一種用於一維微納米材料自組裝的超聲波諧振腔裝置的製作方法

2023-06-01 03:25:41

本實用新型屬於材料製備裝置技術領域，尤其涉及一種用於一維微納米材料自組裝的超聲波諧振腔裝置。

背景技術：

納米材料的製造可以籠統的分為兩種方式，一種是從上往下top-down的方式，另外一種是從下往上bottom-up的方式。自上而下的方法是將大塊的材料多餘的部分逐步去除，從而得到想要的納米材料，花費高，效率低；而對於自下而上的方法，一般是將小的組份如原子或分子聚集成納米尺度的聚集體，簡單經濟，可以比較容易的在實驗室條件下製備。自組裝材料在光、電、磁、生物傳感、催化等方面的應用具有很大的潛力，這一領域也越來越多的引起了世界上很多科學家的興趣。

一維微納米結構的形貌特徵以及獨一無二的特性使得一維組裝微納米材料在很多潛在應用中佔有很多優點，例如這種長條狀的納米棒對於光電效應以及光催化效應有極大的增強作用，因為這種結構能夠促進電子的傳輸，能夠有效的促進電荷分離。同時，納米線狀結構由於具有很高的長徑比對於在光電以及傳感方面的應用具有很大潛力，並且將這種線狀微納米結構可以用來製造結構十分複雜的塊狀材料。基於這種一維結構的種種優點，有很多學者都在研究一維微納米顆粒的組裝，但是為了獲得各向異性的一維納米結構這就要求使得微納米顆粒的位置和取向符合相應的排列規則，從而使得這種結構具有特殊的性能。

實現一維納米結構組裝的方法主要有以下幾大類。第一類為通過在顆粒上修飾一些官能團，來使得顆粒間相互作用來實現一維自組裝，如利用DNA鹼基對來使顆粒組裝起來，利用靜電力使顆粒組裝起來，利用親水基和疏水基的相互作用等。這種組裝一維材料的方法主要問題在於需要對組裝的顆粒進行表面修飾(如DNA、親水疏水集團、正電荷負電荷等等)，操作複雜，也對顆粒的表面性質有較多要求(需要能夠修飾的表面)，因而限制了該技術的廣泛適用性。除此之外，如何控制顆粒的表面，使其能夠形成各向異性的一維鏈狀組裝，而不是各項同性的三維團聚物，也是一個技術難點。

第二類方法通過外場如磁場、電場的作用實現一維組裝。這種方法能夠得到比較整齊的長程一維排列，但是存在的問題主要是對顆粒材料的要求。例如，磁性顆粒在磁場中能夠輕易的排列為一維鏈狀結構，但是非磁性的材料對磁場並無響應。除此之外，讓微納米顆粒排列為一維鏈狀所需的電場、磁場強度普遍較高，限制了該技術的廣泛應用，特別是在生物環境中，無法採用這種方法獲得較好的一維結構。

第三類方法利用模板或者外部結構輔助組裝，或利用顆粒的形貌，來實現顆粒的一維自組裝。前者特殊的微納米結構以獲得一維組裝，這種結構常常製備困難，並且所得到的一維結構與外部結構常常複合在一起，難以分離。例如，在分離模板的過程中，常常會損壞得到的一維結構。利用顆粒形貌的不對稱性而獲得一維自組裝的方法存在的最大困難就是複雜的顆粒製備過程，並且很多一維材料基元不可能製備為多種形狀。

得到一維結構後，後續的應用常常需要將該結構固定下來。常用的方法包括通過對顆粒表面進行化學修飾，從而利用電荷、化學鍵作用使顆粒之間形成不可逆的結合。或者通過提高溶液鹽濃度的方法，從而減小顆粒的靜電排斥力，拉進顆粒的距離，實現顆粒粘連。第一種方法需要對顆粒進行複雜的修飾，效率低下，技術門檻高。第二種方法常常會汙染顆粒表面。

技術實現要素：

針對以上技術問題，本實用新型公開了一種用於一維微納米材料自組裝的超聲波諧振腔裝置，採用該裝置進行一維微納米材料的自組裝，不需要對顆粒的表面做任何功能化處理，不需要任何模板，也不需要顆粒具備特殊的形狀，大大節省了操作成本，提高了效率；而且得到的一維微納米材料結構可以固定也可以回收。其中，所述微納米材料為粒徑50納米到200微米的顆粒；優選的，所述微納米材料為粒徑100納米到100微米的顆粒。

對此，本實用新型採用的技術方案為：

一種用於一維微納米材料自組裝的超聲波諧振腔裝置，其包括基底片、壓電陶瓷片、樣品腔和超聲波函數發生器，所述基底片的下表面與壓電陶瓷片的表面連接，所述基底片的上表面與樣品腔連接，所述壓電陶瓷片與超聲波函數發生器電連接；其中，所述樣品腔內裝有包含微納米粒子與水凝膠單體的混合溶液。

作為本實用新型的進一步改進，所述樣品腔的上方還設有光學顯微鏡，所述樣品腔位於光學顯微鏡物鏡焦距處。

採用上述用於一維微納米材料自組裝的超聲波諧振腔裝置進行一維微納米材料的自組裝方法，包括以下步驟：

步驟S1：往樣品腔中加入包含微納米粒子與水凝膠單體的混合溶液，並安裝好超聲波諧振腔裝置；將安裝好的超聲波諧振腔裝置於光學顯微鏡物鏡焦距處；

步驟S2：通過以下公式計算超聲波諧振腔所需的共振頻率f：

其中，h為諧振腔的高度，n為自然數，c為聲波在液體中傳播的速度，f為共振頻率；

得到共振頻率f後，調節超聲波函數發生器輸出的超聲波頻率為f附近，使顆粒在諧振腔中懸浮，得到鏈狀排列的一維結構的微納米材料。其中，n是從1開始的自然數，如果n取1，那h就對應一個數值，然後諧振腔裡面就有一層工作平面；如果n取2，則得到上下兩層的工作平面。通過調節h，對應不同的n，可以實現在腔內得到不同層面的3D結構。

步驟S3：使水凝膠單體凝固或交聯固化，得到固定的一維微納米材料。

此技術方案，通過兆赫茲超聲諧振波，將顆粒懸浮於水凝膠單體溶液中，懸浮的顆粒由於超聲波能量不均勻分散，會聚集在懸浮平面的聲波節點附近，通過適當的超聲波控制，使顆粒排列為一維結構。通過將水凝膠單體凝固或交聯固化即可得到固定的一維微納米材料，且該一維微納米材料的結構固定可以長久保存。

現有技術中，如果是從下面往上打的超聲波(術語叫做「體波」)，那一般形成的微納米例子是密堆積，也就是形成一片，而不是一條線。想要形成一條線也可以，就需要更換超聲波的輸入方式，從兩邊打過來。從兩邊打過來這種方法形成的結構貼近底面，如果需要一個懸浮在液體或者固體中間的結構就無法實現。另外，從兩邊打過來超聲波的方法對於很細小的顆粒比如納米線形成的排列一般是多根線並排隨機堆積，而不是單根的頭尾相接緊密排列。該技術方案實現了從下面往上打超聲波，利用水凝膠的作用，將1微米長，200納米粗的微米線排列為單根寬度，長100微米的長鏈；並且能夠讓微納米粒子排成非常規則的直線，這個對於現有技術來講是很困難的。

作為本實用新型的進一步改進，所述光學顯微鏡設有加熱臺，所述基底片、壓電陶瓷片、樣品腔位於加熱臺上。當樣品腔內裝有包含微納米粒子與熱敏水凝膠單體的混合溶液時，一維微納米材料自組裝好後，通過加熱樣品腔，使顆粒在樣品腔中懸浮時，所述混合溶液的溫度大於80℃；當得到需要的一維結構後，停止加熱，樣品腔冷卻，水凝膠固化，得到固定的一維微納米材料。採用此技術方案，得到的一維微納米材料的結構是可逆的，如需要打散結構，只需加熱水凝膠使其融化即可。優選的，所述熱敏水凝膠為瓊脂。

作為本實用新型的進一步改進，所述樣品腔的上方設有紫外燈。當樣品腔內裝有包含微納米粒子與光敏水凝膠單體的混合溶液時，在得到鏈狀排列的一維結構的微納米材料後，打開紫外燈照射，引發水凝膠單體交聯，使溶液固化，得到固定的一維微納米材料。其中，所述光敏水凝膠單體優選為聚乙二醇二丙烯酸酯。採用此技術方案，得到的一維微納米材料的結構是不可逆的，固化時間短，操作方便，結構固定性好。

作為本實用新型的進一步改進，所述紫外燈設於樣品腔正上方0.2～1.5cm處。

作為本實用新型的進一步改進，所述基底片的下表面與壓電陶瓷片的表面通過超聲波耦合劑或樹脂粘合劑連接。

作為本實用新型的進一步改進，所述基底片的上表面與樣品腔通過超聲波耦合劑或樹脂粘合劑連接。進一步優選為超聲波耦合劑，採用此技術方案，具有更好的超聲效果。

作為本實用新型的進一步改進，通過調節超聲波頻率、聲波振幅或壓電陶瓷片的位置，得到不同長度、不同彎曲程度、不同排列緊密度的鏈狀結構。

與現有技術相比，本實用新型的有益效果為：

採用本實用新型的超聲波諧振腔裝置進行一維微納米材料的自組裝，不需要對顆粒的表面做任何功能化處理，不需要任何模板，也不需要顆粒具備特殊的形狀，大大節省了操作成本，提高了效率；而且得到的一維微納米材料結構可以固定也可以回收。

附圖說明

圖1是本實用新型一種用於一維微納米材料自組裝的超聲波諧振腔裝置的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖，對本實用新型的較優的實施例作進一步的詳細說明。

一種用於一維微納米材料自組裝的超聲波諧振腔裝置，如圖1所示，其包括基底片1、壓電陶瓷片2、樣品腔3和超聲波函數發生器4，所述基底片1的下表面與壓電陶瓷片2的表面採用超聲波耦合劑連接，所述基底片1的上表面與樣品腔3採用超聲波耦合劑連接，所述壓電陶瓷片2與超聲波函數發生器4電連接；其中，所述樣品腔3內裝有包含微納米粒子與水凝膠單體的混合溶液。

所述樣品腔3的上方設有光學顯微鏡5，所述樣品腔3位於光學顯微鏡物鏡5焦距處。

優選的，所述光學顯微鏡設有加熱臺，所述基底片1、壓電陶瓷片2、樣品腔3整體位於加熱臺上。

優選的，所述樣品腔3的上方設有紫外燈；所述紫外燈設於樣品腔3正上方0.2～1.5cm處。

以上內容是結合具體的優選實施方式對本實用新型所作的進一步詳細說明，不能認定本實用新型的具體實施只局限於這些說明。對於本實用新型所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬於本實用新型的保護範圍。