相關(guān)申請的交叉引用

本申請要求于2014年7月18日提交的美國臨時專利申請no.62/026,474的優(yōu)先權(quán)。根據(jù)35u.s.c.§119要求優(yōu)先權(quán)。上述專利申請通過引用并入本文，如同在本文中完全闡述一樣。

本發(fā)明的領(lǐng)域一般涉及使用包括超疏水表面的微結(jié)構(gòu)化疏水表面的方法和設(shè)備，更具體地涉及，當(dāng)微結(jié)構(gòu)化疏水表面浸沒在液體中時，在微結(jié)構(gòu)化疏水表面上保持氣體的方法和設(shè)備。

背景技術(shù)：

按照今天的慣例，超疏水(shpo)表面被定義為在其表面上空氣中的水形成大于150度的接觸角的固體表面。迄今為止，僅在結(jié)構(gòu)化疏水表面上發(fā)現(xiàn)了這種高接觸角，該結(jié)構(gòu)通常以微米計，盡管不是所有結(jié)構(gòu)化疏水表面都是shpo。shpo表面的典型示范是水滴在它們周圍滾動而幾乎沒有阻力。最近，當(dāng)浸沒在水中時(即，沒有液滴)shpo表面也已經(jīng)顯示出希望，因為它們的表面結(jié)構(gòu)或微特征可在水下保持氣膜。一個引人注目的應(yīng)用是減阻，因為保持在微特征中(在中間)的氣體潤滑其上的水流，有效地允許水在表面上滑動。將液體在固體表面上流動多么滑定量地定義為滑移長度，其從未發(fā)現(xiàn)超過1微米(太小而不能用于減阻)，直到shpo表面出現(xiàn)。一些shpo表面已經(jīng)證明了在數(shù)百微米內(nèi)的有效滑移長度，其足夠大以有利于甚至常規(guī)(即，大)流體系統(tǒng)。還報道了湍流的減阻。對于減阻，shpo表面被認(rèn)為是對現(xiàn)有氣泡注入方法的優(yōu)越替代，因為表面上的穩(wěn)定氣體使得shpo方法是被動的(即，能量高效的)和簡單的(即易于實施)。此外，已經(jīng)表明，shpo表面上最小化的固-液接觸可抵抗表面結(jié)垢，特別是生物結(jié)垢。盡管其巨大的潛力，shpo表面的減阻被認(rèn)為嚴(yán)格限于實驗室條件，因為直到最近沒有跡象表明這種shpo表面可以在實際條件下保持足夠長的氣層。

考慮將符合shpo表面的定義的結(jié)構(gòu)化疏水表面作為典型實例，一旦它們失去捕獲的氣體并變得潤濕(即，液體進(jìn)入微特征之間)，shpo表面不再是shpo。因為液體內(nèi)部的shpo表面的潤濕轉(zhuǎn)變傾向于是自發(fā)的，所以由各種促進(jìn)劑引發(fā)的液體浸漬對于減阻具有不可逆的效果。例如，圖1示出了shpo表面從非潤濕狀態(tài)(頂部)到潤濕狀態(tài)(底部)的轉(zhuǎn)變。例如，如果表面具有缺陷，液體處于壓力下，或者微特征中的氣體隨時間擴(kuò)散到液體中，則表面可能變潤濕并失去其滑移效應(yīng)。一旦shpo表面變潤濕，如圖1所示，超疏水性及其伴隨的減阻、防生物結(jié)垢等的益處喪失。

最近，已經(jīng)提出了幾種方法來增加氣體層在結(jié)構(gòu)化疏水(例如，shpo)表面上的穩(wěn)定性，所述表面浸沒在液體中抵抗其壓力(即，如果液體是水時的靜水壓力)。例如，氣體層可被主動地或被動地氣動加壓，使得其可承受提高的液體壓力?？商娲兀巡捎梅謱咏Y(jié)構(gòu)使shpo表面更耐液體壓力。但是，這些以前的改進(jìn)沒有用，除非液體壓力相對較小(例如，即使0.5atm也太高)。此外，這些辦法只是預(yù)防措施。一旦氣體層被破壞，這些方法就是無效的。需要在各種不利條件下在結(jié)構(gòu)化疏水表面上保持氣體的能力，以在大多數(shù)實際應(yīng)用中利用氣體分離表面。對于穩(wěn)健性更希望的是即使在表面被任何意外事件潤濕之后恢復(fù)氣體的能力。成功的方案應(yīng)該能夠用新氣體置換已經(jīng)浸漬表面結(jié)構(gòu)的液體并恢復(fù)穩(wěn)定的氣膜。

美國專利申請公開no.2013/0122195描述了以自調(diào)節(jié)方式恢復(fù)和保持超疏水性的方法和設(shè)備。這里，自調(diào)節(jié)意味著在沒有任何離散感測或控制機(jī)構(gòu)的情況下完成恢復(fù)和維護(hù)。更具體而言，僅在現(xiàn)有氣體損失時才補(bǔ)充氣體，而不使用任何感測機(jī)構(gòu)來檢測現(xiàn)有氣體的損失或控制機(jī)構(gòu)來決定提供新氣體。

在上述‘195公開的自調(diào)節(jié)氣體補(bǔ)充的一種方案中，補(bǔ)充氣體由侵入水的電解生成。由于該氣體生成是電解的，即由電力驅(qū)動的電化學(xué)，所以超疏水表面電連接到提供必要能量的外部電源。但是，為了使超疏水的自調(diào)節(jié)恢復(fù)和保持對于實施更加實用，氣體恢復(fù)表面不需要任何外部輔助(諸如外部電源)是非常有利的。也就是說，需要提供能以“自給自足”的方式以及自調(diào)節(jié)方式保持和恢復(fù)超疏水的表面，即不需要任何外部幫助。

在用于‘195公開的自調(diào)節(jié)氣體補(bǔ)充的另一個方案中，補(bǔ)充氣體通過化學(xué)手段從化學(xué)反應(yīng)器生成，其不需要從外部輸入能量。雖然自給自足以及自調(diào)節(jié)，但是卻發(fā)現(xiàn)化學(xué)氣體生成是低效的，并且僅提供短的使用壽命。例如，在該方法中，存在殘留在反應(yīng)表面上的殘留電解質(zhì)(例如，水分)，其可以導(dǎo)致氣體生成繼續(xù)下去甚至超過將表面恢復(fù)到去濕狀態(tài)所需的時間。因此，‘195公開中公開的類型的基于化學(xué)反應(yīng)的氣體生成表面的壽命短。需要一種具有更長使用壽命的自控、自給自足的氣體保持方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

在一個實施方案中，公開了具有非潤濕(即，疏水的，如果與水一起使用或在水中)微特征或具有自調(diào)節(jié)自供電氣體生成器的其它結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)化表面，其通過電化學(xué)反應(yīng)生成一種或多種氣體。微特征可包括，例如，溝槽、脊、桿、孔、隨機(jī)結(jié)構(gòu)等。自調(diào)節(jié)是指當(dāng)微特征的全部或一部分被電解質(zhì)(即，導(dǎo)電液體，例如海水)填充時在微特征中生成一種或多種氣體，且在微特征中沒有電解質(zhì)時不產(chǎn)生氣體，所有這些都沒有任何其它組件來感測氣體的損失或決定氣體生成的時間。自供電是指建立在表面內(nèi)的供電機(jī)構(gòu)或特征產(chǎn)生氣體，而不使用任何外部輔助，諸如外部電源。由于電化學(xué)過程需要電能，所公開的設(shè)備需要自供電，從而不需要諸如電池的外部電源。自供電氣體生成是自給自足的氣體生成模式或設(shè)計的子集，其不需要外部輔助。例如，通過化學(xué)過程生成的氣體是自給自足的，但不是自供電的。這種差異是重要的，因為與基于化學(xué)過程的氣體生成器相比，基于電化學(xué)過程的氣體生成器具有長得多的壽命。

當(dāng)浸沒在液體中時，本發(fā)明有助于將氣體保持在氣體保持微結(jié)構(gòu)化表面(例如，超疏水表面)上。實用性的實例包括(1)減少在液體中移動的固體物體(例如，水上交通工具或船只)的表面摩擦阻力，(2)流過固體表面(例如管道流)的液體，(3)不遭受或少遭受水下生物結(jié)垢的表面。

在一個實施例中，微結(jié)構(gòu)化表面包括多個微特征，設(shè)置在基板上并限定位于多個微特征的內(nèi)表面之間的間隔，其中，多個微特征之間的內(nèi)表面是疏水的。微結(jié)構(gòu)化表面包括由電極對的第一電極形成的氣體生成器，電極對的第一電極電連接到電極對的第二電極，第一電極設(shè)置在位于多個微特征的內(nèi)表面之間的間隔內(nèi)，并且被配置為在當(dāng)所述微結(jié)構(gòu)化表面浸沒在電解質(zhì)溶液中時位于所述微特征之間的間隔的一部分被所述電解質(zhì)溶液填充的情況下，通過自發(fā)電化學(xué)反應(yīng)生成氣體。這種自發(fā)電流(galvanic)反應(yīng)的氣體生成是電化學(xué)反應(yīng)的一部分，不同于需要存在外部電源的通常電解反應(yīng)。雖然自發(fā)的而不是電解的，電流(galvanic)過程仍然是電化學(xué)的，使得由系統(tǒng)的電狀態(tài)打開和關(guān)閉反應(yīng)。例如，當(dāng)所生成的氣體將電解質(zhì)與電極表面分離時，電路斷開并且電化學(xué)反應(yīng)停止。同樣的過程不適用于化學(xué)反應(yīng)。即使在生成的氣體將電解質(zhì)與反應(yīng)性表面分離之后，表面上的殘留液體(例如，水分)將延長化學(xué)反應(yīng)一段時間。延長的反應(yīng)損害了氣體生成的自調(diào)節(jié)性質(zhì)并且降低了設(shè)備的壽命。

在另一個實施例中，微結(jié)構(gòu)化表面包括多個微特征，設(shè)置基板上并限定位于多個微特征的內(nèi)表面之間的間隔，其中，多個微特征之間的內(nèi)表面是疏水的。微結(jié)構(gòu)化表面包括由彼此電連接的電極對的第一電極和第二電極形成的氣體生成器，第一電極和第二電極設(shè)置在位于多個微特征的內(nèi)表面之間的間隔內(nèi)，并且被配置為在當(dāng)所述微結(jié)構(gòu)化表面浸沒在電解質(zhì)溶液中時所述間隔的一部分被所述電解質(zhì)溶液填充的情況下，通過自發(fā)電化學(xué)反應(yīng)在所述微結(jié)構(gòu)之間生成氣體。

在另一實施例中，一種形成微結(jié)構(gòu)化表面的方法包括：在基板的表面上沉積電極；將模具靠著包含所述電極的所述基板的表面固定，所述模具在其中包含多個腔；在所述模具和所述基板之間施加壓力以迫使材料從所述基板進(jìn)入所述多個腔以形成多個微特征；以及將所述模具與所述基板分離。

從以下詳細(xì)描述中，本發(fā)明的其它目的、特征和優(yōu)點對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員將變得顯而易見。但是，應(yīng)當(dāng)理解，雖然指示本發(fā)明的一些實施例，詳細(xì)描述和具體實例是通過說明而非限制的方式給出的。在不脫離本發(fā)明的精神的情況下，可在本發(fā)明的范圍內(nèi)進(jìn)行許多改變和修改，并且本發(fā)明包括所有這樣的修改。此外，一個實施例的方面可用在其他不同的實施例中。

附圖說明

圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的shpo表面。圖1示出了shpo表面從非潤濕狀態(tài)(頂部)到潤濕狀態(tài)(底部)的轉(zhuǎn)變。

圖2a-2c示出了微結(jié)構(gòu)化表面的一個實施例，其中，電極對的一個電極置于位于相鄰微特征之間的間隔內(nèi)。示出了沿圖3a的線a-a的橫截面圖。圖2a示出了處于去濕狀態(tài)的微結(jié)構(gòu)化表面。圖2b示出了處于部分潤濕狀態(tài)的微結(jié)構(gòu)化表面(例如，相鄰微結(jié)構(gòu)之間的其中一個間隔填充有電解質(zhì))。圖2c示出了處于去濕狀態(tài)的微結(jié)構(gòu)化表面，其中，在一個電極處生成的氣體將電解質(zhì)流體從間隔推出，如箭頭所示。

圖3a和3b示出了圖2的實施例的兩種不同的電極構(gòu)造。圖3a示出了導(dǎo)線圖案實施例。圖3b示出了網(wǎng)格圖案實施例。

圖4a-4c示出了微結(jié)構(gòu)化表面的另一個實施例，其中，電極對設(shè)置在位于相鄰微特征之間的間隔內(nèi)。示出了沿圖5a的a-a的橫截面圖。圖4a示出了處于已去濕狀態(tài)的微結(jié)構(gòu)化表面。圖4b示出了處于部分潤濕狀態(tài)的微結(jié)構(gòu)化表面(例如，相鄰微結(jié)構(gòu)之間的其中一個間隔被電解質(zhì)填充)。圖4c示出處于正去濕狀態(tài)的微結(jié)構(gòu)化表面，其中，如箭頭所示，在電極對處生成的氣體將電解質(zhì)流體從間隔推出。

圖5a和5b示出了圖4的實施例的兩種不同的電極配置。圖5a示出了導(dǎo)線圖案實施例。圖5b示出了網(wǎng)格圖案實施例。

圖6a-6e示出了根據(jù)一個實施例的制造微結(jié)構(gòu)化疏水表面的方法。

圖7示出了根據(jù)一個實施例的微結(jié)構(gòu)化疏水設(shè)備的透視圖。在該實施例中，微結(jié)構(gòu)化表面包括一系列溝槽，并且電極被配置為具有導(dǎo)線圖案。

圖8a-8d示出了一個實施例的用于解釋操作的微結(jié)構(gòu)疏水設(shè)備的一組照片。垂直黑線是電極。水平黑線是在微特征之間的間隔中形成的氣體(其看起來清楚，即，黑線在它們被潤濕的地方消失)。圖8a示出了表面處于已去濕狀態(tài)的微結(jié)構(gòu)化疏水設(shè)備。圖8b示出了表面處于部分潤濕狀態(tài)的微結(jié)構(gòu)化疏水設(shè)備。圖8c示出了表面處于正去濕狀態(tài)的微結(jié)構(gòu)化疏水設(shè)備，其中主動產(chǎn)生氣體并推出電解質(zhì)。圖8d示出了具有類似于圖8a的表面處于已去濕狀態(tài)的微結(jié)構(gòu)化疏水設(shè)備。

具體實施方式

圖2示出了根據(jù)一個實施例的微結(jié)構(gòu)化疏水表面2。微結(jié)構(gòu)化表面2包括具有置于其上的多個微結(jié)構(gòu)或微特征6的基板4。微特征6通常大致垂直于基板4取向。當(dāng)在本文中使用時，術(shù)語“微特征6”的使用是指微觀物理特征；它們通常以微米尺度，但可以是更小或更大的尺度。微特征6可被布置成陣列或隨機(jī)配置。微特征6可包括光柵、溝槽、脊、桿、柱、孔、隨機(jī)結(jié)構(gòu)或多孔材料。基板4可由任何數(shù)量的材料形成，但是如在該方法中所解釋的，如果使用模制技術(shù)來形成微結(jié)構(gòu)化表面2，則基板4可包括聚合物。微特征6具有相對于基板4的表面突出的高度。該高度可變化，但對于減阻應(yīng)用通常為幾十微米(例如，高度＝50μm)，并且對于防污應(yīng)用可減小到單微米范圍(例如，高度＝5μm)。微特征6彼此分開一定距離。節(jié)距是最近的相鄰微特征6之間的中心至中心的距離。包含電解質(zhì)8的液體溶液被放置于微結(jié)構(gòu)化表面2上。當(dāng)相鄰微特征6之間的間隔填充有氣體10時，形成可能下垂或凸出的彎液面(meniscus)，下垂或凸出取決于液體和氣體之間的壓力差。

微特征6的高度應(yīng)當(dāng)足夠高，使得下垂的彎液面不接觸基板4。該高度也是微特征6的節(jié)距的函數(shù)。應(yīng)當(dāng)理解，微結(jié)構(gòu)化表面2包括包含微特征6的表面，微特征6或其表面由不會被水或相關(guān)液體濕潤的材料制成，即在其表面上形成大于90°的接觸角。這意味著液體不限于水，并且可以是任何種類，包括水、油或溶劑，盡管使用了如本文所述的“疏水”。

微特征6可由與基板4相同或不同的材料形成。例如，在一些實施例中，微特征6可由聚四氟乙烯(ptfe)等形成。微特征6可主要由特別疏水的材料制成?？商娲?，微特征6的至少一些部分可涂覆有疏水材料，例如ptfe等。在一些實施例中，微特征6的頂表面可以不是疏水的，使得只有微特征6之間的內(nèi)表面是疏水的。在典型的應(yīng)用中，導(dǎo)電的電解質(zhì)8的流體置于微結(jié)構(gòu)化表面2上。典型的電解質(zhì)8可包括其中具有溶解的離子物質(zhì)的海水或水。

參照圖2，微結(jié)構(gòu)化表面2包括彼此電連接的第一電極12和第二電極14，例如通過導(dǎo)體16彼此連接。導(dǎo)體16可以是導(dǎo)線、電線、跡線、軌道、通孔等。第一電極12和第二電極14一起形成“內(nèi)置”或“自供電”的氣體生成器，其被配置為在微特征6之間生成氣體10。重要的是，氣體10在電極12上產(chǎn)生而不需要任何施加的電源。相反，第一電極12、第二電極14和電解質(zhì)8由具有明顯不同的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(sep)(或標(biāo)準(zhǔn)還原電勢)的材料制成，使得當(dāng)電解質(zhì)8填充微特征6之間的間隔時，兩個電極12、14和電解質(zhì)8形成在電極12上自發(fā)生成氣體10的電化學(xué)電池(或更具體地說是原電池)。為了發(fā)生自發(fā)反應(yīng)，原電池的總電勢應(yīng)克服在第一電極12上生成氣體所需的過電勢。過電勢是半反應(yīng)的熱力學(xué)確定的還原電勢與通過實驗觀察氧化還原(還原/氧化)事件的電勢之間的電勢差(即電壓)。例如，氣體10的氣泡形成導(dǎo)致過電勢。此外，在第一電極12上生成氣體所需的過電勢的數(shù)值應(yīng)該小于在第二電極14上生成氣體所需的過電勢，使得在電極12上而不是在電極14上生成氣體。在此可以使用在半反應(yīng)中生成氣體的任何電解質(zhì)8。

以下標(biāo)準(zhǔn)闡述了操作浸沒在電解質(zhì)8中的微結(jié)構(gòu)化表面2所需的條件，電解質(zhì)8具有用于氣體生成的第一電極12，第一電極12位于微特征6之間的間隔13中；電解質(zhì)8還具有第二電極14，其可能或可能不位于間隔13中，如本文解釋的。在本說明書中，在第二電極14處沒有明顯地發(fā)生氣體生成，而是發(fā)生在第一電極12處。對于第一條件，第二電極14的sep(表示為sep2)應(yīng)該不同于電解質(zhì)8的sep(表示為sep3)，如下面的等式1所示：

sep2≠sep3等式1

需要該條件(等式1)以確保在第二電極14和電解質(zhì)8之間存在反應(yīng)。

第二個條件是電解質(zhì)8的半反應(yīng)應(yīng)該在標(biāo)準(zhǔn)壓力和溫度下生成氣體10。這種條件確保反應(yīng)將生成氣體。

第三條件是第二電極14和電解質(zhì)8之間的理論標(biāo)準(zhǔn)電池電勢的差值(sep2-sep3)在數(shù)值上應(yīng)大于第一電極12上的電解質(zhì)8的半反應(yīng)的過電勢，表示為op3/1，如下面的等式2所示：

|sep2-sep3|＞|op3/1|等式2

該條件(等式2)是為了確保能夠在第一電極12上生成氣體10。

對于第四條件，電解質(zhì)8在第一電極12上的半反應(yīng)的過電勢(表示為op3/1)在幅度上應(yīng)當(dāng)小于第二電極14上的電解質(zhì)8的半反應(yīng)的過電勢(表示為op3/2)，如下面的等式3所示：

|op3/1|＜|op3/2|等式3

該條件(等式3)是為了確保氣體10主要在第一電極12上而不是在第二電極14上生成。應(yīng)當(dāng)滿足所有四個條件以使氣體生成正常操作。

注意，根據(jù)是通過還原還是氧化反應(yīng)生成氣體，上述條件可以分為兩種情況。如果第一電極12上的氣體生成是通過還原反應(yīng)(例如，2h⁺+2e-→h2)，則第二電極14的sep即sep2，應(yīng)該小于電解質(zhì)的sep即sep3，如下面的等式4。

sep2<sep3等式4

此外，電解質(zhì)8的半反應(yīng)應(yīng)當(dāng)在標(biāo)準(zhǔn)壓力和溫度下生成氣體。進(jìn)一步地，第二電極14和電解質(zhì)8之間的理論標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(sep2-sep3)應(yīng)該比第一電極12上的電解質(zhì)8的半反應(yīng)的過電勢op3/1更小(即更負(fù))，如下面的等式5所示。

sep2-sep3<op3/1等式5

第一電極12上的電解質(zhì)8的半反應(yīng)的過電勢op3/1應(yīng)該比第二電極14上的電解質(zhì)8的半反應(yīng)的過電勢op3/2大(即，較少的負(fù))，如下面的等式6所示。

op3/1>op3/2等式6

可替代地，如果第一電極12上的氣體生成是通過氧化反應(yīng)(例如，4oh^-+4e^-→o2+2h2o)，則第二電極14的sep即sep2應(yīng)大于電解質(zhì)8的sep即sep3，如下面的等式7所示。

sep2>sep3等式7

電解質(zhì)8的半反應(yīng)應(yīng)當(dāng)在標(biāo)準(zhǔn)壓力和溫度下生成氣體。第二電極14和電解質(zhì)8之間的理論標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(sep2-sep3)應(yīng)該比第一電極12上的電解質(zhì)8的半反應(yīng)的過電勢op3/1更大(即更正)，如下面的等式8所示的。

sep2-sep3>op3/1等式8

第一電極12上的電解質(zhì)8的半反應(yīng)的過電勢op3/1應(yīng)該比第二電極14上的電解質(zhì)8的半反應(yīng)的過電勢op3/2更小(即，較少的正)，如下面的等式9所示。

op3/1<op3/2等式9

具體而言，根據(jù)一個實施例，如果電解質(zhì)8是中性或堿性水溶液(例如，海水)，則根據(jù)2h2o+2e^-→h2(g)+2oh^-標(biāo)準(zhǔn)電極電勢約為-0.83v。如果電解質(zhì)8是酸性水溶液，則根據(jù)2h⁺+2e^-←h2(g)標(biāo)準(zhǔn)電極電勢為0v。一旦選擇了電解質(zhì)8，可以獲得用于第一電極12和第二電極14的可能的材料組合，滿足上述關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)電極電勢和過電勢的約束。對于具體實例，第一電極12可以由含鎳的金屬或金屬合金制成，第二電極14可以由含鎂的金屬或金屬合金制成，電解質(zhì)8可以是海水(盡管也可使用其它電解質(zhì)，諸如淡水、酸溶液，堿溶液等)。在這種情況下，所生成的氣體10在第一電極12處是氫氣。下面的表1列出了已經(jīng)得出成功測試結(jié)果的各種材料、sep和過電勢值。

表1

在微特征6之間的間隔的至少一部分被電解質(zhì)8填充并接觸氣體生成電極的情況下，通過發(fā)生的自發(fā)電化學(xué)反應(yīng)(即電流反應(yīng))自動生成氣體10(例如氫)。微特征6被設(shè)計和間隔開，使得在電極12上生成的氣體10被困住并在相鄰微特征6之間形成的局部間隔、間隙或井13內(nèi)增長。一旦所生成的氣體10的體積已經(jīng)增大到微特征6的頂部(例如，上表面)，氣體10橫跨微結(jié)構(gòu)化表面2在微特征6之間橫向延伸。在這點上，微結(jié)構(gòu)化表面2可從部分或完全潤濕狀態(tài)恢復(fù)變成非潤濕狀態(tài)。在一個實施例中，第一電極12置于基板4上或嵌入基板4中。圖2a-2c示出了在相鄰微特征6之間形成的間隔13內(nèi)的位于基板4上的第一電極12。在該實施例中，第一電極12位于在微特征6之間的間隔或間隙13的底表面上?？商娲兀谝浑姌O12可位于微特征6的側(cè)壁表面。因此，第一電極12可位于微特征6之間的任何位置，其中，微特征6之間指的是微特征6之間的間隔13和內(nèi)表面(不包括微特征6的頂部或暴露表面)。注意，在2a-2c所示的實施例中，第二電極14不位于微特征6之間。相反，第二電極14位于由微特征6產(chǎn)生的內(nèi)部間隔13的外部。

由第一電極12生成的氣體10被捕獲并在相鄰微特征6之間形成的局部間隔或井13中增長。應(yīng)當(dāng)注意，在該實施例中氣體生成是自調(diào)節(jié)的。具體而言，電化學(xué)電路是“閉合的”，并且只有當(dāng)微結(jié)構(gòu)化表面2變得部分或完全潤濕時才發(fā)生氣體生成。一旦電解質(zhì)8侵入相鄰微特征6之間的間隔13，電路在第一電極12和第二電極14之間閉合，并且進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，因此，在位于微特征6之間的間隔13內(nèi)釋放氣體10。在生成足夠的氣體之后，電化學(xué)電路變?yōu)椤皵嚅_”，并且停止電化學(xué)反應(yīng)。該特征是特別有利的，因為不需要任何感測和控制電路來接通或斷開氣體生成器(即，電極)；換句話說，氣體產(chǎn)生是自調(diào)節(jié)的以響應(yīng)微特征6之間的電解質(zhì)8的存在。

氣體生成自發(fā)地發(fā)生，而不將微結(jié)構(gòu)化表面2連接到任何外部電源(例如，電池)；換句話說，氣體生成是自給自足的。但是，由于氣體生成是電化學(xué)反應(yīng)(即，使用內(nèi)部能量電力供電)而不是純化學(xué)反應(yīng)(即，不涉及電力)的產(chǎn)物，可以將所公開的氣體產(chǎn)生方法稱為不但自給自足而且“自供電”。除了上述差異之外并且與上述差異有關(guān)，值得注意的是，位于微特征6之間的氣體生成器(即電極)不是當(dāng)前自供電的電化學(xué)反應(yīng)中的反應(yīng)物。微結(jié)構(gòu)化表面2自供電和自調(diào)節(jié)生成氣體，具有保持被捕獲在其微特征6之間的氣體10的內(nèi)在能力。

圖3a示出了微結(jié)構(gòu)化表面2的一種構(gòu)造的俯視圖。圖2a、2b和2c是沿圖3a中的截面線a-a截取的。在本實施例中，第一電極12形成為位于微特征6之間和之下的基本上平行的導(dǎo)線圖案。微特征6形成為跨越基板4的表面延伸的光柵等。第一電極線12沿著或橫跨在相鄰微特征6之間形成的間隔13延伸。圖3b示出了微結(jié)構(gòu)化表面2的另一種構(gòu)造的俯視圖。在該實施例中，第一電極12形成為位于微特征6之間和之下的網(wǎng)格圖案。

圖4a-4c示出了微結(jié)構(gòu)化表面2的另一個實施例。在該實施例中，第一電極12和第二電極14都被放置在微特征6之間形成的間隔13中。再次，第一電極12和第二電極14直接電連接或經(jīng)由導(dǎo)體16電連接。第一電極12、第二電極14和電解質(zhì)8由具有明顯不同的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢的材料制成，使得當(dāng)電解質(zhì)8填充微特征6的間隔13時，兩個電極12、14和電解質(zhì)8構(gòu)成在第一電極12上自發(fā)生成氣體10的電化學(xué)電池(更具體地，原電池)。為了發(fā)生自發(fā)反應(yīng)，原電池的總電勢應(yīng)克服在第一電極12上生成氣體所需的過電勢。另外，在第一電極12上生成氣體所需的過電勢的幅度應(yīng)該低于在第二電極14上生成氣體所需的過電勢的幅度，使得在電極12上而不是在電極14上生成氣體。可在此使用在半反應(yīng)中將生成氣體的任何電解質(zhì)8。上述四個條件的相同標(biāo)準(zhǔn)也適用于本實施例。

圖5a示出了圖4的實施例的微結(jié)構(gòu)化表面2的一種配置的俯視圖。圖2a、2b和2c是沿圖3a中的截面線a-a截取的。在該實施例中，第一電極12和第二電極14中的一個或兩個形成為微特征6之間和之下的基本上平行的導(dǎo)線的圖案。圖5b示出了微結(jié)構(gòu)化表面2的另一配置的俯視圖。在該實施例中，第一電極12和第二電極14中的一個或兩個形成為微特征6之間和之下的網(wǎng)格圖案。再次，圖4示出了位于微特征6之間的基板4的底表面處的第一電極12和第二電極14，電極12，14中的一個或兩個可位于微特征6的側(cè)壁表面上。

圖6a-6e示出了根據(jù)一個實施例的制造微結(jié)構(gòu)化表面2的過程。該過程依賴于諸如壓花或壓印的模制技術(shù)。首先，如圖6a，6b所示，將第一電極12或第一和第二電極12，14放置在基板4和模具7之間。電極12，14可以是多孔層，網(wǎng)格或?qū)Ь€的集合等。電極12，14的特征尺寸(例如，導(dǎo)線的寬度)應(yīng)當(dāng)小于模具7上的開口(例如，腔直徑，溝槽寬度)，使得電極12，14基本上不阻擋凹槽?；靖采w凹槽開口將阻礙在圖6c所示的模制步驟期間凹陷的填充。在圖6c的模制步驟期間，在施加的壓力下并且可選地在提高的溫度下，基板4的材料或其頂部部分圍繞電極12，14流動(或穿過其開口)并填充到模具7上的凹槽中。在模具7被填充之后(如圖6d所示)，模具7與基板4分離(如圖6e所示)。在這一點上，電極12，14可以被來自基板4的材料的薄剩余層完全暴露或覆蓋。該薄的剩余材料可由本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的許多蝕刻方法中的一種來移除，諸如等離子體蝕刻，化學(xué)蝕刻等如果有必要。即使在電極12，14未完全暴露的情況下，該設(shè)備也可以如預(yù)期的那樣起作用，因為如果殘余層足夠薄，仍會發(fā)生電化學(xué)氣體生成?；?可以是厚的、薄的、剛性的或柔性的，并且可以由一種材料或不同材料的多層制成。微特征6的材料可以與基板4的材料相同或不同，盡管圖6a-6e示出了用于基板4和微特征6的相同材料。

所公開的制造方法的一個重要方面是如何在通過壓花/壓印形成微特征6的同時實現(xiàn)暴露或幾乎暴露在微特征6之間的電極(例如，電極12，14)。如圖6c和6d所示，在模制步驟期間，電極與模具7緊密接觸。這種緊密接觸可防止當(dāng)基板4材料在流入模具7的凹槽或腔中時滲入電極表面。在脫模之后，與模具7緊密接觸的電極表面暴露在微特征6之間(頂部沒有或幾乎沒有殘余材料)，如圖6e所示。通常，壓花/壓印在微特征6之間具有功能材料的微特征6將需要分離的制造步驟：模制微特征6并將功能材料放置在模制的微特征6之間。本發(fā)明僅用單個或接近單個模制步驟完成該過程并且在功能材料上不留下大量殘留材料，保持傳統(tǒng)壓花/壓印技術(shù)的簡單性，同時獲得暴露在微特征6之間的功能材料。盡管針對上述氣體保持設(shè)備而開發(fā)了該處理方法，但該處理方法也可用于其它目的，諸如用于生物化學(xué)應(yīng)用的微流體設(shè)備。

圖7示出了一個示例性實施例中的微結(jié)構(gòu)化表面2的透視圖。在該實施例中，微特征6是光柵，并且間隔13形成為位于相鄰微特征6之間的溝槽。電極12，14被示為相對于微特征6大致橫向延伸的導(dǎo)線。可替代地，電極12，14可以與微特征6平行對準(zhǔn)。

圖8a-8d示出了在圖2的配置中操作的微結(jié)構(gòu)化表面2的實驗結(jié)果的照片。當(dāng)完全浸沒在水(即海水)中時，圖8a圖像示出填充有氣體的微特征6之間的間隔13(示出為垂直于微特征6的黑線或暗線)。在圖8a的狀態(tài)下，微結(jié)構(gòu)化表面2處于去濕狀態(tài)。圖8b示出了微特征6之間的間隔13的大部分填充有水(即，處于潤濕狀態(tài)的大部分微結(jié)構(gòu)化表面2)。在圖8b的狀態(tài)下，微結(jié)構(gòu)化表面2處于部分潤濕狀態(tài)。圖8c示出了在間隔中的水被在間隔13內(nèi)生成的氣體10替代(即，微結(jié)構(gòu)化表面2被去濕)。因此圖8c示出了去濕狀態(tài)，由此氣體10用于推出或排出包含在間隔13中的水。圖8d示出了間隔13中幾乎所有的水被氣體10替代，即，微結(jié)構(gòu)化表面2已經(jīng)返回到去濕狀態(tài)。在實驗期間該表面沒有連接到任何電源。微特征中的氣體保持在自調(diào)節(jié)和自供電的方式。

本文所述的微結(jié)構(gòu)化表面2可以用在與水接觸的水上交通工具或船只(例如小船，船艦等)的外表面上。在一個具體實施例中，選擇用于電極12，14的材料的選擇特別適用于鹽-水接觸應(yīng)用(例如，用于在海水中行進(jìn)的水上交通工具或船只)。微結(jié)構(gòu)化表面2也可以用于其他應(yīng)用中。例如，微結(jié)構(gòu)化表面2可位于管道或?qū)Ч艿膬?nèi)表面上。

雖然已經(jīng)示出和描述了實施例，但是在不脫離本文公開的發(fā)明構(gòu)思的范圍的情況下，可進(jìn)行各種修改。因此，除了所附權(quán)利要求及其等同物之外，本發(fā)明不應(yīng)受到限制。