液体微混技术及其在贵金属复合纳米材料自组装中的应用

液体微混技术及其在贵金属复合纳米材料自组装中的应用流体是物质的重要存在形式,微混合和微流控技术是在微米尺度空间里对流体进行混合和操控的研究。与普通大量溶液的反应相比,微混合和微流控技术具有其独特而又明显的优势。但是,在如此狭小的微通道内、雷诺系数非常小的情况下,如何实现对微液滴的操控、如何提高微通道内的混合效率和如何将微混合技术应用于复合纳米材料的自组装领域成为科学家们的研究重点。因此,本论文针对这些问题开展了详细的研究。利用有限空间等离子体氧化自组装膜的方法,以简单易购的载玻片和盖玻片为载体,利用材料表面亲疏水性成分的浓度差可以驱动微液滴运动的原理,实现了在敞开的具有化学成分梯度表面的微芯片上对微液滴流动的控制研究。该方法能够良好的控制所制备的化学成分梯度表面的深度和长度等性质。通过计算,可以得到,本实验中微液滴移动的最大速度是0.64mm/s,对应的化学梯度表面的接触角为70°。该方法操作简便灵活,使用材料价廉易购,重现性非常好,在生物分析领域有广泛的应用前景。基于微通道内的单乳液方法,以含有碳酸氢铵、纳米金棒和海藻酸钠的水溶液为分散相,以含有钙离子的十一醇溶液为连续相,成功制备出大小可控的具有海藻酸钙聚合物外壳的水相微液滴(300~1000μm),即微反应器。该微反应器的海藻酸钙聚合物外壁厚度可以利用钙离子偶联剂的浓度和反应时间来良好地控制。在此基础上,鉴于纳米金棒的光热效应,以波长为808nm的激光为光源,引发碳酸氢铵的分解反应产生二氧化碳气体,从而制备出海藻酸钙聚合物包裹的二氧化碳气体微胶囊。鉴于气体微胶囊的感压性,成功制备了一个压力传感器,检测范围为0.1~0.55KPa。利用提高流体之间接触面积和引起通道中局部对流的方法,利用COMSOL软件进行模拟计算并优化结构设计,以光刻法为基础,以PDMS为原料,成功地设计和制备出三种具有不同结构的被动微混合器,包括具有对称半圆柱沟槽结构、非对称半圆柱沟槽结构和三角形障碍物阵列的被动微混合器。实验和模拟的结果都证实了这些微混合器在较大的雷诺系数范围内对不同黏度的流体的混合效果具有增强作用。对于具有对称沟槽结构和非对称沟槽结构的两种微混合器,流体间混合效果的增强可以在19mm内完成;对于具有三角形障碍物阵列的微混合器,混合距离被缩短至6.4mm。当Re等于0.1时,混合效率高达91.4%,是普通Y-通道混合效率的2.02倍。在Re等于10的情况下,具有对称半圆柱沟槽、非对称半圆柱沟槽、三角形障碍物阵列的三类被动微混合器对酚酞水溶液的混合效率分别是普通Y-形微通道的混合效率的2.22倍、3.87倍和2.67倍。以上设计结构简单、混合距离短、混合效率高,在生物分析检测领域具有广泛的应用前景。基于对微混合现象和过程的理解,以硝酸银为氧化剂,以邻苯二胺为还原剂,通过调整两种流体进入微通道的流速和扩散速度,引发硝酸银和邻苯二胺之间的氧化还原反应,从而诱导了反应的初级产物(银纳米粒子和邻苯二胺二聚体)的进一步自组装,发现了一种简单高效无模板的制备多种形貌的银粒子修饰的聚邻苯二胺组装体的方法。通过利用COMSOL软件进行模拟,分析了产生多种形貌的银粒子修饰的聚邻苯二胺组装体的可能机理。基于银粒子修饰的聚邻苯二胺微球组装体对过氧化氢具有良好的催化作用,成功制备出一个过氧化氢传感器,其检测范围是20~180μM,检出限是5.7μM。利用微混合技术,以溶解有两亲性聚合物修饰的多种贵金属纳米粒子为组装单元的THF溶液为中间相,以纯水为扩散相,通过调整两相之间的扩散速度,实现了制备多种形貌的贵金属纳米粒子自组装体的研究。文中详细研究了纳米金棒的长径比、聚合物的分子量以及两种流体的流速和扩散速度对自组装体形貌的影响。基于此,成功制备出一种具有载药功能的阴阳结构微米马达。该结构的粒径范围在0.5~4μm之间,马达的运动速率范围是5~120