CN104261342B - 电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动器件及制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动器件及制备方法和应用，涉及外场及结构驱动液体运动技术领域。本发明提供的所述定向运动器件包括参考电极、具有电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动特性的梯度结构材料基底芯片、控制电路和水溶性导电液体；所述的梯度结构材料基底芯片由导电控制电极和梯度结构材料膜构成；所述的定向运动器件可以应用于显示单元，在外场开关状态下，含色彩液体油定向运动，显示色彩或不显示色彩，不显示色彩时显示单元内不残存含色彩液体油。所述制备方法是指在导电控制电极表面制备梯度孔、梯度球或梯度管结构；应用本发明提供的器件进行液体驱动可以实现连续驱动、方便控制、易于构筑。
Description
技术领域
本发明涉及外场及结构驱动液体运动技术领域，特别涉及电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动器件及制备方法和应用。
背景技术
液体的定向运动在水收集、防雾、防油污、防覆冰、定向运动催化、油墨印刷、显示技术等微流体器件以及生物医药方面具有重要的科学研究意义和广泛的应用前景。研究人员已经实现了通过表面能驱动液体微尺度的方向性运动。其中制备梯度表面能表面，即沿着特定方向具有化学组成或物理结构递变以形成表面能梯度的表面，得到了广泛研究(详见参考文献[1]:S.Daniel,M.K.Chaudhury,J.C.Chen,Science2001,291,633-636；参考文献[2]:S.W.Lee,P.E.Laibinis,J.Am.Chem.Soc.2000,122,5395-5396；参考文献[3]:F.Lugli,G.Fioravanti,D.Pattini,L.Pasquali,M.Montecchi,D.Gentili,M.Murgia,Z.Hemmatian,F.Zerbetto,Adv.Func.Mater.2013,23,5543-5549；参考文献[4]:J.Ju,K.Xiao,X.Yao,H.Bai,L.Jiang,Adv.Mater.2013,25,5937-42.)。但是单一梯度表面能驱动液体运动需要克服表面对液体的粘滞力，这导致很多运动不能发生。另外一个实现液体定向运动的重要的方法是通过在均匀表面上引入外部能量，如热、光、磁、电等。其中电场诱导液体定向运动具有响应速度快、易于控制的优点，但是电路设计复杂(详见参考文献[5]:R.A.Hayes,B.J.Feenstra,Nature425,383-385；参考文献[6]:J.Heikenfeld,K.Zhou,E.Kreit,B.Raj,S.Yang,B.Sun,A.Milarcik,L.Clapp,R.Schwartz,NaturePhotonics2009,3,292-296；参考文献[7]:G.McHale,C.V.Brown,N.Sampara,Nat.Commun.2013,4,1605-1612；参考文献[8]:M.R.Powell,L.Cleary,M.Davenport,K.J.Shea,Z.S.Siwy,Nat.Nanotechnol.2011,6,798-802.)。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动器件。
本发明的再一目的是提供电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动器件的应用。
本发明的还一目的是提供梯度结构材料基底芯片的制备方法。
本发明提供的电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动器件，包括参考电极、具有电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动特性的梯度结构材料基底芯片、控制电路和水溶性导电液体。
所述的具有电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动特性的梯度结构材料基底芯片由导电控制电极和梯度结构材料膜构成；所述的梯度结构材料膜是在导电控制电极表面制备的具有电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动特性的微结构膜；
所述的梯度结构材料膜可以进行周期性制备，在周期性梯度结构材料膜表面可以实现水下油滴的定向连续运动。
所述的导电控制电极与参考电极的一端通过带有开关的控制电路进行电连接，参考电极的另一端与导电液体进行电连接；
所述的梯度结构材料膜的微结构是尺度范围为微米到微米尺度、微米到纳米尺度、纳米到纳米尺度的梯度变化结构，为孔状结构、球状结构、管状结构、柱状结构或颗粒状结构中的任意一种；
上述方法制得的梯度结构材料膜中，所述的梯度变化结构包括梯度孔、梯度球和梯度管，其中梯度孔的孔径在10μm到0.6μm之间，梯度球直径在1μm到10nm之间，梯度管管径在200μm到0.2μm之间。
所述的梯度结构材料膜材料选自聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、聚酰亚胺或聚氨酯等中的一种或几种的复合体。
所述的导电控制电极的导电层选自ITO玻璃(氧化铟锡透明导电玻璃)、FTO玻璃(氟掺杂的氧化锡透明导电玻璃)、AZO玻璃(铝掺杂的氧化锌透明导电玻璃)、铜和铝等导电材料中的任意一种。
所述的应用于显示器件的水溶性导电液体的电解质是本领域常用的电解质材料，如0.001-0.1mol/LNaCl、K2SO4、KCl、KNO3或NaClO4的水溶液等中任意一种。
所述的应用于显示器件的油的种类为液体石蜡、环己烷C6H12、正十二烷CH3(CH2)10CH3、溴代十二烷C12H25Br、液晶材料等中的任意一种。
所述的应用于显示器件的油中添加的油溶性染料为溶剂红164、溶剂红132、溶剂蓝70、溶剂蓝45、溶剂绿7、溶剂绿5等中的任意一种。
本发明的电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动器件的应用：在电场及梯度结构协同作用下，在水下，所述定向运动器件表面的油滴会沿着梯度方向定向运动，这种定向运动主要是由液滴两端不平衡的表面张力驱动的，可以应用于微流体驱动尤其是微控流体显示领域，在能源、生物科技、微型传感器等领域具有重要应用价值。
本发明的电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动器件的优点：具有易于构筑、持续驱动、方便控制的优点，可以通过电场和梯度结构协同驱动水下油定向运动。
本发明的电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动器件应用于显示单元的优点：在外场开关状态下，含色彩液体油定向运动，显示色彩或不显示色彩，不显示色彩时显示单元内不残存含色彩液体油。
本发明的电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动器件中的具有电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动特性的梯度结构材料基底芯片是由以下方法制备得到的：
(1)将ITO玻璃、FTO玻璃或铜片等导电材料中的任意一种清洗干净，干燥，作为导电控制电极；
(2)在导电控制电极表面制备梯度孔、梯度球或梯度管结构；
所述的导电控制电极上的梯度结构材料膜的微结构为聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、聚酰亚胺、聚氨酯的梯度孔、梯度球或梯度管结构；
(2.1)在导电控制电极表面制备聚苯乙烯梯度孔结构的方法为：在步骤(1)清洗干净的导电控制电极上浸渍提拉浓度为2～20wt％的聚苯乙烯的四氢呋喃溶液，提拉过程中控制导电控制电极表面的相对湿度由95％递减到35％，待溶剂自然挥发即形成聚苯乙烯梯度孔结构。
(2.2)在导电控制电极表面制备聚苯乙烯梯度球结构的方法为：在步骤(1)清洗干净的导电控制电极上旋涂质量分数为0.01～1wt％的聚苯乙烯微球(微球直径10nm)乙醇溶液中，形成聚苯乙烯薄膜，50℃真空加热24h以除去残余溶剂。在氮气气氛中，将上述薄膜的一端在150℃加热2～48h，另一端保持室温，即形成聚苯乙烯梯度球结构。
(2.3)在导电控制电极表面制备聚苯乙烯梯度管结构的方法为：在步骤(1)清洗干净的导电控制电极上放置一个聚苯乙烯薄片，用孔径为0.2μm的氧化铝薄膜覆盖在聚苯乙烯薄片上，施加500Pa的压力，一端加热至200℃，另一端保持室温，加热3～10h,然后冷却到室温，放入10wt％的NaOH溶液中浸泡24h。然后用去离子水冲洗并用氮气干燥。即形成聚苯乙烯梯度管结构。
(2.4)在导电控制电极表面制备聚甲基丙烯酸甲酯梯度孔结构的方法为：在步骤(1)清洗干净的导电控制电极上浸渍提拉浓度为2～20wt％的聚甲基丙烯酸甲酯的四氢呋喃溶液，提拉过程中用一定湿度的空气吹扫提拉出的薄膜，相对湿度由95％递减到35％，待溶剂自然挥发即形成聚甲基丙烯酸甲酯梯度孔结构。
(2.5)在导电控制电极表面制备聚甲基丙烯酸甲酯梯度球结构的方法为：在步骤(1)清洗干净的导电控制电极旋涂质量分数为0.01～1wt％的聚甲基丙烯酸甲酯微球(直径10nm)乙醇溶液中，形成聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，50℃真空加热24h以除去残余溶剂。在氮气气氛中，将上述薄膜的一端在150℃加热2～48h，另一端保持室温，即形成聚甲基丙烯酸甲酯梯度球结构。
(2.6)在导电控制电极表面制备聚甲基丙烯酸甲酯梯度管结构的方法为：将步骤(1)清洗干净的导电控制电极上放置一个聚甲基丙烯酸甲酯薄片，用孔径为0.2μm的氧化铝薄膜覆盖在聚甲基丙烯酸甲酯薄片上，施加500Pa的压力，一端加热至200℃，另一端保持室温，加热3～10h,然后冷却到室温，放入10wt％的NaOH溶液中浸泡24h。然后用去离子水冲洗并用氮气干燥。即形成聚甲基丙烯酸甲酯梯度管结构。
(2.7)在导电控制电极表面制备聚氨酯梯度孔结构的方法为：将固含量为27wt％的聚氨酯加入圆底烧瓶中，然后称取聚氨酯质量的3wt％的致孔剂尿素放入小烧杯，加入质量比为1:1的丁酮和二甲基甲酰胺DMF中搅拌均匀后倒入圆底烧瓶，将聚氨酯的质量分数降低到20％，随后将圆底烧瓶置于60℃油浴中，充分搅拌并冷凝回流20min后，在油浴中静置10min，得到聚氨酯溶液备用。将步骤(1)清洗干净的导电控制电极上均匀涂覆此聚氨酯溶液，一端加热至150℃，一端保持室温，静置10min。然后加入DMF的凝固浴中7min，最后放入60～80℃的热水中水洗，3h后取出，在30℃的烘箱中烘干。
上述方法制得的梯度结构材料膜中梯度孔的孔径在10μm到0.6μm之间，梯度球直径在1μm到10nm之间，梯度管管径在200μm到0.2μm之间。
步骤(1)所述的清洗是分别通过去离子水、丙酮、乙醇和去离子水进行超声洗涤；进一步地，可以先用常用洗涤灵进行清洗。所述的干燥可在30～80℃烘烤1～10小时。
所述的导电控制电极选自ITO玻璃(氧化铟锡透明导电玻璃)、FTO玻璃(氟掺杂的氧化锡透明导电玻璃)、AZO玻璃(铝掺杂的氧化锌透明导电玻璃)、铜、铝等导电材料中的任意一种。
本发明的优点在于：
(1)本发明的电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动器件提供了一种具有电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动特性的梯度结构材料基底芯片，这种梯度结构材料基底芯片具有电场驱动水下油定向运动的性质，由此实现了通过电场和梯度结构协同驱动水下油定向运动。
(2)应用本发明提供的器件进行液体驱动可以实现连续驱动、方便控制、易于构筑。
(3)本发明的电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动器件应用于显示单元时，在外场开关状态下，含色彩液体油定向运动，显示色彩或不显示色彩，不显示色彩时显示单元内不残存含色彩液体油。
附图说明
图1为本发明提供的具有电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动特性的梯度结构材料基底芯片的运动机理示意图，其中L代表尺度较大的一端，S代表尺度较小的一端。
图2a和图2b为本发明中电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动器件应用于显示单元——像素调制器原理图，其中，
图2a为施加电压时，梯度结构材料膜开始疏油，油单向运动到液体储存池时的状态。
图2b为撤去电压，梯度结构材料膜恢复亲油状态，油自动从液体储存池出来的状态。
图中：
1.导电控制电极；2.梯度结构材料膜；3.油；4.水溶性导电液体；
5.挡板；6.参考电极；7.开关；8.控制电路；
21.梯度孔结构；22.梯度球结构；23.梯度管结构；
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的说明。
实施例1
请参见图1，本发明的具有电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动特性的梯度结构材料基底芯片包括导电控制电极1和梯度结构材料膜2。将电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动器件放在水溶性导电液体4中，在其表面滴加油滴。随着电压的施加并不断增大，油3的接触角不断变大并开始沿着梯度结构材料膜2的梯度方向运动(L代表微结构尺度较大方向，S代表微结构尺度较小方向)。
图2a，本发明的电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动器件应用于显示单元——像素调制器，所述的像素调制器包括参考电极6、具有电场及梯度协同驱动水下油定向运动特性的梯度结构材料基底芯片、水溶性导电液体4、相应的控制电路8。所述的导电控制电极1与参考电极6的一端通过带有开关7的控制电路8进行电连接，参考电极6的另一端与水溶性导电液体4进行电连接。
所述的电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动的特性，是由于梯度结构材料膜2的结构特性以及其在施加电压的情况下浸润性发生改变的特性引起的。
所述的梯度结构材料膜2中的梯度孔结构21的梯度孔的孔径在10μm到0.6μm之间，梯度球直径在1μm到10nm之间，梯度管管径在200μm到0.2μm之间。
所述的梯度结构材料膜材料为聚苯乙烯。
优选的，所述的梯度孔结构21中的梯度孔的孔径变化范围为2μm～0.6μm。
所述的梯度结构材料基底芯片中梯度结构材料膜2是由以下方法制备得到的，具体包括以下几个步骤：
(1)将导电控制电极1清洗干净并在80℃条件下烘烤1小时干燥，所述的导电控制电极为ITO玻璃；
(2)在步骤(1)中清洗干净的导电控制电极上浸渍提拉浓度为2wt％的聚苯乙烯的四氢呋喃溶液，提拉过程中控制基底表面的相对湿度由95％递减到35％，待溶剂自然挥发即形成聚苯乙烯梯度孔结构。
将上述的具有聚苯乙烯梯度孔结构薄膜的导电控制电极1与参考电极6和控制电路8连接，组成电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动器件，步骤如下：
如图2a所示，选取0.001mol/L的KCl水溶液作为电解质，液体石蜡作为油，在液体石蜡中加入油溶性的染料溶剂红164染色。闭合控制电路8的开关7，对聚苯乙烯梯度孔结构薄膜施加电压，随电压的增大，上层液体受电场驱动力，梯度结构材料膜2由疏水状态转变为亲水状态，水溶液挤压膜表面的油3，梯度结构材料膜2表面由亲油状态转变为疏油状态，梯度结构材料膜2表面的油沿着梯度方向(微结构尺度较大方向到微结构尺度较小方向)单向驱动到液体储存池中。撤去电压，如图2b所示，上层液体失去电场驱动力，梯度结构材料膜2恢复初始的亲油状态，由于下层液体的挤压力，液体自动从液体储存池定向运动到初始状态，从而实现调控像素单元显示的变化。这种电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动可以作为显示器件应用。
实施例2
其他步骤同实施例1。
所述的梯度结构材料膜材料为聚苯乙烯。
所述的组成梯度孔结构21中的梯度孔的孔径变化范围为10μm～1μm。
所述的梯度结构材料基底芯片中梯度结构材料膜是由以下方法制备得到的，具体包括以下几个步骤：
(1)将导电控制电极清洗干净并在80℃条件下烘烤1小时干燥，所述的导电控制电极为ITO玻璃；
(2)在步骤(1)中清洗干净的导电控制电极上浸渍提拉浓度为20wt％的聚苯乙烯的四氢呋喃溶液，提拉过程中控制基底表面的相对湿度由95％递减到35％，待溶剂自然挥发即形成聚苯乙烯梯度孔结构。
将上述的具有聚苯乙烯梯度孔结构薄膜的导电控制电极1与参考电极6和控制电路8连接，组成电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动器件，步骤如下：
如图2a所示，选取0.001mol/L的NaClO4水溶液作为电解质，环己烷C6H12作为油，在环·己烷C6H12中加入油溶性的染料溶剂蓝70染色。闭合控制电路8的开关7，对聚苯乙烯梯度孔结构薄膜施加电压，随电压的增大，上层液体受电场驱动力，梯度结构材料膜由疏水状态转变为亲水状态，水溶液挤压膜表面的油，梯度结构材料膜表面由亲油状态转变为疏油状态，梯度结构材料膜表面的油沿着梯度方向(微结构尺度较大方向到微结构尺度较小方向)单向驱动到液体储存池中。撤去电压，如图2b所示，上层液体失去电场驱动力，梯度结构材料膜恢复初始的亲油状态，由于下层液体的挤压力，液体自动从液体储存池定向运动到初始状态，从而实现调控像素单元显示的变化。这种电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动可以作为显示器件应用。
实施例3
其他步骤同实施例1。
所述的梯度结构材料膜材料为聚苯乙烯。
所述的组成梯度球结构22中的梯度球的直径变化范围为500nm～10nm。
所述的梯度结构材料基底芯片中梯度结构材料膜是由以下方法制备得到的，具体包括以下几个步骤：
(1)将导电控制电极清洗干净并在80℃条件下烘烤1小时干燥，所述的导电控制电极为ITO玻璃；
(2)在步骤(1)清洗干净的导电控制电极上旋涂质量分数为0.01wt％的聚苯乙烯微球(直径～10nm)乙醇溶液中，形成聚苯乙烯薄膜，50℃真空加热24h以除去残余溶剂。在氮气气氛中，将上述薄膜的一端在150℃加热2h，另一端保持室温，即形成聚苯乙烯梯度球结构。
将上述的具有聚苯乙烯梯度球结构薄膜的导电控制电极1与参考电极6和控制电路8连接，组成电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动器件，步骤如下：
如图2a所示，选取0.001mol/LNaCl水溶液作为电解质，溴代十二烷C12H25Br作为油，在溴代十二烷C12H25Br中加入油溶性的染料溶剂绿7染色。闭合控制电路8的开关7，对聚苯乙烯梯度球结构薄膜施加电压，随电压的增大，上层液体受电场驱动力，梯度结构材料膜由疏水状态转变为亲水状态，水溶液挤压膜表面的油，梯度结构材料膜表面由亲油状态转变为疏油状态，梯度结构材料膜表面的油沿着梯度方向(微结构尺度较大方向到微结构尺度较小方向)单向驱动到液体储存池中。撤去电压，如图2b所示，上层液体失去电场驱动力，梯度结构材料膜恢复初始的亲油状态，由于下层液体的挤压力，液体自动从液体储存池定向运动到初始状态，从而实现调控像素单元显示的变化。这种电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动可以作为显示器件应用。
实施例4
其他步骤同实施例1。
所述的梯度结构材料膜材料为聚苯乙烯。
所述的组成梯度球结构22中的梯度球的直径变化范围为1μm～10nm。
所述的梯度结构材料基底芯片中梯度结构材料膜是由以下方法制备得到的，具体包括以下几个步骤：
(1)将导电控制电极清洗干净并在80℃条件下烘烤1小时干燥，所述的导电控制电极为ITO玻璃；
(2)在步骤(1)清洗干净的导电控制电极上旋涂质量分数为1wt％的聚苯乙烯微球(直径～10nm)乙醇溶液中，形成聚苯乙烯薄膜，50℃真空加热24h以除去残余溶剂。在氮气气氛中，将上述薄膜的一端在150℃加热48h，另一端保持室温，即形成聚苯乙烯梯度球结构。
将上述的具有聚苯乙烯梯度球结构薄膜的导电控制电极1与参考电极6和控制电路8连接，组成电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动器件，步骤如下：
如图2a所示，选取0.001mol/L的K2SO4作为电解质，正十二烷CH3(CH2)10CH3作为油，在正十二烷CH3(CH2)10CH3中加入油溶性的染料溶剂红132染色。闭合控制电路8的开关7，对聚苯乙烯梯度球结构薄膜施加电压，随电压的增大，上层液体受电场驱动力，梯度结构材料膜由疏水状态转变为亲水状态，水溶液挤压膜表面的油，梯度结构材料膜表面由亲油状态转变为疏油状态，梯度结构材料膜表面的油沿着梯度方向(微结构尺度较大方向到微结构尺度较小方向)单向驱动到液体储存池中。撤去电压，如图2b所示，上层液体失去电场驱动力，梯度结构材料膜恢复初始的亲油状态，由于下层液体的挤压力，液体自动从液体储存池定向运动到初始状态，从而实现调控像素单元显示的变化。这种电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动可以作为显示器件应用。
实施例5
其他步骤同实施例1。
所述的梯度结构材料膜材料为聚苯乙烯。
所述的组成梯度管结构23中的梯度管的管径变化范围为50μm～0.2μm。
所述的梯度结构材料基底芯片中梯度结构材料膜是由以下方法制备得到的，具体包括以下几个步骤：
(1)将导电控制电极清洗干净并在80℃条件下烘烤1小时干燥，所述的导电控制电极为ITO玻璃；
(2)在步骤(1)清洗干净的导电控制电极上放置一个聚苯乙烯薄片，用孔径为0.2μm的氧化铝薄膜覆盖在聚苯乙烯薄片上，施加500Pa的压力，一端加热至200℃，另一端保持室温，加热3h,然后冷却到室温，放入10wt％的NaOH溶液中浸泡24h。然后用去离子水冲洗并用氮气干燥。即形成聚苯乙烯梯度管结构。
将上述的具有聚苯乙烯梯度管结构薄膜的导电控制电极1与参考电极6和控制电路8连接，组成电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动器件，步骤如下：
如图2a所示，选取0.001mol/L的K2SO4水溶液作为电解质，液晶材料作为油，在液晶材料中加入油溶性的染料溶剂蓝45染色。闭合控制电路8的开关7，对聚苯乙烯梯度管结构薄膜施加电压，随电压的增大，上层液体受电场驱动力，梯度结构材料膜由疏水状态转变为亲水状态，水溶液挤压膜表面的油，梯度结构材料膜表面由亲油状态转变为疏油状态，梯度结构材料膜表面的油沿着梯度方向(微结构尺度较大方向到微结构尺度较小方向)单向驱动到液体储存池中。撤去电压，如图2b所示，上层液体失去电场驱动力，梯度结构材料膜恢复初始的亲油状态，由于下层液体的挤压力，液体自动从液体储存池定向运动到初始状态，从而实现调控像素单元显示的变化。这种电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动可以作为显示器件应用。
实施例6
其他步骤同实施例1。
所述的梯度结构材料膜材料为聚苯乙烯。
所述的组成梯度管结构23中的梯度管的管径变化范围为200μm～0.2μm。
所述的梯度结构材料基底芯片中梯度结构材料膜是由以下方法制备得到的，具体包括以下几个步骤：
(1)将导电控制电极清洗干净并在80℃条件下烘烤1小时干燥，所述的导电控制电极为ITO玻璃；
(2)在步骤(1)清洗干净的导电控制电极上放置一个聚苯乙烯薄片，用孔径为～0.2μm的氧化铝薄膜覆盖在聚苯乙烯薄片上，施加500Pa的压力，一端加热至200℃，另一端保持室温，加热10h,然后冷却到室温，放入10wt％的NaOH溶液中浸泡24h。然后用去离子水冲洗并用氮气干燥。即形成聚苯乙烯梯度管结构。
将上述的具有聚苯乙烯梯度管结构薄膜的导电控制电极1与参考电极6和控制电路8连接，组成电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动器件，步骤如下：
如图2a所示，选取0.1mol/L的KCl水溶液作为电解质，正十二烷CH3(CH2)10CH3作为油，在正十二烷CH3(CH2)10CH3中加入油溶性的染料溶剂绿5染色。闭合控制电路8的开关7，对聚苯乙烯梯度管结构薄膜施加电压，随电压的增大，上层液体受电场驱动力，梯度结构材料膜由疏水状态转变为亲水状态，水溶液挤压膜表面的油，梯度结构材料膜表面由亲油状态转变为疏油状态，梯度结构材料膜表面的油沿着梯度方向(微结构尺度较大方向到微结构尺度较小方向)单向驱动到液体储存池中。撤去电压，如图2b所示，上层液体失去电场驱动力，梯度结构材料膜恢复初始的亲油状态，由于下层液体的挤压力，液体自动从液体储存池定向运动到初始状态，从而实现调控像素单元显示的变化。这种电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动可以作为显示器件应用。
实施例7
其他步骤同实施例1。
所述的梯度结构材料膜材料为聚甲基丙烯酸甲酯。
所述的组成梯度孔结构21中的梯度孔的孔径变化范围为2μm～0.6μm。
所述的梯度结构材料基底芯片中梯度结构材料膜是由以下方法制备得到的，具体包括以下几个步骤：
(1)将导电控制电极清洗干净并在80℃条件下烘烤1小时干燥，所述的导电控制电极为ITO玻璃；
(2)在步骤(1)中清洗干净的导电控制电极上浸渍提拉浓度为2wt％的聚甲基丙烯酸甲酯的四氢呋喃溶液，提拉过程中控制基底表面的相对湿度由95％递减到35％，待溶剂自然挥发即形成聚甲基丙烯酸甲酯梯度孔结构。
将上述的具有聚甲基丙烯酸甲酯梯度孔结构薄膜的导电控制电极1与参考电极6和控制电路8连接，组成电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动器件，步骤如下：
如图2a所示，选取0.1mol/L的NaClO4水溶液作为电解质，液体石蜡作为油，在液体石蜡中加入油溶性的染料溶剂红164染色。闭合控制电路8的开关7，对聚甲基丙烯酸甲酯梯度孔结构薄膜施加电压，随电压的增大，上层液体受电场驱动力，梯度结构材料膜由疏水状态转变为亲水状态，水溶液挤压膜表面的油，梯度结构材料膜表面由亲油状态转变为疏油状态，梯度结构材料膜表面的油沿着梯度方向(微结构尺度较大方向到微结构尺度较小方向)单向驱动到液体储存池中。撤去电压，如图2b所示，上层液体失去电场驱动力，梯度结构材料膜恢复初始的亲油状态，由于下层液体的挤压力，液体自动从液体储存池定向运动到初始状态，从而实现调控像素单元显示的变化。这种电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动可以作为显示器件应用。
实施例8
其他步骤同实施例1。
所述的梯度结构材料膜材料为聚甲基丙烯酸甲酯。
所述的组成梯度孔结构21中的梯度孔的孔径变化范围为10μm～1μm。
所述的梯度结构材料基底芯片中梯度结构材料膜是由以下方法制备得到的，具体包括以下几个步骤：
(1)将导电控制电极清洗干净并在80℃条件下烘烤1小时干燥，所述的导电控制电极为ITO玻璃；
(2)在步骤(1)中清洗干净的导电控制电极上浸渍提拉浓度为20wt％的聚甲基丙烯酸甲酯的四氢呋喃溶液，提拉过程中控制基底表面的相对湿度由95％递减到35％，待溶剂自然挥发即形成聚甲基丙烯酸甲酯梯度孔结构。
将上述的具有聚甲基丙烯酸甲酯梯度孔结构薄膜的导电控制电极1与参考电极6和控制电路8连接，组成电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动器件，步骤如下：
如图2a所示，选取0.1mol/L的KNO3水溶液作为电解质，溴代十二烷C12H25Br作为油，在溴代十二烷C12H25Br中加入油溶性的染料溶剂蓝70染色(通常为三基色，红绿蓝)。闭合控制电路8的开关7，对聚甲基丙烯酸甲酯梯度孔结构薄膜施加电压，随电压的增大，上层液体受电场驱动力，梯度结构材料膜由疏水状态转变为亲水状态，水溶液挤压膜表面的油，梯度结构材料膜表面由亲油状态转变为疏油状态，梯度结构材料膜表面的油沿着梯度方向(微结构尺度较大方向到微结构尺度较小方向)单向驱动到液体储存池中。撤去电压，如图2b所示，上层液体失去电场驱动力，梯度结构材料膜恢复初始的亲油状态，由于下层液体的挤压力，液体自动从液体储存池定向运动到初始状态，从而实现调控像素单元显示的变化。这种电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动可以作为显示器件应用。
实施例9
其他步骤同实施例1。
所述的梯度结构材料膜材料为聚甲基丙烯酸甲酯。
所述的组成梯度球结构22中的梯度球的直径变化范围为500nm～10nm。
所述的梯度结构材料基底芯片中梯度结构材料膜是由以下方法制备得到的，具体包括以下几个步骤：
(1)将导电控制电极清洗干净并在80℃条件下烘烤1小时干燥，所述的导电控制电极为ITO玻璃；
(2)在步骤(1)清洗干净的导电控制电极上旋涂质量分数为0.01wt％的聚甲基丙烯酸甲酯微球(直径～10nm)乙醇溶液中，形成聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，50℃真空加热24h以除去残余溶剂。在氮气气氛中，将上述薄膜的一端在150℃加热2h，另一端保持室温，即形成聚甲基丙烯酸甲酯梯度球结构。
将上述的具有聚甲基丙烯酸甲酯梯度球结构薄膜的导电控制电极1与参考电极6和控制电路8连接，组成电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动器件，步骤如下：
如图2a所示，选取0.1mol/L的KCl水溶液作为电解质，溴代十二烷C12H25Br作为油，在溴代十二烷C12H25Br中加入油溶性的染料溶剂绿7染色。闭合控制电路8的开关7，对聚甲基丙烯酸甲酯梯度球结构薄膜施加电压，随电压的增大，上层液体受电场驱动力，梯度结构材料膜由疏水状态转变为亲水状态，水溶液挤压膜表面的油，梯度结构材料膜表面由亲油状态转变为疏油状态，梯度结构材料膜表面的油沿着梯度方向(微结构尺度较大方向到微结构尺度较小方向)单向驱动到液体储存池中。撤去电压，如图2b所示，上层液体失去电场驱动力，梯度结构材料膜恢复初始的亲油状态，由于下层液体的挤压力，液体自动从液体储存池定向运动到初始状态，从而实现调控像素单元显示的变化。这种电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动可以作为显示器件应用。
实施例10
其他步骤同实施例1。
所述的梯度结构材料膜材料为聚甲基丙烯酸甲酯。
所述的组成梯度球结构22中的梯度球的直径变化范围为1μm～10nm。
所述的梯度结构材料基底芯片中梯度结构材料膜是由以下方法制备得到的，具体包括以下几个步骤：
(1)将导电控制电极清洗干净并在80℃条件下烘烤1小时干燥，所述的导电控制电极为ITO玻璃；
(2)在步骤(1)清洗干净的导电控制电极上旋涂质量分数为1wt％的聚甲基丙烯酸甲酯微球(直径～10nm)乙醇溶液中，形成聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，50℃真空加热24h以除去残余溶剂。在氮气气氛中，将上述薄膜的一端在150℃加热48h，另一端保持室温，即形成聚甲基丙烯酸甲酯梯度球结构。
将上述的具有聚甲基丙烯酸甲酯梯度球结构薄膜的导电控制电极1与参考电极6和控制电路8连接，组成电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动器件，步骤如下：
如图2a所示，选取0.1mol/LNaCl水溶液作为电解质，液体石蜡作为油，在液体石蜡中加入油溶性的染料溶剂红132染色。闭合控制电路8的开关7，对聚甲基丙烯酸甲酯梯度球结构薄膜施加电压，随电压的增大，上层液体受电场驱动力，梯度结构材料膜由疏水状态转变为亲水状态，水溶液挤压膜表面的油，梯度结构材料膜表面由亲油状态转变为疏油状态，梯度结构材料膜表面的油沿着梯度方向(微结构尺度较大方向到微结构尺度较小方向)单向驱动到液体储存池中。撤去电压，如图2b所示，上层液体失去电场驱动力，梯度结构材料膜恢复初始的亲油状态，由于下层液体的挤压力，液体自动从液体储存池定向运动到初始状态，从而实现调控像素单元显示的变化。这种电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动可以作为显示器件应用。
实施例11
其他步骤同实施例1。
所述的梯度结构材料膜材料为聚甲基丙烯酸甲酯。
所述的组成梯度管结构23中的梯度管的管径变化范围为50μm～0.2μm。
所述的梯度结构材料基底芯片中梯度结构材料膜是由以下方法制备得到的，具体包括以下几个步骤：
(1)将导电控制电极清洗干净并在80℃条件下烘烤1小时干燥，所述的导电控制电极为ITO玻璃；
(2)在步骤(1)清洗干净的导电控制电极上放置一个聚甲基丙烯酸甲酯薄片，用孔径为～0.2μm的氧化铝薄膜覆盖在聚甲基丙烯酸甲酯薄片上，施加～500Pa的压力，一端加热至200℃，另一端保持室温，加热3h,然后冷却到室温，放入10wt％的NaOH溶液中浸泡24h。然后用去离子水冲洗并用氮气干燥。即形成聚甲基丙烯酸甲酯梯度管结构。
将上述的具有聚甲基丙烯酸甲酯梯度管结构薄膜的导电控制电极1与参考电极6和控制电路8连接，组成电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动器件，步骤如下：
如图2a所示，选取0.1mol/L的NaClO4水溶液作为电解质，溴代十二烷C12H25Br作为油，在溴代十二烷C12H25Br中加入油溶性的染料溶剂蓝45染色。闭合控制电路8的开关7，对聚甲基丙烯酸甲酯梯度管结构薄膜施加电压，随电压的增大，上层液体受电场驱动力，梯度结构材料膜由疏水状态转变为亲水状态，水溶液挤压膜表面的油，梯度结构材料膜表面由亲油状态转变为疏油状态，梯度结构材料膜表面的油沿着梯度方向(微结构尺度较大方向到微结构尺度较小方向)单向驱动到液体储存池中。撤去电压，如图2b所示，上层液体失去电场驱动力，梯度结构材料膜恢复初始的亲油状态，由于下层液体的挤压力，液体自动从液体储存池定向运动到初始状态，从而实现调控像素单元显示的变化。这种电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动可以作为显示器件应用。
实施例12
其他步骤同实施例1。
所述的梯度结构材料膜材料为聚甲基丙烯酸甲酯。
所述的组成梯度管结构23中的梯度管的管径变化范围为200μm～0.2μm。
所述的梯度结构材料基底芯片中梯度结构材料膜是由以下方法制备得到的，具体包括以下几个步骤：
(1)将导电控制电极清洗干净并在80℃条件下烘烤1小时干燥，所述的导电控制电极为ITO玻璃；
(2)在步骤(1)清洗干净的导电控制电极上放置一个聚甲基丙烯酸甲酯薄片，用孔径为～0.2μm的氧化铝薄膜覆盖在聚甲基丙烯酸甲酯薄片上，施加～500Pa的压力，一端加热至200℃，另一端保持室温，加热10h,然后冷却到室温，放入10wt％的NaOH溶液中浸泡24h。然后用去离子水冲洗并用氮气干燥。即形成聚甲基丙烯酸甲酯梯度管结构。
将上述的具有聚甲基丙烯酸甲酯梯度管结构薄膜的导电控制电极1与参考电极6和控制电路8连接，组成电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动器件，步骤如下：
如图2a所示，选取0.1mol/L的KNO3水溶液作为电解质，液晶材料作为油，在液晶材料中加入油溶性的染料溶剂绿5染色。闭合控制电路8的开关7，对聚甲基丙烯酸甲酯梯度管结构薄膜施加电压，随电压的增大，上层液体受电场驱动力，梯度结构材料膜由疏水状态转变为亲水状态，水溶液挤压膜表面的油，梯度结构材料膜表面由亲油状态转变为疏油状态，梯度结构材料膜表面的油沿着梯度方向(微结构尺度较大方向到微结构尺度较小方向)单向驱动到液体储存池中。撤去电压，如图2b所示，上层液体失去电场驱动力，梯度结构材料膜恢复初始的亲油状态，由于下层液体的挤压力，液体自动从液体储存池定向运动到初始状态，从而实现调控像素单元显示的变化。这种电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动可以作为显示器件应用。
实施例13
其他步骤同实施例1。
所述的梯度结构材料膜材料为聚氨酯。
所述的组成梯度孔结构21中的梯度孔的孔径变化范围为10μm～3μm。
所述的梯度结构材料基底芯片中梯度结构材料膜是由以下方法制备得到的，具体包括以下几个步骤：
(1)将导电控制电极清洗干净并在80℃条件下烘烤1小时干燥，所述的导电控制电极为ITO玻璃；
(2)将固含量为27％的聚氨酯加入圆底烧瓶中，然后称取聚氨酯质量的3％的致孔剂尿素放入小烧杯，加入质量比为1:1的丁酮和DMF中搅拌均匀后倒入圆底烧瓶，将聚氨酯的质量分数降低到20％，随后将圆底烧瓶置于60℃油浴中，充分搅拌并冷凝回流20min后，在油浴中静置10min。将步骤(1)清洗干净的导电控制电极上均匀涂覆此PU溶液，一端加热至150℃，一端保持室温，静置10min。然后加入DMF的凝固浴中7min，最后放入60～80℃的热水中水洗，3h后取出，在30℃的烘箱中烘干。即形成聚氨酯梯度孔结构。
将上述的具有聚氨酯梯度孔结构薄膜的导电控制电极1与参考电极6和控制电路8连接，组成电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动器件，步骤如下：
如图2a所示，选取0.1mol/L的KCl水溶液作为电解质，液晶材料作为油，在液晶材料中加入油溶性的染料溶剂绿5染色。闭合控制电路8的开关7，对聚氨酯梯度孔结构薄膜施加电压，随电压的增大，上层液体受电场驱动力，梯度结构材料膜由疏水状态转变为亲水状态，水溶液挤压膜表面的油，梯度结构材料膜表面由亲油状态转变为疏油状态，梯度结构材料膜表面的油沿着梯度方向(微结构尺度较大方向到微结构尺度较小方向)单向驱动到液体储存池中。撤去电压，如图2b所示，上层液体失去电场驱动力，梯度结构材料膜恢复初始的亲油状态，由于下层液体的挤压力，液体自动从液体储存池定向运动到初始状态，从而实现调控像素单元显示的变化。这种电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动可以作为显示器件应用。
本发明提供了一种电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动器件及制备方法和应用。结果表明，通过对表面梯度微结构的设计，以及外加电场协同作用，可以实现对微尺度液体的定向驱动。该工作可以应用于微流体驱动尤其是微控流体显示领域，在能源、生物科技、微型传感器等领域具有重要应用价值。
Claims (6)
1.电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动器件，其特征在于：包括参考电极、具有电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动特性梯度结构材料基底芯片、控制电路和水溶性导电液体；所述的具有电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动特性的梯度结构材料基底芯片由导电控制电极和梯度结构材料膜构成；所述的梯度结构材料膜是在导电控制电极表面制备的具有电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动特性的微结构膜；所述的导电控制电极与参考电极的一端通过带有开关的控制电路进行电连接，参考电极的另一端与水溶性导电液体进行电连接；
所述的梯度结构材料膜的微结构是尺度范围为微米到微米尺度、微米到纳米尺度、纳米到纳米尺度的梯度孔、梯度球或梯度管结构，具体为孔状结构、球状结构、管状结构、柱状结构或颗粒状结构中的任意一种；其中梯度孔的孔径在10μm到0.6μm之间，梯度球直径在1μm到10nm之间，梯度管管径在200μm到0.2μm之间；
所述的梯度结构材料膜材料选自聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、聚酰亚胺或聚氨酯中的一种或几种的复合体。
2.根据权利要求1所述的电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动器件，其特征在于：所述的导电控制电极选自氧化铟锡透明导电玻璃、氟掺杂的氧化锡透明导电玻璃、铝掺杂的氧化锌透明导电玻璃、铜和铝导电材料中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动器件，其特征在于：所述的水溶性导电液体为0.001-0.1mol/L的NaCl、K2SO4、KCl、KNO3或NaClO4的水溶液中任意一种。
4.根据权利要求1所述的电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动器件的应用，其特征在于：将所述的电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动器件应用于显示器件，在电场及梯度结构协同作用下，在水下，所述定向运动器件表面的油滴会沿着梯度方向定向运动。
5.一种权利要求1所述的电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动器件的具有电场及梯度结构协同驱动水下油定向运动特性的梯度结构材料基底芯片的制备方法，其特征在于：
(1)将导电控制电极进行清洗干燥处理；
(2)在导电控制电极表面制备梯度孔、梯度球或梯度管结构；
(2.1)在导电控制电极表面制备聚苯乙烯梯度孔结构的方法为：在步骤(1)清洗干净的导电控制电极上浸渍提拉浓度为2～20wt％的聚苯乙烯的四氢呋喃溶液，提拉过程中控制导电控制电极表面的相对湿度由95％递减到35％，待溶剂自然挥发即形成聚苯乙烯梯度孔结构；
(2.2)在导电控制电极表面制备聚苯乙烯梯度球结构的方法为：在步骤(1)清洗干净的导电控制电极上旋涂质量分数为0.01～1wt％的聚苯乙烯微球乙醇溶液中，形成聚苯乙烯薄膜，50℃真空加热24h以除去残余溶剂；在氮气气氛中，将上述薄膜的一端在150℃加热2～48h，另一端保持室温，即形成聚苯乙烯梯度球结构；
(2.3)在导电控制电极表面制备聚苯乙烯梯度管结构的方法为：在步骤(1)清洗干净的导电控制电极上放置一个聚苯乙烯薄片，用孔径为0.2μm的氧化铝薄膜覆盖在聚苯乙烯薄片上，施加500Pa的压力，一端加热至200℃，另一端保持室温，加热3～10h,然后冷却到室温，放入10wt％的NaOH溶液中浸泡24h；然后用去离子水冲洗并用氮气干燥，即形成聚苯乙烯梯度管结构；
(2.4)在导电控制电极表面制备聚甲基丙烯酸甲酯梯度孔结构的方法为：在步骤(1)清洗干净的导电控制电极上浸渍提拉浓度为2～20wt％的聚甲基丙烯酸甲酯的四氢呋喃溶液，提拉过程中用一定湿度的空气吹扫提拉出的薄膜，相对湿度由95％递减到35％，待溶剂自然挥发即形成聚甲基丙烯酸甲酯梯度孔结构；
(2.5)在导电控制电极表面制备聚甲基丙烯酸甲酯梯度球结构的方法为：在步骤(1)清洗干净的导电控制电极旋涂质量分数为0.01～1wt％的聚甲基丙烯酸甲酯微球乙醇溶液中，形成聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，50℃真空加热24h以除去残余溶剂；在氮气气氛中，将上述薄膜的一端在150℃加热2～48h，另一端保持室温，即形成聚甲基丙烯酸甲酯梯度球结构；
(2.6)在导电控制电极表面制备聚甲基丙烯酸甲酯梯度管结构的方法为：将步骤(1)清洗干净的导电控制电极上放置一个聚甲基丙烯酸甲酯薄片，用孔径为0.2μm的氧化铝薄膜覆盖在聚甲基丙烯酸甲酯薄片上，施加500Pa的压力，一端加热至200℃，另一端保持室温，加热3～10h,然后冷却到室温，放入10wt％的NaOH溶液中浸泡24h；然后用去离子水冲洗并用氮气干燥，即形成聚甲基丙烯酸甲酯梯度管结构；
(2.7)在导电控制电极表面制备聚氨酯梯度孔结构的方法为：将固含量为27wt％的聚氨酯加入圆底烧瓶中，然后称取聚氨酯质量的3wt％的致孔剂尿素放入小烧杯，加入质量比为1:1的丁酮和二甲基甲酰胺DMF中搅拌均匀后倒入圆底烧瓶，将聚氨酯的质量分数降低到20％，随后将圆底烧瓶置于60℃油浴中，充分搅拌并冷凝回流20min后，在油浴中静置10min，得到聚氨酯溶液备用；将步骤(1)清洗干净的导电控制电极上均匀涂覆此聚氨酯溶液，一端加热至150℃，一端保持室温，静置10min；然后加入DMF的凝固浴中7min，最后放入60～80℃的热水中水洗，3h后取出，在30℃的烘箱中烘干。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述的清洗是分别通过去离子水、丙酮、乙醇和去离子水进行超声洗涤；所述的干燥为在30～80℃烘烤1～10小时。
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