基于氧化石墨烯的光驱动双层复合膜及其制备方法与应用

摘要

本发明公开了基于氧化石墨烯的光驱动双层复合膜及其制备方法与应用。光驱动双层复合膜在光的照射下向发生弯曲变形，包括：PDMS与贵金属纳米材料的混合物层；平铺固定在混合物层上的具有光学透明性的氧化石墨烯薄膜。光驱动双层复合膜的制备方法包括步骤：制备具有光学透明性的氧化石墨烯薄膜；制备PDMS与贵金属纳米材料的混合物层；制备双层复合膜。光驱动双层复合膜在模拟太阳光的照射下，通过光‑热‑机械在非对称复合结构下的耦合作用，会产生可控的弯曲变形，具有透明性、柔性、形变程度大、可控性好、可远程操控等优点，可被应用于光驱动柔性机械装置、微流控芯片中的对微流控进行控制的微阀等。

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合膜及其制备方法与应用，尤其涉及一种基于氧化石墨烯的光驱动双层复合膜及其制备方法与应用。

背景技术

微流控芯片是指通过微加工等技术手段将生物化学领域所涉及的各种操作分析功能集成在芯片材料上的微全分析系统，具有微型集成化、低成本、高效高速、试样与试剂消耗低等优点，在环境检测与保护、生物医学、食品卫生等众多领域具有广泛的应用前景。

微阀是在流动通道内对微流体起控制作用，实现流体通道的开启、闭合以及流体流向切换等功能的关键器件，是微流控系统最重要的部分之一。常规的微阀器件通常以硅片、玻璃等材料为基底，利用微加工手段加工而成，其系统结构较为复杂，对微加工设备和技术要求高，加工难度较大且成本较高，与微流控系统的集成化不易实现。因此，研究易加工、易集成的新型微阀材料对整个微流控系统的发展具有重要的意义。

PDMS(聚二甲基硅氧烷)作为一种无毒、廉价、易加工、光学透明的柔性弹性聚合物材料，在微流控芯片的制备方面得到了广泛的应用。然而，此PDMS微阀也存在缺点，即气动动力需要采用外置气源和控制阀，外部设备体积较大，通常难以缩小和集成化。因而如何在保持简单结构的同时，采用更智能便利的驱动方式实现PDMS微阀的开关功能，是微阀发展中的一个关键研究目标。

光驱动智能材料的出现则有望在此问题上获得突破。光驱动，是指在光的直接照射下，微观分子会产生构型，极性或者温度的改变，从而导致宏观材料发生形状或者体积的变化。光驱动具有远程的、无接触的驱动特性，且不会对材料造成损伤，而且光源设备的便携性和微型集成化更是远远高于如气源等的其他外部设备，因此光驱动材料适合于发展智能驱动微阀。

发明内容

针对上述技术分析，本发明提供了一种基于氧化石墨烯的光驱动双层复合膜及其制备方法与应用。

本发明的解决方案是：一种基于氧化石墨烯的光驱动双层复合膜，其包括：

PDMS与贵金属纳米材料的混合物层，混合物层内分散贵金属纳米材料；以及具有光学透明性的氧化石墨烯薄膜，平铺固定在混合物层上；

其中，所述光驱动双层复合膜在光的照射下向发生弯曲变形。

作为上述方案的进一步改进，所述光为激光、或为氙灯产生的模拟太阳光、或为太阳光。

本发明还提供一种上诉基于氧化石墨烯的光驱动双层复合膜的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

1)制备具有光学透明性的氧化石墨烯薄膜：将氧化石墨烯粉体分散到溶液二中形成分散液，取分散液置于衬底上蒸发形成具有透明性的氧化石墨烯薄膜；

2)制备PDMS与贵金属纳米材料的混合物：将贵金属纳米材料分散到溶剂一中，然后与PDMS前驱体混合，充分搅拌混匀；超声或加热使混合物中的有机溶剂完全挥发，随后与PDMS交联剂以10：1的体积比混合，继续搅拌，并在真空中去除气泡，从而获得PDMS与贵金属纳米材料的混合物，混合物内分散贵金属纳米材料；

3)制备双层复合膜：将PDMS与贵金属纳米材料的混合物旋涂在寡层的氧化石墨烯薄膜上，然后加热，从而获得所述光驱动双层复合薄膜。

作为上述方案的进一步改进，所述氧化石墨烯粉体为石墨烯的结构骨架上含有各种含氧官能团的二维平面材料，其含氧官能团包括羟基、羧基或环氧键；溶剂二包括水、甲醇、乙醇、乙二醇、异丙醇中的一种或两种及以上任意比例的混合物。

作为上述方案的进一步改进，所述衬底为玻璃、聚四氟乙烯、金属、陶瓷、硅片中的一种；蒸发分散液所采用的温度范围为20～80℃。

作为上述方案的进一步改进，所述氧化石墨烯薄膜的厚度为0.5～20μm，且在400-800nm波段的透射率大于5％。

作为上述方案的进一步改进，所述贵金属纳米材料包括金纳米线、金纳米颗粒、银纳米线、银纳米颗粒、铂纳米线、铂纳米颗粒；溶剂一为水、乙醇、甲醇、乙二醇、异丙醇中的一种。

作为上述方案的进一步改进，步骤3)中将PDMS与贵金属纳米材料的混合物旋涂在寡层的氧化石墨烯薄膜上后，通过改变混合物的使用量以及旋涂的转速和时间，使得最终PDMS与贵金属纳米材料的混合层的厚度为30～300μm。

作为上述方案的进一步改进，步骤3)中在30～80℃的温度下加热。

本发明还提供一种基于氧化石墨烯的光驱动双层复合膜在微流控芯片中的应用，所述光驱动双层复合膜的两端固定在所述微流控芯片的一侧，且完全覆盖所述微流控芯片的相应侧面上的至少一个通道，并在光的照射下向相应通道内弯曲，实现对此通道内微流体的远程光控操纵。

本发明的优点是：光驱动双层复合膜具有透明特性，在可见光的照射下可产生弯曲变形，响应速度快；基于这些特性，光驱动双层复合膜可以被用于制备微流控芯片中的微阀。本发明在模拟太阳光(50mW/cm²)的照射下，通过光-热-机械在非对称复合结构下的耦合作用，会产生可控的弯曲变形(3.5mm)，具有透明性、柔性、形变程度大、可控性好、可远程操控等优点，可被应用于光驱动柔性机械装置、微流控芯片中的对微流控进行控制的微阀装置等。

附图说明

图1为氧化石墨烯薄膜的截面扫描的电子显微镜图。

图2为基于氧化石墨烯的光驱动双层复合膜的光学图。

图3为基于氧化石墨烯的光驱动双层复合膜的变化过程示意图。

图4为基于氧化石墨烯的光驱动双层复合膜在光照下的弯曲形变位移曲线图。

图5为基于氧化石墨烯的光驱动双层复合膜作为微阀对微流控芯片的通道进行控制的变化过程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请一并参阅图1至图4，本发明的基于氧化石墨烯的光驱动双层复合膜包括具有光学透明性的氧化石墨烯薄膜1、PDMS与贵金属纳米材料的混合物层2。混合物层2内分散贵金属纳米材料3，氧化石墨烯薄膜1平铺固定在混合物层2上，光驱动双层复合膜在光的照射下向发生弯曲变形。

本发明的光驱动双层复合膜主要应用在微流控芯片中，请结合图5，光驱动双层复合膜4的两端固定在微流控芯片5的一侧，且完全覆盖微流控芯片5的相应侧面上的至少一个通道6，并在光的照射下向相应通道6内弯曲，实现对此通道6内微流体的远程光控操纵。

本发明的基于氧化石墨烯的光驱动双层复合膜的制备方法，包括如下步骤。

1、制备具有光学透明性的氧化石墨烯薄膜。

可将氧化石墨烯粉体分散到溶剂二中形成分散液，取分散液置于衬底上低温蒸发形成具有一定透明性的氧化石墨烯薄膜。

在本步骤中，所述的氧化石墨烯为石墨烯的结构骨架上含有各种含氧官能团的二维平面材料，其含氧官能团包括羟基、羧基或环氧键。溶剂二包括水、甲醇、乙醇、乙二醇、异丙醇中的一种或两种以上任意比例的混合物。

在本步骤中，所述取分散液置于衬底上蒸发溶剂，其中衬底为玻璃、聚四氟乙烯、金属、陶瓷、硅片中的一种；蒸发溶剂所采用的温度范围为20～80℃；所形成的氧化石墨烯的厚度为0.5～20μm，在400-800nm波段的透射率大于5％。

具体的，将氧化石墨烯粉体倒入溶剂二中，超声搅拌1h，制备成石墨烯分散液；取分散液置于衬底上蒸发溶剂形成具有一定透明性的氧化石墨烯薄膜。

2)制备PDMS与贵金属纳米材料的混合物层。

将贵金属纳米材料分散到溶剂一中，然后与PDMS前驱体混合，充分搅拌混匀；超声或加热使混合物中的有机溶剂完全挥发，随后与PDMS交联剂以10：1的体积比混合，继续搅拌，并在真空中去除气泡，从而获得PDMS与贵金属纳米材料的混合物。

在本步骤中，所述贵金属纳米材料包括金纳米线、金纳米颗粒、银纳米线、银纳米颗粒、铂纳米线、铂纳米颗粒；分散贵金属纳米材料所使用的溶剂一为水、乙醇、甲醇、乙二醇、异丙醇中的一种。

具体的，将贵金属纳米材料放入溶剂中，然后与PDMS前驱体进行混合，超声搅拌1h，并加热使得溶剂完全挥发；随后与PDMS交联剂以10∶1的体积比进行混合，超声搅拌0.5h，并在真空中放置0.5h去除气泡，从而获得PDMS与贵金属纳米材料的混合物。

3)制备双层复合膜。

将PDMS与金纳米线的混合物旋涂在氧化石墨烯薄膜上，然后加热，从而获得光驱动双层复合薄膜。

在本步骤中，将PDMS与贵金属纳米材料的混合物旋涂在寡层石墨烯薄膜上，其中通过改变混合物的使用量以及旋涂的转速和时间，使得最终PDMS与贵金属纳米材料的混合物层的厚度为30～300μm。

在本步骤中，光驱动薄膜所施加的光源为激光、氙灯产生的模拟太阳光、以及真实的太阳光。

具体的，将PDMS与贵金属纳米材料的混合物旋涂在寡层石墨烯薄膜上，在一定温度下加热使得PDMS交流固化，从而形成光驱动双层复合薄膜。

实施例1

请参阅图1至图3，称取150mg氧化石墨烯粉末分散与50ml水中，超声分散1h，配置成浓度为3mg/ml的分散液。取3ml氧化石墨烯分散液放置到尺寸为75x25cm²玻璃衬底上，50℃低温烘干后，获得具有一定透明性的寡层氧化石墨烯薄膜1。之后，将10mL的0.3nM的金纳米棒即贵金属纳米材料3(长径比为2)分散到0.2mL的乙醇中，并充分搅拌0.5h；将该溶液加入3g的PDMS前驱体中，超声搅拌1h，在40度下加热10分钟用以蒸发乙醇，然后加入0.3g的PDMS交联剂，继续超声搅拌0.5h，从而获得PDMS与金纳米棒的粘稠状混合物即PDMS与贵金属纳米材料的混合物。将表面附着有氧化石墨烯薄膜1的玻璃衬底固定在旋涂机转台上，在氧化石墨烯薄膜上滴1g的PDMS与金纳米棒的混合物，并以1000rpm×15s和3000rpm×1min两步进行甩胶，并在60度上加热10个小时，从玻璃衬底上剥离，从而获得石墨烯/PDMS光驱动双层薄膜。通过扫描电镜截面形貌图(如图1)，可以看到氧化石墨烯薄膜1在断面处呈现出层状结构。石墨烯/PDMS光驱动双层薄膜的光学图片(图2)表面了该薄膜具有一定的透明性。在光的照射下，该薄膜可以发生弯曲变形，其变形位移可达到3mm，如图3、4所示。

基于这种光驱动行为，该基于氧化石墨烯的光驱动双层复合膜可以被用来制作微流控芯片中的微阀装置，这种装置的一种设计原型如图5所示。在图5中，光驱动双层复合膜4的两端固定在微流控芯片5的一侧，且完全覆盖微流控芯片5的相应侧面上的至少一个通道6，并在光的照射下向相应通道6内弯曲，实现对此通道6内微流体的远程光控操纵。

综上所述，该方法制备的光驱动双层复合膜在光的照射下，能产生可控的弯曲变形；基于光致变形特性，光驱动双层复合膜可以被集成到微流控芯片中用作微阀，配合微流控芯片用来控制微流体。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。