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  2024年12月，中南大學(xué)蔣炳炎-吳旺青教授團(tuán)隊(duì)以“An innovative patternable microelectrode bonding technology for high-performance and cost-effective sealing in microfluidic chips”為題，在期刊《Chemical Engineering Journal》（IF：13.4，JCR一區(qū)，中科院一區(qū)TOP）發(fā)表了研究性論文。中南大學(xué)吳旺青教授為通訊作者，2020級博士研究生趙百順為論文第一作者。中南大學(xué)極端服役性能精準(zhǔn)制造全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為第一單位。論文合作者還包括英國利茲大學(xué)/鄧迪大學(xué)的Dimitrios Kontziampasis博士。

  微流控芯片技術(shù)憑借其精確操控微小液滴和生物分析的能力，在生物醫(yī)學(xué)和化學(xué)分析領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。然而，制造高質(zhì)量微流控芯片所需的復(fù)雜技術(shù)限制了其市場化和廣泛應(yīng)用。本文提出了一種面向模內(nèi)鍵合集成制造的新型微流控芯片鍵合技術(shù)——基于可圖案化的微電極熔接，旨在實(shí)現(xiàn)高可靠、低成本和高通量的模內(nèi)鍵合。該技術(shù)利用微電極在低電壓下的焦耳熱效應(yīng)，在芯片鍵合界面快速生熱，實(shí)現(xiàn)微流控芯片熔融鍵合。團(tuán)隊(duì)基于電沉積法制備的鎳微電極能夠以低于3伏的電壓在15秒內(nèi)迅速完成芯片鍵合。研究表明，基于微電極鍵合技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)微流控芯片高強(qiáng)度、小變形協(xié)同鍵合。鍵合芯片爆破強(qiáng)度＞2.9 MPa，微通道變形＜10%。這項(xiàng)技術(shù)無需使用化學(xué)品或污染物，也不需要復(fù)雜的設(shè)備，使其成為一種簡單、綠色和可持續(xù)的鍵合新方法，為微流控芯片技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供關(guān)鍵技術(shù)支持。

研究背景：微流控芯片模內(nèi)鍵合技術(shù)

  作為一種高度集成的微流體分析系統(tǒng)，微流控芯片的優(yōu)勢在于其獨(dú)特的微納尺度結(jié)構(gòu)特征和復(fù)雜的系統(tǒng)集成能力。為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能集成，微流控芯片多采用多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，并通過鍵合的方式形成封閉的微通道網(wǎng)絡(luò)。其結(jié)構(gòu)完整性和功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于鍵合技術(shù)的精確性和可靠性。傳統(tǒng)的熱壓、等離子、化學(xué)和膠鍵合方法工序離散，效率較低，難以應(yīng)用于大批量生產(chǎn)。隨著微流控芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，高質(zhì)量鍵合需求與低效率鍵合方法之間的矛盾導(dǎo)致鍵合技術(shù)趨于復(fù)雜化。中南大學(xué)蔣炳炎教授在國際上率先提出了模內(nèi)鍵合思想，即將熱鍵合技術(shù)集成到模具內(nèi)，在一套模內(nèi)先后完成微流控芯片注塑成型及模內(nèi)鍵合，其主要優(yōu)勢包括：工藝集成化、工序自動(dòng)化、生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化等。然而，該方法仍面臨模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜、鍵合質(zhì)量協(xié)同調(diào)控困難，以及規(guī)模化生產(chǎn)適應(yīng)性等挑戰(zhàn)。

研究亮點(diǎn)：提出基于微電極的熱熔鍵合新方法

  在微流控芯片的制造過程中，鍵合封裝質(zhì)量是決定產(chǎn)品性能的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的封裝技術(shù)往往因?yàn)榧夹g(shù)復(fù)雜、成本高昂而限制了微流控產(chǎn)品的市場化。針對這一挑戰(zhàn)，本研究提出了一種新穎的微電極鍵合技術(shù)，該技術(shù)利用低電壓下微電極的焦耳熱效應(yīng)，訊速產(chǎn)生足夠的熱量，實(shí)現(xiàn)芯片的成功鍵合。

創(chuàng)新成果：微電極設(shè)計(jì)與電沉積制造

  研究中使用的微電極材料為鎳，這是一種具有優(yōu)異的熱、電導(dǎo)性以及機(jī)械強(qiáng)度的材料。通過小批量電沉積工藝制備的微電極，能夠在低電壓下產(chǎn)生高效的熱能，實(shí)現(xiàn)微流控芯片的快速鍵合。這種材料和工藝的選擇，不僅提高了鍵合的效率和質(zhì)量，而且降低了成本，為微流控芯片的大規(guī)模生產(chǎn)提供了可能。

實(shí)際意義與應(yīng)用價(jià)值：綠色、可持續(xù)的集成制造技術(shù)

  與傳統(tǒng)的鍵合技術(shù)相比，該技術(shù)無需使用化學(xué)試劑或污染物，也不需要復(fù)雜的設(shè)備，是一種簡單、綠色和可持續(xù)的方法。這對于推動(dòng)工程和制造業(yè)朝著可持續(xù)的未來發(fā)展具有重要意義。此外，該技術(shù)的應(yīng)用范圍廣泛，從藥物輸送系統(tǒng)、診斷檢測到環(huán)境監(jiān)測和芯片實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，都展示了其巨大的應(yīng)用潛力。

深入解讀：技術(shù)參數(shù)與性能評估

  研究中對微電極和微流道的形態(tài)特征進(jìn)行了詳細(xì)的表征，并使用高速紅外攝像機(jī)評估了加熱產(chǎn)生的質(zhì)量。通過測量微流道的爆破壓力來表征鍵合強(qiáng)度，結(jié)果顯示，該技術(shù)能夠在低至3伏的電壓下實(shí)現(xiàn)快速的聚合物鍵合，且鍵合強(qiáng)度＞2.9 MPa，微流道變形＜10%，表明了該技術(shù)的高效性和可靠性。基于微電極的微流控芯片鍵合技術(shù)主要特點(diǎn)：

? 高效：鍵合時(shí)間短，只需幾十秒鐘，易實(shí)現(xiàn)模內(nèi)集成。

? 性能優(yōu)異：鍵合強(qiáng)度高，微通道變形小。

? 成本低：無需使用專用鍵合設(shè)備和溶劑，微電極制造工藝成熟、規(guī)模化潛力大。

? 環(huán)保：無需使用膠黏劑、有機(jī)溶劑等有害物質(zhì)。

? 適用性強(qiáng)：可用于多種聚合物材料。

意義與價(jià)值

圖1. 微電極鍵合原理與工藝流程

圖2. 圖案化微電極電沉積制備工藝

圖3. 微電極鍵合表現(xiàn)

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.158214

作者簡介

通迅作者：吳旺青，中南大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，湖南省科技創(chuàng)新類湖湘青年英才。現(xiàn)任中南大學(xué)機(jī)械制造及其自動(dòng)化系主任、全國模具標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)委員、中機(jī)生產(chǎn)工程分會(huì)模具制造與成型技術(shù)專業(yè)委員會(huì)委員。主要從事金屬/塑料先進(jìn)成型及其智能化研究，主持/承擔(dān)國家自然科學(xué)基金青年/面上/重點(diǎn)國際合作研究項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題、湖南省人才專項(xiàng)、長沙市自然科學(xué)基金以及校企合作項(xiàng)目10余項(xiàng)，在Chemical Engineering Journal, Materials & Design, Journal of Alloys and Compounds等期刊以第一/通訊作者發(fā)表期刊論文40余篇，獲國家授權(quán)發(fā)明專利20余項(xiàng)。博士后合作、博士/碩士研究生報(bào)名聯(lián)系方式：csuwwq@csu.edu.cn。

第一作者：趙百順，中南大學(xué)20級博士研究生，參與國家自然科學(xué)基金面上/重點(diǎn)國際合作研究項(xiàng)目、長沙市自然科學(xué)基金以及校企合作項(xiàng)目4項(xiàng)，在Chemical Engineering Journal, Materials & Design, Journal of Materials Research and Technology等期刊以第一作者發(fā)表研究論文8篇。2023年獲中南大學(xué)博士研究生國家獎(jiǎng)學(xué)金，湖南省模具技術(shù)論壇會(huì)優(yōu)秀論文一等獎(jiǎng)；2022年獲NanoMan 2022 & AETS 2022國際會(huì)議最佳論文獎(jiǎng)。