供稿人：顏湛、王富 供稿單位：西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國重點實驗室 發(fā)布日期：2024-06-16
彈性體材料，主要是聚二甲基硅氧烷，是微流體系統(tǒng)的重要組成部分。不幸的是，到目前為止，這些系統(tǒng)中使用的大多數(shù)彈性體材料都表現(xiàn)出較差的耐化學(xué)性。氟化彈性體在這些微流控系統(tǒng)上的片上化學(xué)應(yīng)用很有前景，但在微尺度上成形具有挑戰(zhàn)性，而且難以粘接，而這是制造嵌入式芯片的必要步驟。宋慶川團(tuán)隊定制合成的氟化光固化樹脂，可以使用還原光聚合3D打印機(jī)進(jìn)行構(gòu)造，并顯示出高彈性和非凡的耐化學(xué)性。該材料具有良好的拉伸性能，線性變形能力達(dá)523%，即使在四氫呋喃中浸泡24 h后仍可保持拉伸。此外，各種耐化學(xué)腐蝕的微流體元件，包括氣動閥和蠕動泵，也被證明是可行的。這種新型含氟樹脂有望進(jìn)一步推動芯片上化學(xué)應(yīng)用的發(fā)展。
圖1 材料的組成和表征：(a)單體13FOCA的化學(xué)結(jié)構(gòu)(b)樹脂的組成(c)拉伸試驗時的拉伸狀態(tài)(d)楊氏模量(e)p13F-AUA、氟彈性體(FKM)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)在不同溶劑、酸和堿中浸泡1小時后的溶脹。
該團(tuán)隊采用Steglich酯化法合成了含長全氟烷基鏈的定制化丙烯酸酯單體（圖1a）。將該單體與脂肪族聚氨酯交聯(lián)劑共聚得到了一種高拉伸性能的樹脂（圖1b）。隨后該團(tuán)隊為了評估材料的力學(xué)性能，進(jìn)行了拉伸試驗，從圖1c中可以看出，拉伸能力較高，屈服拉伸強(qiáng)度為523.7±41.6%，其屈服拉伸率超過500%，楊氏模量約為30 kPa（圖1d）。隨后該團(tuán)隊通過溶脹試驗來表征印刷材料在各種酸、堿和常見有機(jī)溶劑中1小時后的化學(xué)穩(wěn)定性，得出高氟含量賦予了特殊的耐各種腐蝕性有機(jī)溶劑，膨脹比優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)的PDMS和氟橡膠（圖1e）。
隨后使用這種多材料印刷來制造微流控膜閥門。為了評價膜閥的有效性，該團(tuán)隊使用了兩臺可編程氣泵。一個控制流體的泵送，另一個對閥門的微流控通道進(jìn)行加壓，如圖2a/b所示。圖2c顯示了這種芯片結(jié)構(gòu)中膜閥在不同工作壓力下的控制效果，三個bar表示在不同壓力下泵送液體(本例中為異丙醇)時流量的變化，橫軸表示膜閥的工作壓力。從圖中可以看出，雖然壓力可以可靠地控制通過芯片的流體流量，但當(dāng)膜閥增壓到200mbar時，即使是6ml /min的高流量也會被堵塞。這證實了微流控閥的預(yù)期功能。
利用這些微型閥門，該團(tuán)隊的目標(biāo)是操縱不同有機(jī)溶劑的流動為了進(jìn)一步評估微流控閥的可靠性，即四氫呋喃、丙酮和DMF這些溶劑在100毫巴的壓力下被泵入微流控芯片，來評估膜閥在更極端條件下的性能(圖2d)。該團(tuán)隊對芯片進(jìn)行了10000次THF泵送，同時反復(fù)開啟和關(guān)閉膜閥。圖2e/f分別為微流控芯片在第1個和第10000個開關(guān)周期后的形態(tài)變化。盡管在10000次循環(huán)后可以觀察到一些輕微的變形，但瓣膜的功能沒有受到影響，膜上沒有觀察到裂縫。該實驗驗證了結(jié)構(gòu)和材料在極端條件下的可靠性。
圖2 氟化膜閥的多材料印刷 (a)(b)裝置連接圖(c)膜閥在不同工作壓力下的控制效果(d)膜閥在更極端條件下的性能(e)(f)微流控芯片在第1個和第10000個開關(guān)周期后的形態(tài)變化
該團(tuán)隊設(shè)計的氟化彈性體樹脂填補(bǔ)了微流場中關(guān)鍵材料的空白。它不僅為集成的微型泵和閥門帶來了所需的延展性和穩(wěn)健性，而且同樣重要的是，使其能夠在化學(xué)腐蝕環(huán)境中可持續(xù)地操作這些組件。數(shù)字化的可制造性使材料能夠快速地融合成多種設(shè)計。其預(yù)想這種材料的進(jìn)步將顯著拓寬微流控大規(guī)模集成的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在芯片化學(xué)領(lǐng)域。