧烷混合物固化后，生物模板表面 的反形貌就轉(zhuǎn)移到固化的聚二甲基硅氧烷混合物上；然后在將復(fù)制有生物模板反形貌的混 合物上蒸鍍一層約IOOnm厚的金膜，即得到具有荷葉反形貌的仿生織構(gòu)金表面；步驟3:制備具有仿生正形貌的金表面與步驟2方法相同，用質(zhì)量比為10 1的 聚二甲基硅氧烷預(yù)聚體與交聯(lián)劑的混合物作為表面復(fù)制材料，復(fù)制步驟1荷葉的生物模板 表面織構(gòu)，在真空干燥箱里70°C加熱10小時，待聚二甲基硅氧烷混合物固化后，生物模板 表面的正形貌就轉(zhuǎn)移到固化的聚二甲基硅氧烷混合物上；然后在將復(fù)制有生物模板正形貌 的混合物上蒸鍍一層約IOOnm厚的金膜，即得到具有荷葉正形貌的仿生織構(gòu)金表面。為取得更好的技術(shù)效果上述的表面化學(xué)修飾法包括以下步驟步驟1 將仿生織構(gòu)金表面浸泡在5mMol/L的癸基硫醇無水乙醇溶液中，室溫下放 置24小時；步驟2 將浸泡的仿生織構(gòu)金表面取出，放在干燥箱里70°C加熱3小時；步驟3 用大量的無水乙醇沖洗加熱干燥后的金表面，用以去除其表面物理吸附 的硫醇分子，最后氮氣吹干，完成癸基硫醇對制備的仿生織構(gòu)金表面的化學(xué)修飾。實施例二，如圖1、圖3、圖5、圖8所示，本發(fā)明的一種仿生可控粘附性疏水金表面 的制備方法，該方法包括以用自然界生物材料的水稻葉為模板，通過軟印章技術(shù)法和表面 化學(xué)修飾法相結(jié)合，制備出具有可控粘附性的，并與生物原型表面微織構(gòu)相一致的疏水金 表面，所述軟印章技術(shù)法包括以下步驟步驟1 預(yù)處理步驟首先將水稻葉表面用去離子水超聲處理進(jìn)行清潔，并用氮氣 吹干，然后用雙面膠將其固定于玻璃器皿表面?zhèn)溆茫?br> 步驟2 制備具有仿生反形貌的金表面利用軟印章技術(shù)，用質(zhì)量比為10 1的聚 二甲基硅氧烷預(yù)聚體與交聯(lián)劑的混合物作為表面復(fù)制材料，復(fù)制上述水稻葉的生物模板表 面織構(gòu)，在真空干燥箱里70°C加熱10小時，待聚二甲基硅氧烷混合物固化后，生物模板表 面的反形貌就轉(zhuǎn)移到固化的聚二甲基硅氧烷混合物上；然后在將復(fù)制有生物模板反形貌的 混合物上蒸鍍一層約IOOnm厚的金膜，即得到具有水稻葉反形貌的仿生織構(gòu)金表面；步驟3:制備具有仿生正形貌的金表面與步驟2方法相同，用質(zhì)量比為10 1的 聚二甲基硅氧烷預(yù)聚體與交聯(lián)劑的混合物作為表面復(fù)制材料，復(fù)制步驟1水稻葉的生物模 板表面織構(gòu)，在真空干燥箱里70°c加熱10小時，待聚二甲基硅氧烷混合物固化后，生物模 板表面的正形貌就轉(zhuǎn)移到固化的聚二甲基硅氧烷混合物上；然后在將復(fù)制有生物模板正形 貌的混合物上蒸鍍一層約IOOnm厚的金膜，即得到具有水稻葉正形貌的仿生織構(gòu)金表面。為取得更好的技術(shù)效果上述的表面化學(xué)修飾法包括以下步驟步驟1 將仿生織構(gòu)金表面浸泡在5mMol/L的癸基硫醇無水乙醇溶液中，室溫下放 置24小時；步驟2 將浸泡的仿生織構(gòu)金表面取出，放在干燥箱里70°C加熱3小時；步驟3 用大量的無水乙醇沖洗加熱干燥后的金表面，用以去除其表面物理吸附 的硫醇分子，最后氮氣吹干，完成癸基硫醇對制備的仿生織構(gòu)金表面的化學(xué)修飾。采用本發(fā)明方法制備出的具有可控粘附性疏水的金表面，具有以下特點1、采用生物材料荷葉和水稻葉片為模板。2、采用聚二甲基硅氧烷預(yù)聚體與交聯(lián)劑混合物為復(fù)制材料。3、制備工藝簡單，原料易得，成本低，精度高。以自然界生物材料為模板，利用軟印 章技術(shù)和表面化學(xué)修飾方法相結(jié)合，在常溫下制得具有可控粘附性疏水的金表面。4、粘附性能可控。結(jié)果表明具有荷葉表面正形貌的金表面化學(xué)修飾后，接觸角高 達(dá)137度，滑動角約為7度，而超疏水表面定義的滑動角為小于10度。制備的具有水稻葉 表面正形貌的金表面化學(xué)修飾后，接觸角高達(dá)135度，滑動角具有各向異性，橫向滑動角為 24度，縱向滑動角分別為14度和24度。具有荷葉表面反形貌的金表面化學(xué)修飾后，其接 觸角為136度，表現(xiàn)出超強(qiáng)粘附性，水滴體積即使增大到10 μ L，無論金表面翻轉(zhuǎn)90度或者 180度，水滴都能牢牢粘附于其表面。具有水稻葉表面反形貌的金表面化學(xué)修飾后，其接觸 角為135度，縱向粘附性有所下降，水滴體積為10 μ L時，兩個滑動角分別為84度和65度， 橫向仍保持高粘附性，無論金表面翻轉(zhuǎn)90度或者180度，水滴都能牢牢粘附于其表面。這 主要是具有水稻葉表面反形貌的金表面具有各向異性引起的。受到該現(xiàn)象啟示，可以設(shè)計 一種控制水滴走向的固體表面，應(yīng)用于生活實際中。5、重復(fù)性好，而且可以大面積制得仿生織構(gòu)。本發(fā)明的具有荷葉和水稻葉表面正形貌微織構(gòu)的金表面，具有滾動性疏水性質(zhì)， 可以在自清潔、防結(jié)冰、防粘著、防結(jié)霧和減阻等領(lǐng)域應(yīng)用。具有荷葉和水稻葉表面反形貌 的金表面，具有粘附性疏水性質(zhì)，即使將金表面豎立或倒置，其表面的水滴也不滑落，且可 以通過表面化學(xué)修飾來調(diào)控表面粘附力的大小。可作為“機(jī)械手”實現(xiàn)微量液滴的無損運(yùn) 輸、液體攜帶材料和生物微量溶液移液管等應(yīng)用。雖然本發(fā)明已通過參考優(yōu)選的實施例進(jìn)行了圖示和描述，但是，本專業(yè)普通技術(shù) 人員應(yīng)當(dāng)了解，在權(quán)利要求書的范圍內(nèi)，所作形式和細(xì)節(jié)上的各種各樣變化，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種仿生可控粘附性疏水金表面的制備方法，其特征是該方法包括以用自然界生物材料為模板，通過軟印章技術(shù)法和表面化學(xué)修飾法相結(jié)合，制備出具有可控粘附性的，并與生物原型表面微織構(gòu)相一致的疏水金表面，所述軟印章技術(shù)法包括以下步驟步驟1預(yù)處理步驟首先將生物葉片用去離子水超聲處理進(jìn)行清潔，并用氮氣吹干，然后用雙面膠將其固定于玻璃器皿表面?zhèn)溆茫徊襟E2制備具有仿生反形貌的金表面用聚二甲基硅氧烷預(yù)聚體與交聯(lián)劑的混合物作為表面復(fù)制材料，復(fù)制上述生物葉片的生物模板表面織構(gòu)后，在真空干燥箱里加熱干燥，待聚二甲基硅氧烷混合物固化后，生物模板表面的反形貌就轉(zhuǎn)移到固化的聚二甲基硅氧烷混合物上；然后在將復(fù)制有生物模板反形貌的混合物上蒸鍍一層金膜，即得到具有生物葉片反形貌的仿生織構(gòu)金表面；步驟3制備具有仿生正形貌的金表面與步驟2方法相同，用聚二甲基硅氧烷預(yù)聚體與交聯(lián)劑的混合物作為表面復(fù)制材料，復(fù)制步驟1生物葉片的生物模板表面織構(gòu)，在真空干燥箱里加熱干燥，待聚二甲基硅氧烷混合物固化后，生物模板表面的正形貌就轉(zhuǎn)移到固化的聚二甲基硅氧烷混合物上；然后在將復(fù)制有生物模板正形貌的混合物上蒸鍍一層金膜，即得到具有生物葉片正形貌的仿生織構(gòu)金表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種仿生可控粘附性疏水金表面的制備方法，其特征是所 述的表面化學(xué)修飾法包括以下步驟步驟1 將仿生織構(gòu)金表面浸泡在無水乙醇溶液中，室溫下放置24小時；步驟2 將浸泡的仿生織構(gòu)金表面取出，放在干燥箱里加熱干燥；步驟3 用大量的無水乙醇沖洗加熱干燥后的金表面，用以去除其表面物理吸附的硫 醇分子，最后氮氣吹干，完成仿生織構(gòu)金表面的化學(xué)修飾。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種仿生可控粘附性疏水金表面的制備方法，其特征是所 述的生物材料的生物葉片為荷葉或水稻葉子。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種仿生可控粘附性疏水金表面的制備方法，其特征是所 述的軟印章技術(shù)法步驟2、步驟3中的作為復(fù)制材料的聚二甲基硅氧烷預(yù)聚體與交聯(lián)劑的 混合物的混合質(zhì)量比為10 1，所述在真空干燥箱里加熱干燥的處理溫度為70°C，處理時 間為10小時。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種仿生可控粘附性疏水金表面的制備方法，其特征是所 述的表面化學(xué)修飾法步驟2中放在干燥箱里加熱干燥的處理溫度為70°C，處理時間為3小 時。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種仿生可控粘附性疏水金表面的制備方法，其特征是所 述的表面化學(xué)修飾法步驟1中的無水乙醇溶液為癸基硫醇無水乙醇，其濃度為5mMol/L。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種仿生可控粘附性疏水金表面的制備方法，其特征是所 述的軟印章技術(shù)法步驟2、步驟3中蒸鍍的一層金膜，其厚度為lOOnm。全文摘要
本發(fā)明涉及一種仿生可控粘附性疏水金表面的制備方法，該方法包括以用自然界生物材料為模板，通過軟印章技術(shù)法和表面化學(xué)修飾法相結(jié)合，制備出具有可控粘附性的，并與生物原型表面微織構(gòu)相一致的疏水金表面，采用本發(fā)明方法獲得的表面微織構(gòu)是典型的微、納二元結(jié)構(gòu)。獲得了具有荷葉和水稻葉表面正、反形貌的微、納二元織構(gòu)的金表面。具有不同仿生微、納織構(gòu)的金表面對水滴表現(xiàn)出不同的粘附性，可以用于工程設(shè)計和仿生機(jī)器人等設(shè)計。正形貌微織構(gòu)的金表面，具有滾動性疏水性質(zhì)，反形貌的金表面，具有粘附性疏水性質(zhì)，可作為“機(jī)械手”實現(xiàn)微量液滴的無損運(yùn)輸、液體攜帶材料和生物微量溶液移液管等應(yīng)用。
文檔編號C23C14/22GK101942638SQ20101029937
公開日2011年1月12日 申請日期2010年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月30日
發(fā)明者曾志翔, 王立平, 薛群基, 趙文杰, 陳建敏 申請人:中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所