本發(fā)明涉及一種復(fù)合膜及其制備方法與應(yīng)用，尤其涉及一種基于氧化石墨烯的光驅(qū)動(dòng)雙層復(fù)合膜及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

微流控芯片是指通過(guò)微加工等技術(shù)手段將生物化學(xué)領(lǐng)域所涉及的各種操作分析功能集成在芯片材料上的微全分析系統(tǒng)，具有微型集成化、低成本、高效高速、試樣與試劑消耗低等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)境檢測(cè)與保護(hù)、生物醫(yī)學(xué)、食品衛(wèi)生等眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

微閥是在流動(dòng)通道內(nèi)對(duì)微流體起控制作用，實(shí)現(xiàn)流體通道的開(kāi)啟、閉合以及流體流向切換等功能的關(guān)鍵器件，是微流控系統(tǒng)最重要的部分之一。常規(guī)的微閥器件通常以硅片、玻璃等材料為基底，利用微加工手段加工而成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對(duì)微加工設(shè)備和技術(shù)要求高，加工難度較大且成本較高，與微流控系統(tǒng)的集成化不易實(shí)現(xiàn)。因此，研究易加工、易集成的新型微閥材料對(duì)整個(gè)微流控系統(tǒng)的發(fā)展具有重要的意義。

pdms(聚二甲基硅氧烷)作為一種無(wú)毒、廉價(jià)、易加工、光學(xué)透明的柔性彈性聚合物材料，在微流控芯片的制備方面得到了廣泛的應(yīng)用。然而，此pdms微閥也存在缺點(diǎn)，即氣動(dòng)動(dòng)力需要采用外置氣源和控制閥，外部設(shè)備體積較大，通常難以縮小和集成化。因而如何在保持簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的同時(shí)，采用更智能便利的驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)pdms微閥的開(kāi)關(guān)功能，是微閥發(fā)展中的一個(gè)關(guān)鍵研究目標(biāo)。

光驅(qū)動(dòng)智能材料的出現(xiàn)則有望在此問(wèn)題上獲得突破。光驅(qū)動(dòng)，是指在光的直接照射下，微觀分子會(huì)產(chǎn)生構(gòu)型，極性或者溫度的改變，從而導(dǎo)致宏觀材料發(fā)生形狀或者體積的變化。光驅(qū)動(dòng)具有遠(yuǎn)程的、無(wú)接觸的驅(qū)動(dòng)特性，且不會(huì)對(duì)材料造成損傷，而且光源設(shè)備的便攜性和微型集成化更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于如氣源等的其他外部設(shè)備，因此光驅(qū)動(dòng)材料適合于發(fā)展智能驅(qū)動(dòng)微閥。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述技術(shù)分析，本發(fā)明提供了一種基于氧化石墨烯的光驅(qū)動(dòng)雙層復(fù)合膜及其制備方法與應(yīng)用。

本發(fā)明的解決方案是：一種基于氧化石墨烯的光驅(qū)動(dòng)雙層復(fù)合膜，其包括：

pdms與貴金屬納米材料的混合物層，混合物層內(nèi)分散貴金屬納米材料；以及具有光學(xué)透明性的氧化石墨烯薄膜，平鋪固定在混合物層上；

其中，所述光驅(qū)動(dòng)雙層復(fù)合膜在光的照射下向發(fā)生彎曲變形。

作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述光為激光、或?yàn)殡療舢a(chǎn)生的模擬太陽(yáng)光、或?yàn)樘?yáng)光。

本發(fā)明還提供一種上訴基于氧化石墨烯的光驅(qū)動(dòng)雙層復(fù)合膜的制備方法，所述制備方法包括如下步驟：

1)制備具有光學(xué)透明性的氧化石墨烯薄膜：將氧化石墨烯粉體分散到溶液二中形成分散液，取分散液置于襯底上蒸發(fā)形成具有透明性的氧化石墨烯薄膜；

2)制備pdms與貴金屬納米材料的混合物：將貴金屬納米材料分散到溶劑一中，然后與pdms前驅(qū)體混合，充分?jǐn)嚢杌靹?；超聲或加熱使混合物中的有機(jī)溶劑完全揮發(fā)，隨后與pdms交聯(lián)劑以10：1的體積比混合，繼續(xù)攪拌，并在真空中去除氣泡，從而獲得pdms與貴金屬納米材料的混合物，混合物內(nèi)分散貴金屬納米材料；

3)制備雙層復(fù)合膜：將pdms與貴金屬納米材料的混合物旋涂在寡層的氧化石墨烯薄膜上，然后加熱，從而獲得所述光驅(qū)動(dòng)雙層復(fù)合薄膜。

作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述氧化石墨烯粉體為石墨烯的結(jié)構(gòu)骨架上含有各種含氧官能團(tuán)的二維平面材料，其含氧官能團(tuán)包括羥基、羧基或環(huán)氧鍵；溶劑二包括水、甲醇、乙醇、乙二醇、異丙醇中的一種或兩種及以上任意比例的混合物。

作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述襯底為玻璃、聚四氟乙烯、金屬、陶瓷、硅片中的一種；蒸發(fā)分散液所采用的溫度范圍為20～80℃。

作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述氧化石墨烯薄膜的厚度為0.5～20μm，且在400-800nm波段的透射率大于5％。

作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述貴金屬納米材料包括金納米線、金納米顆粒、銀納米線、銀納米顆粒、鉑納米線、鉑納米顆粒；溶劑一為水、乙醇、甲醇、乙二醇、異丙醇中的一種。

作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟3)中將pdms與貴金屬納米材料的混合物旋涂在寡層的氧化石墨烯薄膜上后，通過(guò)改變混合物的使用量以及旋涂的轉(zhuǎn)速和時(shí)間，使得最終pdms與貴金屬納米材料的混合層的厚度為30～300μm。

作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟3)中在30～80℃的溫度下加熱。

本發(fā)明還提供一種基于氧化石墨烯的光驅(qū)動(dòng)雙層復(fù)合膜在微流控芯片中的應(yīng)用，所述光驅(qū)動(dòng)雙層復(fù)合膜的兩端固定在所述微流控芯片的一側(cè)，且完全覆蓋所述微流控芯片的相應(yīng)側(cè)面上的至少一個(gè)通道，并在光的照射下向相應(yīng)通道內(nèi)彎曲，實(shí)現(xiàn)對(duì)此通道內(nèi)微流體的遠(yuǎn)程光控操縱。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：光驅(qū)動(dòng)雙層復(fù)合膜具有透明特性，在可見(jiàn)光的照射下可產(chǎn)生彎曲變形，響應(yīng)速度快；基于這些特性，光驅(qū)動(dòng)雙層復(fù)合膜可以被用于制備微流控芯片中的微閥。本發(fā)明在模擬太陽(yáng)光(50mw/cm²)的照射下，通過(guò)光-熱-機(jī)械在非對(duì)稱復(fù)合結(jié)構(gòu)下的耦合作用，會(huì)產(chǎn)生可控的彎曲變形(3.5mm)，具有透明性、柔性、形變程度大、可控性好、可遠(yuǎn)程操控等優(yōu)點(diǎn)，可被應(yīng)用于光驅(qū)動(dòng)柔性機(jī)械裝置、微流控芯片中的對(duì)微流控進(jìn)行控制的微閥裝置等。

附圖說(shuō)明

圖1為氧化石墨烯薄膜的截面掃描的電子顯微鏡圖。

圖2為基于氧化石墨烯的光驅(qū)動(dòng)雙層復(fù)合膜的光學(xué)圖。

圖3為基于氧化石墨烯的光驅(qū)動(dòng)雙層復(fù)合膜的變化過(guò)程示意圖。

圖4為基于氧化石墨烯的光驅(qū)動(dòng)雙層復(fù)合膜在光照下的彎曲形變位移曲線圖。

圖5為基于氧化石墨烯的光驅(qū)動(dòng)雙層復(fù)合膜作為微閥對(duì)微流控芯片的通道進(jìn)行控制的變化過(guò)程示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

請(qǐng)一并參閱圖1至圖4，本發(fā)明的基于氧化石墨烯的光驅(qū)動(dòng)雙層復(fù)合膜包括具有光學(xué)透明性的氧化石墨烯薄膜1、pdms與貴金屬納米材料的混合物層2?；旌衔飳?內(nèi)分散貴金屬納米材料3，氧化石墨烯薄膜1平鋪固定在混合物層2上，光驅(qū)動(dòng)雙層復(fù)合膜在光的照射下向發(fā)生彎曲變形。

本發(fā)明的光驅(qū)動(dòng)雙層復(fù)合膜主要應(yīng)用在微流控芯片中，請(qǐng)結(jié)合圖5，光驅(qū)動(dòng)雙層復(fù)合膜4的兩端固定在微流控芯片5的一側(cè)，且完全覆蓋微流控芯片5的相應(yīng)側(cè)面上的至少一個(gè)通道6，并在光的照射下向相應(yīng)通道6內(nèi)彎曲，實(shí)現(xiàn)對(duì)此通道6內(nèi)微流體的遠(yuǎn)程光控操縱。

本發(fā)明的基于氧化石墨烯的光驅(qū)動(dòng)雙層復(fù)合膜的制備方法，包括如下步驟。

1、制備具有光學(xué)透明性的氧化石墨烯薄膜。

可將氧化石墨烯粉體分散到溶劑二中形成分散液，取分散液置于襯底上低溫蒸發(fā)形成具有一定透明性的氧化石墨烯薄膜。

在本步驟中，所述的氧化石墨烯為石墨烯的結(jié)構(gòu)骨架上含有各種含氧官能團(tuán)的二維平面材料，其含氧官能團(tuán)包括羥基、羧基或環(huán)氧鍵。溶劑二包括水、甲醇、乙醇、乙二醇、異丙醇中的一種或兩種以上任意比例的混合物。

在本步驟中，所述取分散液置于襯底上蒸發(fā)溶劑，其中襯底為玻璃、聚四氟乙烯、金屬、陶瓷、硅片中的一種；蒸發(fā)溶劑所采用的溫度范圍為20～80℃；所形成的氧化石墨烯的厚度為0.5～20μm，在400-800nm波段的透射率大于5％。

具體的，將氧化石墨烯粉體倒入溶劑二中，超聲攪拌1h，制備成石墨烯分散液；取分散液置于襯底上蒸發(fā)溶劑形成具有一定透明性的氧化石墨烯薄膜。

2)制備pdms與貴金屬納米材料的混合物層。

將貴金屬納米材料分散到溶劑一中，然后與pdms前驅(qū)體混合，充分?jǐn)嚢杌靹?；超聲或加熱使混合物中的有機(jī)溶劑完全揮發(fā)，隨后與pdms交聯(lián)劑以10：1的體積比混合，繼續(xù)攪拌，并在真空中去除氣泡，從而獲得pdms與貴金屬納米材料的混合物。

在本步驟中，所述貴金屬納米材料包括金納米線、金納米顆粒、銀納米線、銀納米顆粒、鉑納米線、鉑納米顆粒；分散貴金屬納米材料所使用的溶劑一為水、乙醇、甲醇、乙二醇、異丙醇中的一種。

具體的，將貴金屬納米材料放入溶劑中，然后與pdms前驅(qū)體進(jìn)行混合，超聲攪拌1h，并加熱使得溶劑完全揮發(fā)；隨后與pdms交聯(lián)劑以10∶1的體積比進(jìn)行混合，超聲攪拌0.5h，并在真空中放置0.5h去除氣泡，從而獲得pdms與貴金屬納米材料的混合物。

3)制備雙層復(fù)合膜。

將pdms與金納米線的混合物旋涂在氧化石墨烯薄膜上，然后加熱，從而獲得光驅(qū)動(dòng)雙層復(fù)合薄膜。

在本步驟中，將pdms與貴金屬納米材料的混合物旋涂在寡層石墨烯薄膜上，其中通過(guò)改變混合物的使用量以及旋涂的轉(zhuǎn)速和時(shí)間，使得最終pdms與貴金屬納米材料的混合物層的厚度為30～300μm。

在本步驟中，光驅(qū)動(dòng)薄膜所施加的光源為激光、氙燈產(chǎn)生的模擬太陽(yáng)光、以及真實(shí)的太陽(yáng)光。

具體的，將pdms與貴金屬納米材料的混合物旋涂在寡層石墨烯薄膜上，在一定溫度下加熱使得pdms交流固化，從而形成光驅(qū)動(dòng)雙層復(fù)合薄膜。

實(shí)施例1

請(qǐng)參閱圖1至圖3，稱取150mg氧化石墨烯粉末分散與50ml水中，超聲分散1h，配置成濃度為3mg/ml的分散液。取3ml氧化石墨烯分散液放置到尺寸為75x25cm²玻璃襯底上，50℃低溫烘干后，獲得具有一定透明性的寡層氧化石墨烯薄膜1。之后，將10ml的0.3nm的金納米棒即貴金屬納米材料3(長(zhǎng)徑比為2)分散到0.2ml的乙醇中，并充分?jǐn)嚢?.5h；將該溶液加入3g的pdms前驅(qū)體中，超聲攪拌1h，在40度下加熱10分鐘用以蒸發(fā)乙醇，然后加入0.3g的pdms交聯(lián)劑，繼續(xù)超聲攪拌0.5h，從而獲得pdms與金納米棒的粘稠狀混合物即pdms與貴金屬納米材料的混合物。將表面附著有氧化石墨烯薄膜1的玻璃襯底固定在旋涂機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)上，在氧化石墨烯薄膜上滴1g的pdms與金納米棒的混合物，并以1000rpm×15s和3000rpm×1min兩步進(jìn)行甩膠，并在60度上加熱10個(gè)小時(shí)，從玻璃襯底上剝離，從而獲得石墨烯/pdms光驅(qū)動(dòng)雙層薄膜。通過(guò)掃描電鏡截面形貌圖(如圖1)，可以看到氧化石墨烯薄膜1在斷面處呈現(xiàn)出層狀結(jié)構(gòu)。石墨烯/pdms光驅(qū)動(dòng)雙層薄膜的光學(xué)圖片(圖2)表面了該薄膜具有一定的透明性。在光的照射下，該薄膜可以發(fā)生彎曲變形，其變形位移可達(dá)到3mm，如圖3、4所示。

基于這種光驅(qū)動(dòng)行為，該基于氧化石墨烯的光驅(qū)動(dòng)雙層復(fù)合膜可以被用來(lái)制作微流控芯片中的微閥裝置，這種裝置的一種設(shè)計(jì)原型如圖5所示。在圖5中，光驅(qū)動(dòng)雙層復(fù)合膜4的兩端固定在微流控芯片5的一側(cè)，且完全覆蓋微流控芯片5的相應(yīng)側(cè)面上的至少一個(gè)通道6，并在光的照射下向相應(yīng)通道6內(nèi)彎曲，實(shí)現(xiàn)對(duì)此通道6內(nèi)微流體的遠(yuǎn)程光控操縱。

綜上所述，該方法制備的光驅(qū)動(dòng)雙層復(fù)合膜在光的照射下，能產(chǎn)生可控的彎曲變形；基于光致變形特性，光驅(qū)動(dòng)雙層復(fù)合膜可以被集成到微流控芯片中用作微閥，配合微流控芯片用來(lái)控制微流體。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。