一种基于液滴去润湿的迷宫求解方法及迷宫求解器

摘要

本发明提供一种基于液滴去润湿的迷宫求解方法及迷宫求解器。该迷宫求解方法包括：步骤1：通过光刻工艺在基底表面形成至少一个迷宫图案，所述迷宫图案所处的区域为亲液区域，所述迷宫图案之外的区域为疏液区域，所述迷宫图案中通道的区域为疏液区域；步骤2：利用涂布法通过所述基底表面的亲疏液区域和非连续性去润湿过程，在所述基底的所述迷宫图案所处的区域形成液滴；步骤3：在所述迷宫图案中，通过自发性去润湿过程中液滴三相线的运动实现迷宫求解。该基于液滴去润湿的迷宫求解方法及迷宫求解器，提供了基于实验求解迷宫的新思路，迷宫循迹简单，适用范围广，并且可实现高通量的迷宫求解器制备。

说明书

技术领域

本发明涉及迷宫求解器领域，尤其涉及一种基于液滴去润湿的迷宫求解方法及迷宫求解器。

背景技术

解迷宫是指在一个受几何约束的空间中找到一条从源地点到目的地地点的路线。目前有传统的通过数学方法和计算机算法求解迷宫的方法，以及新发展的基于实验的迷宫求解器。基于实验的各种迷宫求解模型尽管形式不同，但其使用的原则类似，均为绘制迷宫图案和追踪。通过发展化学、电或热梯度，均可绘制出迷宫图。从给定的源地点到目的地地点的路径是在地图迷宫中使用运动物质来追踪的流体流动或电流。追踪到的路径可以通过活细胞、染料、液滴、热感应或发光电荷的形态结构来可视化。在迷宫求解的实验模型中，迷宫求解器的速度差别很大。基于辉光放电或热可视化路径的求解器，以及利用结晶的求解器在大约几毫秒或几秒内产生跟踪路径。采用导电粒子、染料、液滴和波的原型在几分钟内就能得到结果。活的生物-黏菌和细胞则需要数小时或数天才能追踪到最短路径。

通过数学方法和计算机算法求解迷宫的方法存在解迷宫速度与迷宫的大小和复杂度呈正比的问题。而基于实验的迷宫求解器存在绘制迷宫图案的过程较复杂，且迷宫求解器不存在广泛适用性的问题。

发明内容

本发明实施方式提供一种基于液滴去润湿的迷宫求解方法及迷宫求解器，以至少解决相关技术中存在的问题之一。为实现该目的，本发明通过以下技术方案实现。

本发明一方面提供一种基于液滴去润湿的迷宫求解方法，包括：步骤1：通过光刻工艺在基底表面形成至少一个迷宫图案，所述迷宫图案所处的区域为亲液区域，所述迷宫图案之外的区域为疏液区域，所述迷宫图案中通道的区域为疏液区域；步骤2：利用涂布法通过所述基底表面的亲疏液区域和非连续性去润湿过程，在所述基底的所述迷宫图案所处的区域形成液滴；步骤3：在所述迷宫图案中，通过自发性去润湿过程中液滴三相线的运动实现迷宫求解。

进一步的，所述至少一个迷宫图案为多个迷宫图案组成的阵列。

进一步的，所述迷宫图案的尺寸为小于900μm，所述迷宫图案中通道的尺寸为5-20μm。

进一步的，所述迷宫图案的尺寸大于或等于450μm而小于650μm时，沿着最长路径的通道先完成去润湿过程；所述迷宫图案的尺寸大于或等于650μm且小于900μm时，沿着最短路径的通道先完成去润湿过程。

进一步的，该方法还包括：通过光学显微镜原位观察并记录所述液滴三相线的运动，以得到基于液滴去润湿的迷宫求解图像。

本发明另一方面提供一种基于液滴去润湿的迷宫求解器，该迷宫求解器用于根据上述基于液滴去润湿的迷宫求解方法求解迷宫，该迷宫求解器包括：基底和形成在所述基底上的至少一个迷宫图案，所述迷宫图案所处的区域为亲液区域，所述迷宫图案之外的区域为疏液区域，所述迷宫图案中通道的区域为疏液区域。

进一步的，所述迷宫图案的尺寸为小于900μm，所述迷宫图案中通道的尺寸为5-20μm。

进一步的，所述迷宫图案的尺寸大于或等于450μm而小于650μm时，沿着最长路径的通道先完成去润湿过程；所述迷宫图案的尺寸大于或等于650μm且小于900μm时，沿着最短路径的通道先完成去润湿过程。

进一步的，所述至少一个迷宫图案为多个迷宫图案组成的阵列。

本发明实施方式具有以下有益效果：

(1)本发明实施方式通过构筑非均匀润湿性表面绘制迷宫图案，进而通过涂布方法在迷宫图案表面生成体积可控的液滴，通过构建非均匀润湿性的表面限制液滴三相线的运动从而达到求解迷宫的目的，同时通过光学显微镜观察液滴去润湿的动态过程，快速得到液滴去润湿解迷宫的图像。该基于液滴去润湿的迷宫求解方法及迷宫求解器，提供了基于实验求解迷宫的新思路，迷宫循迹简单，适用范围广。

(2)液滴能够通过液滴三相线的运动解迷宫的机理在于：当液滴的表面张力和粘附力的合力F<0时，通道内液滴三相线会收缩，反之则被钉扎。等离子处理区域(亲液区域)和疏液区域对液滴的粘附力的不同，使液滴能够在迷宫图案中有方向性的去润湿。当蒸发导致液滴高度h下降到临界高度时，液滴三相线开始在低粘附力疏液区域表面后退。在后退的过程中，高粘附力亲液区域发挥着物理屏障的作用。因此，液滴能够通过表面张力驱动三相线的后退解迷宫。

(3)利用光刻工艺制备迷宫图案阵列，简单快速，并且实现器件微型化，可以低成本高效率的实现迷宫求解器的高通量制备与表征。

(4)利用液滴的去润湿，可以在数十秒时间长度获得迷宫求解，求解速度较高。

(5)通过控制迷宫图案的尺寸，可以实现最短路径求解。

(6)通过增大润湿区(即适量增大迷宫图案的尺寸)的方式，使通道内液滴三相线沿着最短路径去润湿的机制在于：通道为低粘附力区域(即疏液区域)，低粘附力通道处于图案中相对靠近中心的位置；增大润湿区可以使通道更靠近中心区域，随着液滴的蒸发，由于亲水区域的钉扎作用，使液滴趋于扁平化，液滴三相线运动到T型路口处时，三条通道的局部液滴高度接近一致，使液滴三相线能够沿着最短路径先完成去润湿。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为实施例一通过光刻工艺制备迷宫图案基底的流程示意图；

图2为实施例一利用为涂布法在基底表面形成液滴的示意图；

图3为实施例一的基底的微观形貌图；

图4为实施例三的液滴在对称图案表面上蒸发的形貌变化；

图5为实施例三的液滴在非对称图案表面上蒸发的形貌变化；

图6为实施例四的简单迷宫图案：(a-d)液滴在不同时刻的光学显微镜图像，比例尺均为50μm；(e)通道内液滴三相线运动的距离L与蒸发时间t的关系曲线；

图7为实施例四的增大润湿区的迷宫图案：(a-d)液滴在不同时刻的光学显微镜图像，比例尺均为100μm；(e)通道内液滴三相线运动的距离L与蒸发时间t的关系曲线；

图8为实施例四的液滴蒸发时刻图：(a)中间通道最短的迷宫图案；(b)中间通道最长的迷宫图案，比例尺均为100μm；

图9为实施例四的图案临界尺寸的通道内液滴三相线运动的距离L与蒸发时间t的关系曲线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本发明的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。

实施例一

本实施例提供一种基于液滴去润湿的迷宫求解方法，包括：

步骤1：通过光刻工艺在基底表面形成至少一个迷宫图案，迷宫图案所处的区域为亲液区域，迷宫图案之外的区域为疏液区域，迷宫图案中通道的区域为疏液区域。以此构成具有非均匀润湿性的迷宫图案基底。优选的，在基底表面形成迷宫图案阵列，从而实现迷宫求解器的高通量制备。其中，光刻工艺，可以采用掩膜板工艺，也可采用无掩膜工艺。在本实施例中采用无掩膜光刻技术即用电子程序替代实体掩膜板的使用，省去了制备掩膜板的工序和成本，在制备方式上灵活性更强。

通过光刻工艺制备迷宫图案基底的具体步骤如图1所示，包括：

步骤11：在基底上通过蒸镀形成疏液层，在本实施例中疏液层为全氟辛基三乙氧基硅烷(POTS)；

步骤12：在疏液层上通过旋涂涂覆光刻胶层；

步骤13：软烘培固化光刻胶层；

步骤14：曝光、显影；

步骤15：对未被光刻胶覆盖的区域进行选择性亲液处理，例如经过等离子刻蚀处理；

步骤16：去除光刻胶，得到具有非均匀润湿性的迷宫图案基底，其中迷宫图案所处的区域为亲液区域，迷宫图案之外的区域为疏液区域，迷宫图案中通道的区域为疏液区域。

步骤2：利用涂布法通过基底表面的亲疏液区域和非连续性去润湿过程，在基底的迷宫图案所处的区域形成液滴。图2利用为涂布法在基底表面形成液滴的示意图。如图2所示，涂布法是以玻璃刷作为涂布工具，利用液体与玻璃刷头和基底之间的毛细作用力，当刷头在外部机械力牵引下移动时，液体会随着刷头在基底表面上移动。当液体接触到经过等离子体处理的亲液区域(即迷宫图案所处区域)，由于润湿性的差异，液滴三相线会被钉扎在亲液区域的边缘而形成液桥，此时后退角突然减小，随着液滴被继续拉动，液桥持续变薄，当液桥高度达到特定阈值时发生断裂，部分液体回弹至亲液区域，从而在图案化区域形成液滴，这就是非连续性去润湿过程。在本实施例中，将30μL的溶液(例如纯水、二甲基亚砜(DMSO)、乙二醇及十四烷等)，置于玻璃片下，以2500-3500mm/min的涂布速度，在具有润湿性差异的迷宫图案基底上生成液滴阵列。

图3为基底的微观形貌图。其中，图3(a)为经过等离子刻蚀和去除光刻胶后的基底润湿图，比例尺为50μm；图3(b)为基底的SEM(扫描电子显微镜)图像，颜色深的地方为POTS覆盖的区域，比例尺为50μm；图3(c)为迷宫图案中通道的局部放大图，比例尺为5μm；图3(d)为疏液区域的接触角；图3(e)为亲液区域的接触角。由图3(d)和3(e)可看出，疏液区和亲液区具有明显的润湿差异。如图3所示，被POTS层覆盖的区域保持疏液的特性，与纯水的接触角约为109.7°，而经过等离子体处理的区域则为亲液的特性，与纯水的接触角约为2.3°。经过等离子体处理后POTS层被刻蚀掉导致硅基底裸露，其他区域被POTS层覆盖呈现更深的颜色如图3(b)所示。通过光刻技术制备的图案化表面呈现光滑均一的形貌如图3(c)所示，而基底润湿性的差异在润湿的状态下才能够区分亲液区和疏液区。整个图案的尺寸约为450×450μm，中间疏液通道的宽度约为5-6μm。

步骤3：在迷宫图案中，通过自发性去润湿过程中液滴三相线的运动实现迷宫求解。在本实施例中，利用光学显微镜的CCD高速摄像头拍摄液滴蒸发的实时图像数据，同步传输至计算机中以记录液滴三相线运动及母液滴的分裂情况。液滴蒸发过程中以1帧/秒的拍摄速度观察液滴三相线运动及母液滴的分裂情况，保持环境温度为22℃，湿度为48％，且在稳定环境下进行实验以减少气流流动对液滴蒸发的影响。

实施例二

本实施例提供一种基于液滴去润湿的迷宫求解器，用于实施例一的迷宫求解方法。该迷宫求解器包括：基底和形成在基底上的至少一个迷宫图案，迷宫图案所处的区域为亲液区域，迷宫图案之外的区域为疏液区域，迷宫图案中通道的区域为疏液区域。优选的，在基底表面形成有迷宫图案阵列，从而可提高迷宫求解器的通量。其中，迷宫图案的尺寸为小于900μm，迷宫图案中通道的尺寸为5-20μm。

实施例三

本实施例通过实验进一步对影响基于液滴去润湿的迷宫求解器的迷宫求解路径的因素进行研究。

在本实施例中，以二甲基亚砜(DMSO)液体为研究对象，方形图案的尺寸为450×450μm，圆形图案的直径为450μm，通道的宽度均为5μm。在对称图案中，分为直线型、折线型和圆形左右对称通道；而在非对称图案中，左右通道的长度和位置均不相同。迷宫问题首要是寻找通路，其次是寻找最短路径。液滴在均匀润湿性表面上的蒸发呈现各向同性的性质，而在本发明实施例中通过构建非均匀润湿性的表面限制液滴三相线的运动从而达到解迷宫的目的，并最终实现母液滴的分裂。图4为液滴在对称图案表面上蒸发的形貌变化：(a)直线型左右对称图案；(b)折线型左右对称图案；(c)圆形左右对称图案，比例尺均为50μm。如图4所示，在对称性迷宫图案中，液滴的去润湿在前期存在对称收缩的特点，直至液滴高度下降至不稳定破裂的高度，从而随机性去润湿解迷宫。图5为液滴在非对称图案表面上蒸发的形貌变化：(a)直线型图案；(b)折线型图案；(c)圆形图案，比例尺均为50μm。如图5所示，在非对称双通道迷宫图案中，将左边低润湿性通道的长度记为L

实施例四

本实施例通过实验进一步对影响基于液滴去润湿的迷宫求解器的迷宫求解最短路径的因素进行研究。

在本实施例中，选取蒸发速率更快的去离子水作为解迷宫的研究对象。采用CCD高速摄像机以10帧/秒的拍摄速度观察液滴蒸发过程，并绘制通道内液滴三相线运动的距离与蒸发时间的关系曲线如图6(e)所示。在经过蒸发前期的平台区后，通道内液滴三相线运动到分岔路口，如图6(b)所示，在t＝2.9s时，液滴三相线往左持续收缩了232.7μm，往中间收缩了68.6μm，往右收缩了141.7μm。此时，通道内去润湿的部分液体进入亲液区，导致局部液滴高度增加，然后通道内液滴三相线运动速度减慢。在t＝5.6s时，左边离边界位置最近的长通道先完成去润湿，左侧子液滴完成分裂，如图6(c)所示。然后分别在t＝9s和t＝9.5s时，中间和右侧通道相继完成去润湿，并形成三个子液滴。

为了使通道内液滴三相线沿着最短通道先完成去润湿，采用在原图案的基础上增大润湿区面积的方式，如图7(a)所示，图案的尺寸为650×650μm，通道宽度为5μm，L

液滴能够通过液滴三相线的运动解迷宫的机理在于：当液滴的表面张力和粘附力的合力F<0时，通道内液滴三相线会收缩，反之则被钉扎。等离子处理区域(亲液区域)和疏液区域对液滴的粘附力的不同，使液滴能够在迷宫图案中有方向性的去润湿。当蒸发导致液滴高度h下降到临界高度时，液滴三相线开始在低粘附力疏液区域表面后退。在后退的过程中，高粘附力亲液区域发挥着物理屏障的作用。因此，液滴能够通过表面张力驱动三相线的后退解迷宫。

而通过增大润湿区的方式，使通道内液滴三相线沿着最短路径去润湿的机制在于：通道为低粘附力区域(即疏液区域)，低粘附力通道处于图案中相对靠近中心的位置；增大润湿区可以使通道更靠近中心区域，随着液滴的蒸发，由于亲水区域的钉扎作用，使液滴趋于扁平化，液滴三相线运动到T型路口处时，三条通道的局部液滴高度接近一致，使液滴三相线能够沿着最短路径先完成去润湿。

进一步的，研究液滴沿着最短通道完成去润湿的结果与通道距离边界的位置的相关性。液滴在不同时刻的形貌如图8所示。当最短通道在图案的中间，在t＝35.1s时，通道内液滴三相线先从中间最短通道完成去润湿，其中，三条通道的长度分别为L

进一步地，当图案的尺寸增大到临界尺寸900×900μm时，通道内液滴三相线运动的距离L与蒸发时间t的关系曲线如图9所示。当增大润湿区的面积达到实施例三的图案尺寸的一倍时，由于增大润湿区的部分液体分子内聚力过大，导致当通道内液滴三相线运动到T型分岔路口时，图案内的疏水通道部分在一瞬间完成去润湿。如图9所示，在t＝121s时，图案中三条疏液通道同时完成去润湿。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。