专利摘要

本发明涉及一种基于气泡的光驱浮潜运动装置，包括由具有高效电磁波吸收特性的光热转化材料与基体材料复合形成的浮潜运动主体，在浮潜运动主体的光热转化材料部分的表面还加工有可束缚一层微气泡的微纳米结构。与现有技术相比，本发明实现了基于光热效应的热气泡的驱动，将光能转换成为自身的动能，实现了光照条件下的可控运动，简化了液体中运动体的设计，开拓了液体中物体驱动的新方法，可以在多种液体中运动，包括水及其他有机物液体，具有广阔的应用前景。

权利要求

1.一种基于气泡的光驱浮潜运动装置，其特征在于，包括由具有高效电磁波吸收特性的光热转化材料与基体材料复合形成的浮潜运动主体，在浮潜运动主体的光热转化材料部分的表面还加工有可束缚一层微气泡的微纳米结构；

所述的光热转化材料的表面还进行超疏处理，使得光驱浮潜运动装置浸入待运动液体中时，光热转化材料具有微纳米结构的部分的表面不会被待运动液体完全润湿；

所述的光热转化材料包括不与待运动液体反应的具有高效电磁波吸收特性的金属、非金属无机物颗粒或其复合材料，其选自炭黑、纳米金颗粒或石墨烯中的一种；

所述的基体材料包括不与待运动液体反应的金属、无机非金属或有机聚合物；

所述微纳米结构为保证其表面不被待运动液体润湿的微纳米尺度的孔、圆柱、圆锥、片状结构或球状结构；

被所述光热转化材料捕获并发生光热转化的入射电磁波包括固定波长激光波、紫外光波、可见光波、红外光波或微波；

光热转化材料吸收入射电磁波发热上浮时，光热转化材料表面的微气泡保持附着在其表面。

2.根据权利要求1所述的一种基于气泡的光驱浮潜运动装置，其特征在于，光热转化材料与基体材料的复合程度刚好满足：未受光照条件下，浮潜运动主体的密度大于待运动液体，并刚好可沉没于待运动液体中。

3.根据权利要求1所述的一种基于气泡的光驱浮潜运动装置，其特征在于，入射电磁波被光热转化材料吸收的方式为本征吸收与等离激元共振效应吸收。

说明书

技术领域

本发明属于功能材料新型驱动技术领域，涉及一种基于气泡的光驱浮潜运动装置。

背景技术

液体中的驱动方式的研究有着广阔的应用前景，可以用来推动物体在液体中的运动；与光催化物质结合例如二氧化钛等，用于降解水中污染物净化水源等。现有的浮潜运动驱动方法主要是依靠化学反应释放的气体驱动。但是在运动过程中，化学反应所需的化学物质例如过氧化氢，镁，碳酸钙等会随着运动过程的进行逐渐被消耗完毕。使用基于化学物质反应释放气体的运动过程是不可持续的。另外，通过化学反应的驱动，在运动过程中难以对运动施以有效的控制。化学物质也限制了此类驱动在其他环境中的实际应用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于气泡的光驱浮潜运动装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于气泡的光驱浮潜运动装置，包括由具有高效电磁波吸收特性的光热转化材料与基体材料复合形成的浮潜运动主体，在浮潜运动主体的光热转化材料部分的表面还加工有可束缚一层微气泡的微纳米结构。

进一步的，所述的光热转化材料的表面还进行超疏处理，使得光驱浮潜运动装置浸入待运动液体中时，光热转化材料具有微纳米结构的部分的表面不会被待运动液体完全润湿。

进一步的，所述的光热转化材料包括不与待运动液体反应的具有高效电磁波吸收特性的金属、非金属无机物颗粒或其复合材料；

所述的基体材料包括不与待运动液体反应的金属、无机非金属或有机聚合物。

进一步的，光热转化材料与基体材料的复合程度刚好满足：未受光照条件下，浮潜运动主体的密度大于待运动液体，并刚好可沉没于待运动液体中。

进一步的，所述微纳米结构为保证其表面不被待运动液体润湿的微纳米尺度的孔、圆柱、圆锥、片状结构或球状结构。

进一步的，被所述光热转化材料捕获并发生光热转化的入射电磁波包括固定波长激光波、紫外光波、可见光波、红外光波或微波。

更进一步的，入射电磁波被光热转化材料吸收的方式为本征吸收与等离激元共振效应吸收。

进一步的，光热转化材料吸收入射电磁波发热上浮时，光热转化材料表面的微气泡保持附着在其表面。

本发明的工作原理如下：

使用具有高效电磁波吸收特性的光热转化材料与基体材料复合，用于捕获入射电磁波并将其转换成热量。同时将其表面加工成特殊的微纳米结构，使其能够在液体浸没时，表面能够束缚一层微小的气泡。调整其整体密度比液体稍大，会逐渐沉于液体中，但不会被液体浸润表面。入射光被电磁波吸光颗粒(即光热转化材料)吸收，并被转化为热量加热材料表面和内部的空气。附着在表面的气泡逐渐膨胀，体积变大，并且未从表面脱离。随着气泡的膨胀，物体所受的浮力增加，驱动物体的向上运动。去掉光照后，热量逐渐散失于周围的液体中，气泡冷却，体积减小，物体的浮力减小。在重力的作用下，物体向下运动。在整个运动过程中，气泡未脱离，类似的上浮和下潜运动可以重复多次进行。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)利用光热转化材料将光能高效转化为热量，通过气泡的膨胀和收缩控制物体的运动。在整个运动过程中，气泡不会脱离表面的束缚。因此，运动过程可以持续循环进行。实现了光能到动能的转化。

(2)使用本征吸收或等离激元共振效应吸收光能，提高光热转化效率。

(3)驱动使用的光能清洁无污染，有节能减排作用。

(4)超疏液表面的存在保证了在浸没在液体中时能够附着很多小气泡。

(5)可使用较低强度的光照有效地控制物体的运动。

(6)本发明可以通过表面微结构设计和化学修饰，实现在多种液体中运动，在药物运输与释放、污水净化、能量转换等领域具有广泛的应用价值。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为浮潜运动主体的扫描电子显微镜照片；

图3为光驱浮潜运动装置在水中的运动高度随时间的变化图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

参见图1所示的一种基于气泡的光驱浮潜运动装置，包括由具有高效电磁波吸收特性的光热转化材料1与基体材料2复合形成的浮潜运动主体，在浮潜运动主体的光热转化材料部分的表面还加工有可束缚一层微气泡的微纳米结构。

在本发明的一种优选的实施方式中，所述的光热转化材料的表面还进行超疏处理，使得光驱浮潜运动装置浸入待运动液体中时，光热转化材料具有微纳米结构的部分的表面不会被待运动液体完全润湿。

进一步的，所述的光热转化材料包括不与待运动液体反应的具有高效电磁波吸收特性的金属、非金属无机物颗粒或其复合材料；

所述的基体材料包括不与待运动液体反应的金属、无机非金属或有机聚合物。

进一步的，光热转化材料与基体材料的复合程度刚好满足：未受光照条件下，浮潜运动主体的密度大于待运动液体，并刚好可沉没于待运动液体中。

进一步的，所述微纳米结构为保证其表面不被待运动液体润湿的微纳米尺度的孔、圆柱、圆锥、片状结构或球状结构。

进一步的，被所述光热转化材料捕获并发生光热转化的入射电磁波包括固定波长激光波、紫外光波、可见光波、红外光波或微波。

更进一步的，入射电磁波被光热转化材料吸收的方式为本征吸收与等离激元共振效应吸收。

进一步的，光热转化材料吸收入射电磁波发热上浮时，光热转化材料表面的微气泡保持附着在其表面。

进一步的，表面处理方法包括掩膜光刻法，化学修饰，化学或物理吸附方法包括常规的浸泡，浸渍，雾化喷涂，物理气相沉积，或模板法等。

以下各实施例中，如无特别说明，则表明所采用的材料或技术均为本领域技术人员的常用技术手段。

实施例1

(1)将氯化钠颗粒，炭黑颗粒和液态PDMS混合(三者的混合可以根据实际需求调配，一般质量比为606:1:100)，然后倒入模具中，放到烘箱中使其凝固。然后将其浸泡在水中，通过不断挤压，PDMS内部的氯化钠颗粒不断溶于水中，在相应部位留下尺寸相同的小孔。待氯化钠颗粒完全溶解后，再置于烘箱中烘干，得到多孔PDMS，其表面结构参见图2所示，可见，其表面具有无数微纳米尺寸的孔洞。

(2)将多孔PDMS裁剪成合适大小。通过测量和计算，用铁块作为负重，使其密度稍大于水的密度，达到刚好可下潜至水中的程度。

(3)将带有铁块作为负重的多孔PDMS放于水中，逐渐下降到水的底部。同时可以在多孔PDMS的表面可以观察到一层微小的气泡。使用氙灯作为光源，当光照射到其表面上时，炭黑吸收光能并转换成热能，多孔PDMS温度升高。表面的气泡逐渐膨胀，随着气泡的体积增大，浮力克服重力，促使多孔PDMS向上运动。去掉光照后，多孔PDMS的热量逐渐传递给周围较冷的水，温度降低，气泡收缩，体积减小，物体的浮力减小。在重力的作用下，多孔PDMS向下运动。在整个运动过程中，气泡未脱离，类似的上浮和下潜运动可以重复多次进行。

本实施例中的多孔PDMS在水中的高度变化如图3所示，可见，通过光照条件的控制，可以有效的控制多孔PDMS在水中的上下潜伏运动。

实施例2

本实施例中，具有电磁波吸收特性物质为纳米金颗粒；使用实施例中的方法，使用氯化钠颗粒和PDMS制作多孔PDMS。然后将其浸泡于0.5％(m/v)氯金酸的乙醇溶液中或将0.5％(m/v)氯金酸的乙醇溶液滴在多孔PDMS上，由于PDMS中的残余固化剂会将氯金酸还原，因此在室温下静置一段时间后即可在多孔PDMS内部合成纳米金颗粒。使用532nm激光作为光源驱动器运动。其余同实施例1。

实施例3

直接使用金属泡沫作为基体材料。将铜泡沫放在0.065M K2S2O8和2.5M KOH的混合溶液中，并在60℃下加热30min，表面发生化学反应，形成一定的微结构。再将石墨烯通过有机物粘接在铜泡沫表面作为电磁波吸收材料。然后将整体浸泡在1.0％(wt％)1H，1H，2H，2H-全氟癸基三乙氧基硅烷(PFTS)的乙醇溶液中，室温下反应30min，随后拿出溶液并在80℃下加热30min，通过上述化学修饰使铜泡沫表面表现出疏水性。其余同施例1。

实施例4

使用掩膜光刻法，在硅片表面上加工出特定微结构。然后将硅片放置到焦耳蒸发器超高真空室中，以便随后沉积金薄膜，蒸发速率在0.02nm/s左右，蒸发后，将样品放入水平管式电阻炉石英室，在惰性气氛下进行退火，从而在硅片上沉积一层具有电磁波吸光特性的纳米金颗粒。随后将沉积金纳米颗粒的硅片浸没在体积比V(硫醇)：V(丙酮)＝1：49的烷基硫醇和丙酮溶液中3小时，通过化学修饰，金纳米颗粒表面呈现疏水特性。浸没到水中后，表面附着气泡。通过光照加热改变浮力大小，驱动物体运动。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

一种基于气泡的光驱浮潜运动装置专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。