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飞秒激光制备水滴/气泡单向传输复合结构膜的方法研究

【摘要】:自然界中的物种经过亿万年的进化与选择,为了适应环境的变化,它们会进化成具有特殊润湿性的微纳米结构界面。因此,通过制备微纳米结构形成特定的润湿界面成为目前研究者们迫切需要解决的问题。本论文将飞秒激光微纳米加工技术和仿生设计原理相结合,根据相关的工程应用需求,设计出具有特殊润湿性的微纳结构区域。首先,分析了飞秒激光微纳米加工系统的主要组成部分;在此基础上,研究了飞秒激光脉冲能量、脉冲次数对铝箔表面烧蚀微孔孔径大小的映射规律;接着,探索了基于超亲水/超疏水的微孔阵列铝箔的水滴单向传输模型的设计与制备、基于亲水/超疏水(疏气/超亲气)的微孔阵列铝箔膜的气泡单向传输模型的设计与制备,并对水滴/气泡的单向传输机制进行了系统地研究。具体内容如下:(1)揭示了飞秒激光微纳米加工系统的主要组成结构;以飞秒激光与材料相互作用的多尺度理论为基础,研究了飞秒激光脉冲能量、脉冲次数对铝箔表面烧蚀微孔孔径大小的映射关系,实现了铝箔表面不同微孔阵列大小的可控制备。(2)结合目前流体操控中水滴单向渗透的发展现状及遇到的科学问题,提出了超亲水/超疏水双面神铝箔膜可用于水滴的单向传输。研究了不同结构及化学构成的微孔阵列铝箔对水的润湿状态。相比于双面超亲水膜或双面超疏水膜单一的渗透或拦截,超亲水/超疏水双面神膜展现了独特的水滴单向传输能力;水滴可以从超疏水的上表面向超亲水的下表面传输,但相反方向则是被阻止。并且分别对三种不同润湿性膜的拦截和渗透或者单向传输机理进行了分析。(3)结合目前气泡操控中气泡单向渗透的发展现状及遇到的科学问题,提出了亲水/超疏水(疏气/超亲气)双面神铝箔膜可用于气泡的单向传输。研究了亲水/超疏水(疏气/超亲气)双面神铝箔膜的加工方案,并利用飞秒激光钻孔、低表面能改性以及随后氟化移除技术进行制备;分析了铝箔表面微纳结构及化学元素含量对于水和气泡润湿状态的影响。与双面亲水膜或双面超疏水膜单一的拦截或渗透特性相比,双面神膜展现了独特的气泡单向传输能力。引入到亲水下表面的气泡可以自发地向超疏水的上表面移动,但在相反方向上则是被阻止。对单向输运过程进行了原位地监控,并对其物理机理进行了系统地研究。此外,还论证了气体参与的化学/物理过程的思想,如CO2注入到紫色石蕊溶液使其变色等,证明了双面神膜的实用性。本文中提出的基于飞秒激光加工的具有复合润湿性的铝箔在水滴单向传输和气泡单向传输领域有着独特的功能和效果,为工业应用例如液体精馏、微化学反应操作、先进分离、生物医学材料等领域提供了一种潜在的研究方案和设计思路。

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