本本發(fā)明屬于仿生微納制造領(lǐng)域，具體涉及一種仿生水汽冷凝與收集結(jié)構(gòu)及其制備方法，這種水汽冷凝與收集結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的水汽冷凝特性，并能將冷凝形成的水滴定向收集起來(lái)，為高效水汽冷凝與收集結(jié)構(gòu)提供一種解決方案。

背景技術(shù)：

在冷凝過程，由于冷凝液附著于冷凝結(jié)構(gòu)表面，阻礙了潮濕空氣和冷凝結(jié)構(gòu)表面的熱交換過程。因此，要獲得優(yōu)異性能的水汽冷凝與收集結(jié)構(gòu)，就要讓冷凝形成的冷凝液快速有效地脫離冷凝結(jié)構(gòu)表面。工業(yè)上目前使用的主要是采用疏水表面或者超疏水表面，使得冷凝液成滴狀，并讓冷凝表面傾斜或豎直放置，冷凝形成的液滴在體積達(dá)到一定程度就在重力作用下脫離冷凝結(jié)構(gòu)表面。然而，在冷凝初始階段疏水表面的冷凝效果比親水表面要差許多，如果能讓親水表面形成的冷凝液快速脫落，將可以獲得更有效的水汽冷凝結(jié)構(gòu)。

自然界中有許多具有優(yōu)異水汽冷凝特性的生物結(jié)構(gòu)，其表面為親水或者親疏水相間的結(jié)構(gòu)，同時(shí)能使表面冷凝形成的液滴定向收集，快速脫離冷凝結(jié)構(gòu)表面，又開始新的冷凝過程，如沙漠中的甲蟲表面、蜘蛛絲、仙人掌刺等結(jié)構(gòu)。2001年Andrew R.Parker等人在《Nature》雜志上指出，沙漠甲蟲表面具有優(yōu)異水汽冷凝特性主要源于其表面親疏水相間的周期性微納米結(jié)構(gòu)，疏水表面冷凝形成的液滴匯集到親水區(qū)域，借助風(fēng)力作用完成定向收集。2010年江雷等人在《Nature》雜志上報(bào)道了蜘蛛絲的紡錘體 結(jié)構(gòu)，表面存在浸潤(rùn)性梯度及自由能梯度，能定向地在晨霧中收集微小液滴形成大液滴。

目前已有的仿生水汽冷凝與收集的結(jié)構(gòu)主要有兩種，一種是錐形的類仙人掌刺結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)主要利用液滴在錐形表面的自由能梯度，在錐形尖端冷凝形成的液滴往錐形底部匯集，使尖端又重新暴露在潮濕空氣中，又開始形成新的冷凝過程；另一種是類沙漠甲蟲表面結(jié)構(gòu)，即疏水表面上分布有親水的圓形或者矩形陣列，冷凝形成的液滴會(huì)匯集到親水區(qū)域，隨著液滴體積增大，相鄰親水區(qū)域的液滴會(huì)發(fā)生合并，而使一部分親水區(qū)域裸露出來(lái)，這種過程持續(xù)發(fā)生，合并形成的冷凝液滴體積持續(xù)增大，當(dāng)冷凝表面傾斜放置時(shí)，大的冷凝液滴會(huì)在重力作用下脫離冷凝表面，使得冷凝過程繼續(xù)進(jìn)行。

上述的兩種仿生水汽冷凝與收集結(jié)構(gòu)具有一定的局限性，類仙人掌刺結(jié)構(gòu)為錐形結(jié)構(gòu)，而一般工業(yè)中應(yīng)用的冷凝表面為平面結(jié)構(gòu)，并且錐形結(jié)構(gòu)的規(guī)模制備難度較大；類沙漠甲蟲表面結(jié)構(gòu)最終是在重力作用下脫離冷凝結(jié)構(gòu)表面，脫離時(shí)的冷凝液已經(jīng)足夠多(通常冷凝液尺寸達(dá)到幾毫米)，對(duì)冷凝過程已經(jīng)形成了一定的阻礙作用，為了使冷凝液快速脫離，就必須減少親水區(qū)域所占的比例，但這樣一來(lái)也就同時(shí)限制了水汽冷凝與收集結(jié)構(gòu)的性能。此外，目前已有技術(shù)采用制備疏水區(qū)域所使用的方法一般是采用自組裝疏水分子層或者涂覆疏水涂料的方法，制備的疏水區(qū)域表面容易因受到污染而使疏水性能變差，降低表面冷凝性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述技術(shù)缺陷，本發(fā)明提供一種仿生水汽冷凝與收集結(jié)構(gòu)及其制備方法，其目的在于提供高效的水汽冷凝與收集結(jié)構(gòu)和制備方法，在豎直、傾斜和水平放置時(shí)都能完成冷凝液的收集，具備高效水汽冷凝與收集能力冷凝與收集性能好，制備方法簡(jiǎn)單，易于規(guī)模制備。

本發(fā)明提出的一種仿生水汽冷凝與收集結(jié)構(gòu)，其特征在于，其在硅基底上，加工有氧化硅親水區(qū)，氧化硅厚度為200-800nm；硅基底表面其它區(qū)域制有超疏水的硅納米線結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的，所述的冷凝與收集結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的親水區(qū)形狀為若干個(gè)等腰三角形線性排列成的楔形陣列，或者輻條為等腰三角形的輪轂形陣列；其中：所述楔形陣列是以等腰三角形底邊共線排列而成，各三角形間距相等；各三角形底線另一面為冷凝液匯集區(qū)；所述輪轂陣列是以等腰三角形底邊繞輪轂內(nèi)圓相切方式、按各三角形頂角平分線等角度排列而成；輪轂內(nèi)圓的內(nèi)部區(qū)域?yàn)槔淠簠R集區(qū)；所述匯集區(qū)基底為氧化硅，和\或所述引流通道由多孔材料制成。

相應(yīng)地，本發(fā)明提出一種仿生水汽冷凝與收集結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括如下步驟：

(1)在基底表面旋涂光刻膠，通過光刻掩模曝光顯影，形成樣品；所述基底為表面有氧化硅層的硅晶圓片，所述掩模的圖形為若干個(gè)等腰三角形線性排列成的楔形陣列，或者輻條為等腰三角形的輪轂形陣列；

所述楔形陣列是以等腰三角形底邊共線排列而成，各三角形間距相等；各三角形底線另一面為冷凝液匯集區(qū)；

所述輪轂陣列是以等腰三角形底邊繞輪轂內(nèi)圓相切方式、按各三角形頂角平分線等角度排列而成；輪轂內(nèi)圓的內(nèi)部區(qū)域?yàn)槔淠簠R集區(qū)；

(2)刻蝕氧化硅層：刻蝕步驟(1)制備的樣品，使未被光刻膠保護(hù)的氧化硅層被刻蝕，裸露出硅；

(3)制備疏水區(qū)域：刻蝕步驟(2)處理后的樣品，在未被光刻膠保護(hù)的區(qū)域制備出超疏水的硅納米線結(jié)構(gòu)表面；一般而言，超疏水表面一般指表面接觸角大于150°。

(4)去除光刻膠：將步驟(3)處理得到的樣品放到去膠液或者丙酮溶液中，進(jìn)行超聲清洗，再用去離子水清洗，用氮?dú)鈽尨蹈?，使樣品表? 的氧化硅層裸露出來(lái)；

(5)制備冷凝液引流通道：使用多孔材料在冷凝液匯集區(qū)域制備引流通道，將冷凝液匯集區(qū)域的冷凝液引流出樣品表面；所述多孔材料包括化學(xué)纖維、金屬氧化物納米線網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)或者經(jīng)過親水處理的泡沫金屬材料。

進(jìn)一步的，所述的仿生水汽冷凝與收集結(jié)構(gòu)的制備方法中，步驟(1)中的輪轂形陣列中的單個(gè)三角形的頂角為0.5-3°，高為0.5-2cm，各三角形相鄰邊的最小間距為0-300μm。

進(jìn)一步的，所述的仿生水汽冷凝與收集結(jié)構(gòu)的制備方法中，所述刻蝕制備疏水區(qū)域采用的是感應(yīng)耦合等離子方法，感應(yīng)等離子刻蝕的參數(shù)為：射頻功率為20±2W，等離子耦合功率為700±50W，氣壓為10±1mTorr，氣體流量SF₆＝17±2sccm，C₄F₈＝30±5sccm。

進(jìn)一步的，所述的仿生水汽冷凝與收集結(jié)構(gòu)的制備方法中，步驟(2)采用的刻蝕溶液是氫氟酸和氟化銨混合溶液，其中混合溶液中氫氟酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5-10％，氟化銨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15-20％。

進(jìn)一步的，所述的仿生水汽冷凝與收集結(jié)構(gòu)的制備方法中，所述步驟(3)中制備得到的硅納米線結(jié)構(gòu)厚度為0.5-3μm；

進(jìn)一步的，所述的仿生水汽冷凝與收集結(jié)構(gòu)的制備方法中，所述氧化硅層的厚度為200-800nm。

進(jìn)一步的，所述的仿生水汽冷凝與收集結(jié)構(gòu)的制備方法中，使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5-1％的氫氟酸溶液處理氧化硅層表面，使氧化硅層結(jié)構(gòu)具有更好的親水性。

進(jìn)一步的，所述的仿生水汽冷凝與收集結(jié)構(gòu)及制備方法中，所述匯集區(qū)基底為氧化硅，和\或所述引流通道由多孔材料制成。

通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)方案相比，由于采用了特殊的結(jié)構(gòu)和新的原理制備仿生水汽冷凝與收集結(jié)構(gòu)，具有以下特點(diǎn)和優(yōu)異效果：

(1)本發(fā)明采用特殊的親疏水相間的結(jié)構(gòu)，利用表面張力而非重力來(lái)完成冷凝液定向收集，使得冷凝液的尺寸在達(dá)到幾百微米甚至幾十微米就可以定向收集，使得部分冷凝區(qū)域裸露出來(lái)，開始新的冷凝過程，受冷凝液阻礙作用很小；

(2)使用本發(fā)明所使用的方法制備出的結(jié)構(gòu)，親水區(qū)域的表面接觸角小于8°，疏水區(qū)域的表面接觸角大于150°；

(3)本發(fā)明采用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)制備硅納米線作為疏水區(qū)域的結(jié)構(gòu)，疏水特性源于硅納米線的特性，同時(shí)該方法制備得到的納米線結(jié)構(gòu)表面有一層氟基化合物，疏水區(qū)域(1)的疏水特性能夠長(zhǎng)久有效地保持；

(4)本發(fā)明使用多孔材料作為引流通道，由于多孔材料具有非常良好的吸水性能，即使是水平放置的時(shí)候也能夠?qū)⒗淠簠R集區(qū)域的冷凝液快速有效引流出冷凝結(jié)構(gòu)。

附圖說(shuō)明

圖1(a)為線性分布楔形陣列的仿生水汽冷凝與收集結(jié)構(gòu)示意圖；

圖1(b)為輪轂形分布楔形陣列的仿生水汽冷凝與收集結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中，1為疏水區(qū)域，2為親水楔形陣列，3為冷凝液匯集區(qū)域，4為引流通道。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

實(shí)施例中，冷凝與收集結(jié)構(gòu)其在硅基底上，加工有氧化硅親水區(qū)，硅基底表面其它區(qū)域制有超疏水的硅納米線結(jié)構(gòu)；所述親水區(qū)形狀為若干個(gè)等腰三角形線性排列成的楔形陣列，或者輻條為等腰三角形的輪轂形陣列；其中：?jiǎn)蝹€(gè)楔形指頂角很小的等腰三角形，所述楔形陣列是以所述等腰三角形底邊共線排列而成，各三角形間距相等；各三角形底線另一面為冷凝液匯集區(qū)，冷凝液匯集區(qū)向外開設(shè)有引流通道；所述輪轂陣列是以等腰三角形底邊繞輪轂內(nèi)圓相切方式、按各三角形頂角平分線等角度排列而成；輪轂內(nèi)圓的內(nèi)部區(qū)域?yàn)槔淠簠R集區(qū)，冷凝液匯集區(qū)向外開設(shè)有引流通道。三角形的頂角為0.5-3°，高為0.5-2cm，各三角形相鄰邊的最小間距為0-300μm。本發(fā)明中，硅納米線結(jié)構(gòu)厚度為0.5-3μm，氧化硅厚度為200-800nm；

所述引流通道由多孔材料制成，本發(fā)明分別采用了親水性多孔聚丙烯腈纖維、生長(zhǎng)制備的氧化銅納米線網(wǎng)、親水處理后的泡沫銅多孔和PET泡沫纖維作為多孔材料。實(shí)踐中也可以其它類型多孔材料。

通過對(duì)表面有氧化硅層的硅晶圓片進(jìn)行刻蝕，裸露出硅，形成冷凝與收集結(jié)構(gòu)的硅基底，然后在硅基底制備出超疏水的硅納米線結(jié)構(gòu)表面，形成親水區(qū)；由楔形陣列或輪轂陣列覆蓋的硅晶圓片其余部分，去除光刻膠，即得到疏水區(qū)。具體步驟是：

(1)在基底表面旋涂光刻膠，通過光刻掩模曝光顯影，形成樣品；所述基底為表面有氧化硅層的硅晶圓片；

(2)刻蝕氧化硅層：刻蝕步驟(1)制備的樣品，使未被光刻膠保護(hù)的氧化硅層被刻蝕，裸露出硅；

(3)制備疏水區(qū)域：刻蝕步驟(2)處理后的樣品，在未被光刻膠保護(hù)的區(qū)域制備出超疏水的硅納米線結(jié)構(gòu)表面；

(4)去除光刻膠：除去步驟(3)處理得到的樣品上的光刻膠使樣品表面的氧化硅層裸露出來(lái)；

(5)制備冷凝液引流通道：使用多孔材料在冷凝液匯集區(qū)域制備引流通道，將冷凝液匯集區(qū)域的冷凝液引流出樣品表面。

刻蝕制備疏水區(qū)域采用的是感應(yīng)耦合等離子方法，刻蝕參數(shù)為：射頻功率為20±2W，等離子耦合功率為700±50W，氣壓為10±1mTorr，氣體流量SF₆＝17±2sccm，C₄F₈＝30±5sccm?？涛g氧化硅層采用的刻蝕溶液是氫氟酸和氟化銨混合溶液，其中混合溶液中氫氟酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5-10％，氟化銨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15-20％。去除光刻膠方法是：將樣品放到去膠液或者丙酮溶液中，進(jìn)行超聲清洗，再用去離子水清洗，用氮?dú)鈽尨蹈伞?/p>

進(jìn)一步的，使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5-1％的氫氟酸溶液處理氧化硅層表面，使氧化硅層結(jié)構(gòu)具有更好的親水性。

實(shí)施例一

(1)制備光刻膠圖形：在基底表面旋涂PR1-1000光刻膠，并曝光顯影；其中基底為表面有氧化硅層的硅晶圓片，氧化硅層的厚度為200；制備的光刻膠圖形為楔形陣列(2)和冷凝液匯集區(qū)域(3)，楔形結(jié)構(gòu)呈線性陣列分布，單個(gè)楔形(頂角很小的等腰三角形)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為2cm，相鄰楔形間距為200μm，楔角為1°；

(2)刻蝕氧化硅層：使用氫氟酸和氟化銨混合溶液刻蝕步驟(1)制備的樣品，使未被光刻膠保護(hù)的氧化硅層被完全刻蝕，裸露出硅；其中混合溶液中氫氟酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％，氟化銨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15％；

(3)利用感應(yīng)耦合等離子刻蝕(ICP刻蝕)制備疏水區(qū)域(1)：將步驟(2)處理后的樣品使用ICP刻蝕，在未被光刻膠保護(hù)的區(qū)域制備出超疏水的硅納米線結(jié)構(gòu)表面；其中ICP刻蝕的參數(shù)為：射頻功率RF＝20W，等離子耦合功率ICP＝700W，氣壓P＝10mTorr，氣體流量SF₆＝17sccm，C₄F₈＝30sccm，刻蝕得到硅納米線結(jié)構(gòu)的厚度為0.5μm；

(4)去除光刻膠：將步驟(3)處理得到的樣品放到丙酮溶液中超聲 清洗10min，再用足量去離子水清洗，用氮?dú)鈽尨蹈桑箻悠繁砻娴难趸鑼勇懵冻鰜?lái)；

(5)親水區(qū)域處理：步驟(4)得到的樣品侵泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5％的氫氟酸溶液中2min，去除氧化硅層受污染表面，使氧化硅層結(jié)構(gòu)保持親水。

(6)制備冷凝液引流通道(4)：使用親水性多孔聚丙烯腈纖維在冷凝液匯集區(qū)域(3)上制備一條引流通道(4)；

實(shí)施例二、三、四

參照實(shí)施案例一的操作步驟，將相應(yīng)的參數(shù)改為下表所示的參數(shù)，得到實(shí)施案例二、三、四

因?yàn)槔淠纬傻囊旱卧隗w積達(dá)到一定程度就在重力作用下脫離冷凝結(jié)構(gòu)表面。然而，在冷凝初始階段疏水表面的冷凝效果比親水表面要差許多，如果能讓親水表面形成的冷凝液快速脫落，將可以獲得更有效的水汽冷凝結(jié)構(gòu)。

當(dāng)液滴處于水平放置的楔形(頂角很小的等腰三角形)表面或楔形溝槽時(shí)，液滴兩端受到的水平方向的作用力分別為：

其中F₁、F₂為兩端的受表面張力作用在水平方向的分力，γ為液體的表面張力，θ為液體與接觸表面的接觸角，L₁、L₂為兩端的接觸線有效長(zhǎng)度。顯然楔形區(qū)域兩端接觸線長(zhǎng)度并不一樣，因而液滴會(huì)受到水平方向的驅(qū)動(dòng)力F＝γcosθ(L₂-L₁)，驅(qū)動(dòng)力的大小跟楔形兩邊的夾角，即楔角β有關(guān)。

本發(fā)明正是基于上述理論基礎(chǔ)，提出了一種高效的水汽冷凝與收集結(jié)構(gòu)制備方法。通過本方法，冷凝形成的冷凝液在表面張力作用下定向收集，快速脫離冷凝結(jié)構(gòu)表面并開始新的冷凝過程。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。