[發(fā)明專利]一種單顆粒材料的微納米操縱、組裝和測試方法

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• 申請日: 2022-11-24
• 公開（公告）號: CN115901905A
• 公開（公告）日: 2023-04-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張杰;邱季;陳煅;陳幸
• 申請（專利權(quán)）人: 湖南科技大學(xué)
• 主分類號: G01N27/416
• 分類號: G01N27/416;B82Y40/00;B82Y15/00
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本發(fā)明將表面張力的基本原理與掃描微電化學(xué)池的工作模式相結(jié)合，提出了一種常溫常壓下單顆粒材料的微納米操縱、組裝和測試方法。所述方法包括：將微納米材料單分散至基底表面，以裝有不同溶劑的微納毛細(xì)管為探針，通過三維運動控制系統(tǒng)操縱探針，使探針尖端的微液滴與單顆粒實現(xiàn)軟接觸，利用微液滴與單顆粒間的表面張力，操縱單顆粒到達(dá)指定位置，實現(xiàn)常溫常壓下單顆粒材料的可控操縱與組裝，并測試操縱顆粒或組裝體的性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種單顆粒材料的微納米操縱、組裝和測試方法。具體而言，將表面張力的基本原理與掃描微電化學(xué)池的工作模式相結(jié)合，通過三維運動控制系統(tǒng)操縱微納毛細(xì)管，使其尖端的微液滴與單顆粒實現(xiàn)軟接觸；調(diào)控微液滴與單顆粒間的表面張力，在常溫常壓下對單顆粒材料進(jìn)行微納米操縱和組裝，并進(jìn)一步測試操縱顆粒或組裝體的性能。

背景技術(shù)

目前微納米材料性能的測試方法主要是通過測量自支撐或滴涂材料的整體平均性能。由于材料顆粒個體間結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的差異，導(dǎo)致上述方法難以測得材料結(jié)構(gòu)與性能間的明確關(guān)系。因此面向單顆粒材料的性能測試是獲得材料結(jié)構(gòu)-性能本征相互關(guān)系的關(guān)鍵，而如何實現(xiàn)單顆粒材料的可控操縱和組裝是實現(xiàn)單顆粒材料性能測試的前提。目前單顆粒材料的可控操縱方法主要包括基于聲表面波的“聲鑷”技術(shù)、基于力學(xué)勢阱的“光鑷”技術(shù)和基于靜電吸附的機(jī)械操縱技術(shù)。“聲鑷”技術(shù)利用周期性的聲表面波可實現(xiàn)顆粒材料的定向排布，但難以實現(xiàn)單顆粒材料的定向微納米操縱。“光鑷”技術(shù)利用單光束或多光束的力學(xué)勢阱可實現(xiàn)單顆粒或多個顆粒的捕獲、操縱與檢測，但需要結(jié)合復(fù)雜的光路設(shè)計和光場調(diào)控方法。基于靜電吸附的機(jī)械操縱技術(shù)通常需要在掃描電鏡的輔助下，在超高真空的環(huán)境下利用三維機(jī)械手對單顆粒進(jìn)行操縱。該方法需要對單顆粒表面進(jìn)行分子修飾，修飾分子會影響材料本征性能的測量，且硬接觸的方法可能會破壞材料表面結(jié)構(gòu)。納米顆粒的自組裝技術(shù)通過基本結(jié)構(gòu)單元的內(nèi)部驅(qū)動力（范德華力、氫鍵、靜電力、表面張力等）可自發(fā)形成有序結(jié)構(gòu)，但難以實現(xiàn)單個顆粒的任意操縱。綜上所述，如何實現(xiàn)單顆粒材料的可控操縱和組裝還存在著巨大挑戰(zhàn)，成為了制約單顆粒材料性能測試的瓶頸。

為了解決上述問題，本發(fā)明將表面張力的基本原理與掃描微電化學(xué)池的工作模式相結(jié)合，利用微液滴與單顆粒間的表面張力，提出了一種基于軟接觸的微納米操縱、組裝和測試方法，實現(xiàn)了常溫常壓單顆粒材料的任意操縱、組裝和性能測試。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種單顆粒材料的微納米操縱、組裝和測試方法。

所述一種常溫常壓下單顆粒材料的微納米操縱、組裝和測試方法包括：將表面張力的基本原理與掃描微電化學(xué)池的工作模式相結(jié)合，調(diào)控微液滴與單顆粒間的表面張力，在常溫常壓下對單顆粒材料進(jìn)行微納米操縱和組裝，并進(jìn)一步測試操縱顆粒或組裝體的性能。

所述將表面張力的基本原理與掃描微電化學(xué)池的工作模式相結(jié)合包括：將微納米材料單分散至基底表面，將溶劑裝入微納毛細(xì)管中，通過三維運動控制系統(tǒng)操縱微納毛細(xì)管，使探針尖端的微液滴與單顆粒實現(xiàn)軟接觸。

所述調(diào)控微液滴與單顆粒間的表面張力包括：調(diào)控毛細(xì)管的直徑、表面親疏水性，選擇并調(diào)控溶劑的組成、極性、粘度等，適合于不同材料的微納米操縱。

所述在常溫常壓下對單顆粒材料進(jìn)行微納米操縱和組裝包括：通過三維運動控制系統(tǒng)操縱毛細(xì)管尖端的微液滴，利用微液滴與單顆粒間的表面張力，在常溫常壓下將單顆粒材料操縱到指定位置，或通過對多個單顆粒的操縱，將多個單顆粒組裝成特定的組裝體。

所述進(jìn)一步測試操縱顆粒或組裝體的性能包括但不限于：將顆粒操縱或組裝至電極表面，測試其電化學(xué)性能；將顆粒操縱或組裝至與光譜、色譜、質(zhì)譜、波譜等譜學(xué)技術(shù)聯(lián)用的電極表面，測試其譜學(xué)電化學(xué)性能；將顆粒操縱或組裝至與力學(xué)儀器聯(lián)用的電極表面，測試其力學(xué)電化學(xué)性能。

所述單顆粒材料包括但不限于：金屬材料、無機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料及其復(fù)合材料。