一种可选择性捕获或排斥水下气泡的装置及其应用的制作方法

本发明涉及微纳加工技术领域，尤其涉及一种可对水下气泡进行捕获或排斥的装置和水下气泡捕获或排斥的方法。

背景技术：

近年来，关于水下气泡的人工操控的研究吸引了人们极大的兴趣。但大部分报道都是使用化学刻蚀或化学改性的方法构造Janus系统。

但是现有技术构建的方法存在以下缺陷：

1.这些方法往往需要复杂的实验步骤和较高的成本，而且大部分化学试剂还会污染环境，对人体有害。

2.Janus系统可以用于捕获气泡，但不适用于排斥气泡，因为气泡会粘附在Janus系统的亲气面。但是亲水表面由于疏气特性，更加适合排斥气泡。目前还没有人在同一个样品上实现Janus锌网和双面亲水锌网的可逆转换。

因此，如何改善现有技术，获得能够自由转换的、可进行选择性捕获或排斥水下气泡的装置及方法，是急需解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明提出一种可选择性捕获或排斥水下气泡的装置及其应用，用于解决现有技术中无法实现Janus锌网和双面亲水锌网的可逆转换的技术问题。

本发明提供一种可选择性捕获或排斥水下气泡的装置，所述装置具体为表面分布有多锥形孔阵列的锡箔基板，所述多锥形孔阵列具体由多个锥形孔构成，所述锥形孔具体由孔径较大的上表面微孔和孔径较小的下表面微孔构成，所述上表面微孔设置在锡箔基板的顶部且其直径为139～142μm，所述下表面微孔设置在锡箔基板的底部且其直径为60μm～62μm，所述上表面微孔和下表面微孔边缘均附着有纳米颗粒；

当需要进行捕获水下气泡时，将所述锡箔基板用锡纸包裹锡纸进行包裹并在黑暗环境中加热改性，获得可捕获水下气泡的装置；

当需要进行排斥水下气泡时，将所述锡箔基板用紫外线LED灯照射改性，获得可排斥水下气泡的装置。

进一步，所述锡箔基板采用下述方法进行加工制成：

采用激光功率为50mw的纳秒激光器以1mm/s的扫描速度和200μm打孔间隔对锡箔基材进行均匀直写钻孔，获得上表面微孔直径为139～142μm、下表面微孔直径为60μm～62μm且微孔边缘附着纳米颗粒的多锥形孔阵列的锡箔基板，且所述纳秒激光器中心波长为355nm，脉宽为10ns，重复频率为10Hz。

进一步，加热改性时加热温度为250℃，加热时间为30min。

进一步，紫外线LED灯照射改性时，紫外线LED灯的功率为70W，波长为365nm且照射时长为10h。

本发明还提供一种捕获水下气泡的方法，该方法包括将权利要求4所述的可捕获水下气泡的装置放置在水下，此时其上表面为超疏水/水下亲气，下表面为亲水/水下疏气，处于水中时在上下面间形成润湿梯度，水下气泡由下表面穿过锥形孔至上表面，可用于捕获其上表面的气泡。

本发明还提供一种排斥水下气泡的方法，该方法包括将权利要求4所述的可排斥水下气泡的装置放置在水下，此时其上表面为亲水/水下疏气，下表面也为亲水/水下疏气，处于水中时为双面亲水，水下气泡无法由下表面穿过锥形孔至上表面，可用于排斥其下方的气泡。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供了一种可进行自由切换的Janus锌网，其可采用锡纸包裹锡箔基板并对其进行加热后，获得可捕获水下气泡的装置；采用紫外线LED灯照射锡箔基板后，可获得排斥水下气泡的装置，进而实现了自由切换功能锡箔基板，实现了可选择性捕获或排斥气泡的目的；本发明提供的改性方法，操作简单，实现了无需化学试剂、快速、高效、无污染的构建Janus系统的目的。

附图说明

图1为锡箔改性示意图：

图2为加工完成的锡箔基板中上表面和下表面微孔结构放大图；

图3为加工完成的锡箔基板加热改性时加热时长与其表面水接触角及气泡接触角关系图；

图4为加工完成的锡箔基板紫外灯改性时照射时长与其表面水接触角及气泡接触角关系图；

图5为加工完成的锡箔基板、加热改性的锡箔基板和紫外改性的锡箔基板水下气泡测试图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本实施例中，以锡箔作为基材对其进行加工，其中加工方法具体为：

采用激光功率为50mw的纳秒激光器以1mm/s的扫描速度和200μm打孔间隔对锡箔基材进行均匀直写钻孔，获得上表面微孔直径为139～142μm、下表面微孔直径为60μm～62μm且微孔边缘附着纳米颗粒的多锥形孔阵列的锡箔基板，且所述纳秒激光器中心波长为355nm，脉宽为10ns，重复频率为10Hz；

获得的锡箔基板的上表面和下表面微孔结构如图2；

对获得的锡箔基板外侧包覆锡纸后进行温度为250℃的加热改性处理，针对不同加热时长获得的不同改性锡箔基板进行水滴接触角和气泡接触角测量，获得的结果如图3；

由图3可知伴随加热时长增加，上下表面的水接触角不断增大并在30min时趋于稳定，上下表面的气泡接触角在30min时趋于稳定；

由图3可得，稳定后，其上表面为超疏水，接触角为154°-160°，对应水中气泡的接触角为29°～32°，其下表面为亲水，其接触角为79°～87°，对应水中气泡接触角为105°～115°；

分析可得，基材上表面由于更大的粗糙度，加热后改性为超疏水/水下亲气，下表面粗糙度较小，仍然为亲水/水下疏气，从而在上下面间形成了润湿梯度，此时水下气泡可以从下表面通过锥孔穿透到上表面，可以用于捕获气泡；

同时，选的加热时长为30min为最佳加热时长；

对获得的锡箔基板进行紫外线LED灯进行照射，针对不同照射时长获得的不同改性锡箔基板进行水滴接触角和气泡接触角测量，获得的结果如图4；

由图4可知伴随照射时长增加，上下表面的水接触角不断降低并趋于稳定，上下表面的气泡接触叫不断增大并趋于稳定；

由图4可得，稳定后，上表面接触角为27°-40°，对应水中气泡接触角为140°-155°，其下表面也为亲水，接触角为51°-71°，对应水中气泡接触角为109°～129；

分析可得，上表面经紫外线照射后改性为亲水/水下疏气，下表面也是亲水/水下疏气，得到了双面亲水锌网，水下气泡无法穿过双面亲水网，可以用于排斥气泡；

同时，选定照射时长为10h为最佳照射时长；

激光打孔后、加热后和紫外灯照射后，水下气泡测试对比图如图5；

由图5，可得本发明提供的方法能够有效地提供可自由切换的双面锡箔基板，其可选择性的进行捕获或排斥气泡。

与报道的氟化改性或化学刻蚀方法不同，本发明采用纳秒激光钻孔结合加热和UV辐照的方法改变样品的润湿性，操作更加简便，无环境污染。

利用锌箔本身良好的光催化特性，可以通过加热或UV辐照，自由切换Janus网和双面亲水网，从而实现选择性地捕获或排斥水下气泡，这是过去不曾实现的功能。