Name: Dowód słuszności koncepcji membran zatrzymujących gazy pochodzących z kochających wodę wafli SiO2/Si/SiO2 do ekologicznego odsalania (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-03-01T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 39 s
Description: Poznaj metodę wytwarzania membran zatrzymujących gazy z wafli SiO₂/Si przy użyciu technik mikrofabrykacji układów scalonych. Protokół ten umożliwia produkcję struktur zapobiegających przenikaniu wody.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

H.M. dziękuje za finansowanie z Uniwersytetu Nauki i Technologii Króla Abdullaha w ramach BAS/1/1070-01-01 oraz dostęp KAUST do głównych laboratoriów nanofabrykacji.

1. Projekt
<ol>
	<li>Zaprojektować 16 matryc, z których każda składa się z 625 kółek (średnica, D = 100 μm; rozstaw, L = 400 μm), wraz ze znacznikami wyrównania, które zostaną przeniesione na podłoża 4" SiO2(2 µm)/Si(300 µm)/SiO2(2 µm) przy użyciu odpowiedniego oprogramowania projektowego (patrz Tabela materiałów; Rysunek 3)38.</li>
</ol>
<img alt="Schemat analizy macierzy optycznej z powiększonymi siatkami i szczegółami rozkładu wzoru." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60583/60583fig3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 3">
Rysunek 3: Projekty macierzy kolistych. Ten wzór projektu został przeniesiony na płytki SiO2(2 µm)/Si(300 µm)/SiO2(2 µm) za pomocą fotolitografii. Przedstawiono (A) całą płytkę, (B,C) widoki powiększone oraz (D,E) znaczniki wyrównania używane do ręcznego wyrównania tylnego. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60583/60583fig3alarge.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<ol start="2">
	<li>Przenieś wzory na maskę z 5-calowego szkła sodowo-wapniowego (CaxHyNazOn) z 50 nm powłoką chromu i cienką warstwą fotorezystu (fotorezyst pozytywowy; patrz Tabela materiałów) poprzez ekspozycję UV w systemie zapisu bezpośredniego (czas ekspozycji = 25 ms, defocus = +10).</li>
	<li>Wywoływanie maski
	<ol>
		<li>Wywołaj fotorezyst, zanurzając maskę w 200 mL wywoływacza (Tabela materiałów) przez 60 s, aby odsłonić znajdujący się pod spodem chrom. Przepłucz maskę wodą dejonizowaną (DI).</li>
		<li>Usuń odsłonięty chrom, zanurzając maskę w 200 mL kąpieli z trawieniem chromu przez 90 s. Przepłucz maskę wodą DI.</li>
		<li>Przeprowadź ekspozycję UV na całej powierzchni (tzn. bez maski) przez 15 s.</li>
		<li>Całkowicie usuń fotorezyst z maski, zanurzając ją w 200 mL kąpieli z wywoływaczem do momentu całkowitego zniknięcia fotorezystu (60–120 s). Oczyść powierzchnię maski wodą DI i osusz ją za pomocą pistoletu z azotem (N2).</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Czyszczenie wafla
<ol>
	<li>Zanurzyć płytkę krzemową w świeżo przygotowanym roztworze piranha (H2SO4:H2O2 = 3:1 objętościowo), utrzymywanym w temperaturze 388 K przez 10 min. 
	UWAGA: Podczas pracy z roztworem piranha na stanowisku mokrym należy stosować odpowiednie środki ochrony indywidualnej (ŚOI).</li>
	<li>Przepłukać płytkę wodą dejonizowaną (DI) w dwóch cyklach na stanowisku mokrym, a następnie osuszyć ją w środowisku N2 w suszarce wirówkowej.</li>
</ol>
3. Osadzanie HMDS
<ol>
	<li>Poddać wafeł działaniu par heksametylodisilanu (HMDS), aby poprawić adhezję fotorezystu do powierzchni krzemionki (szczegóły w Tabeli 1).</li>
</ol>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1">
	<tbody >
		<tr >
			<td colspan="3">Etap 1: Odwadnianie i usuwanie tlenu z komory</td>
		</tr >
		<tr >
			<td >Krok</td>
			<td >Funkcja</td>
			<td >Czas (min)</td>
		</tr >
		<tr >
			<td >1</td>
			<td >Próżnia (10 Torr)</td>
			<td >1</td>
		</tr >
		<tr >
			<td >2</td>
			<td >Azot (760 Torr)</td>
			<td >3</td>
		</tr >
		<tr >
			<td >3</td>
			<td >Próżnia (10 Torr)</td>
			<td >1</td>
		</tr >
		<tr >
			<td >4</td>
			<td >Azot (760 Torr)</td>
			<td >3</td>
		</tr >
		<tr >
			<td >5</td>
			<td >Próżnia (10 Torr)</td>
			<td >1</td>
		</tr >
		<tr >
			<td >6</td>
			<td >Azot (760 Torr)</td>
			<td >3</td>
		</tr >
		<tr >
			<td colspan="3">Etap 2: Gruntowanie</td>
		</tr >
		<tr >
			<td >Krok</td>
			<td >Funkcja</td>
			<td >Czas (min)</td>
		</tr >
		<tr >
			<td >1</td>
			<td >Próżnia (1 Torr)</td>
			<td >2</td>
		</tr >
		<tr >
			<td >2</td>
			<td >HMDS (6 Torr)</td>
			<td >5</td>
		</tr >
		<tr >
			<td colspan="3">Etap 3: Płukanie wylotu gruntującego i powrót do ciśnienia atmosferycznego (Backfill)</td>
		</tr >
		<tr >
			<td >Krok</td>
			<td >Funkcja</td>
			<td >Czas (min)</td>
		</tr >
		<tr >
			<td >1</td>
			<td >Próżnia</td>
			<td >1</td>
		</tr >
		<tr >
			<td >2</td>
			<td >Azot</td>
			<td >2</td>
		</tr >
		<tr >
			<td >3</td>
			<td >Próżnia</td>
			<td >2</td>
		</tr >
		<tr >
			<td >4</td>
			<td >Azot</td>
			<td >3</td>
		</tr >
	</tbody >
</table>
Tabela 1: Szczegóły procesu przygotowania HMDS.
4. Litografia
<ol>
	<li>Przenieś podłoże krzemowe na uchwyt próżniowy powlekarki wirówkowej w celu naniesienia fotorezystu. Użyj fotorezystu AZ 5214 w trybie negatywowym, aby uzyskać jednorodną warstwę fotorezystu o grubości 1,6 µm (parametry powlekania wirówkowego wymieniono w Tabeli 2). 
	UWAGA: AZ 5214 może być stosowany jako fotorezyst pozytywowy lub negatywowy w zależności od obróbki termicznej (tj. wstępnego i końcowego wygrzewania). Jeśli zostanie wstępnie wygrzany w temperaturze 110 °C przez 2 min, fotorezyst zachowuje się jak pozytywowy, co oznacza, że obszary naświetlone ulegają rozpuszczeniu podczas wywoływania. W przypadku trybu negatywowego fotorezyst jest wstępnie wygrzewany w temperaturze 105 °C przez 2 min, a następnie poddawany naświetlaniu UV i końcowemu wygrzewaniu w temperaturze 120 °C przez 2 min.
	<ol>
		<li>Wygrzej podłoże pokryte fotorezystem w temperaturze 105 °C na płycie grzewczej przez 2 min. Powoduje to wysuszenie i utwardzenie warstwy fotorezystu, która w przeciwnym razie przyliegałaby do maski szklanej, powodując problemy z zanieczyszczeniem podczas naświetlania UV, a także poprawia adhezję fotorezystu do powierzchni krzemionkowej. 
		UWAGA: Temperatura wstępnego wygrzewania nie powinna być zbyt wysoka, ponieważ może to doprowadzić do częściowego zniszczenia światłoczułych komponentów fotorezystu, zmniejszając jego czułość.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Krok</td>
			<td>Prędkość (obr./min)</td>
			<td>Nachylenie krzywej przyspieszenia (obr./s)</td>
			<td>Czas (s)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1</td>
			<td>800</td>
			<td>1000</td>
			<td>3</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2</td>
			<td>1500</td>
			<td>1500</td>
			<td>3</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3</td>
			<td>3000</td>
			<td>3000</td>
			<td>30</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
Tabela 2: Parametry receptury powlekania wirowego w celu uzyskania warstwy fotorezystu o grubości 1,6 µm.
<ol start="2">
	<li>Naświetlaj płytkę pod wpływem promieniowania UV (80 mJ/cm2) przez 15 s przez maskę chromową, używając systemu wyrównywania masek (EVG 6200), aby uzyskać pożądany wzór na fotorezyście.</li>
	<li>Wypiecz przygotowaną płytkę w temperaturze 120 °C na płycie grzewczej przez 2 min. Na tym etapie naświetlony negatywowy film fotorezystu ulega dalszemu sieciowaniu. W rezultacie części fotorezystu naświetlone promieniowaniem UV przestają być rozpuszczalne w roztworze wywoływacza, podczas gdy obszary nienaświetlone pozostają rozpuszczalne.</li>
	<li>Następnie naświetlaj płytkę światłem UV (200 mJ/ cm2) przez 15 s w systemie utwardzania UV (PRX-2000-20). 
	UWAGA: Na tym etapie naświetlane są obszary fotorezystu, które nie były wcześniej naświetlone (krok 4.3), co pozwala na ich późniejsze rozpuszczenie w wywoływaczu, pozostawiając na płytce pożądane struktury. Krok ten jest odporny na prześwietlenie, ponieważ pożądane elementy (w tonacji negatywowej) nie są już światłoczułe po etapie wypiekania.</li>
	<li>Zanurz płytkę w kąpieli 50 mL wywoływacza do fotorezystu AZ-726 (w naczyniu szklanym) na 60 s, aby uzyskać pożądany wzór fotorezystu na płytce krzemowej.</li>
	<li>Następnie oczyść płytkę wodą DI i osusz ją strumieniem N2.</li>
</ol>
5. Napylanie
<ol>
	<li>Nanieś chrom na wafer metodą rozpylania magnetronowego przez 200 s, aby uzyskać warstwę chromu o grubości 50 nm. Osadzanie przeprowadza się przy użyciu reatywnego rozpylania DC typu magnetronowego ze standardowym okrągłym źródłem docelowym o średnicy 2" w środowisku argonu, stosując następujące parametry: 400 V, natężenie prądu = 1 A oraz ciśnienie = 5 mTorr. 
	UWAGA: Warstwa chromu chroni krzemionkę przed trawieniem suchym w obecności oktafluorocyklobutanu (C4F8).</li>
</ol>
6. Usuwanie fotorezystu metodą lift-off
<ol>
	<li>Poddaj rozpyloną płytkę procesowi sonikacji w kąpieli z acetonem przez 5 min, aby usunąć pozostałości fotorezystu (oraz osadzonego na nim chromu) z płytki, pozostawiając pożądane struktury z chromową maską twardą.</li>
</ol>
7. Obróbka drugiej strony wafla
<ol>
	<li>Po wypłukaniu tylnej strony wafla obfitą ilością acetonu i etanolu, należy go osuszyć strumieniem N2, a następnie powtórzyć kroki 4.1 i 4.2.</li>
</ol>
8. Ręczne wyrównanie tylne
<ol>
	<li>Wyrównaj wybrane elementy na tylnej stronie z przednią stroną wafla, wykorzystując znaczniki wyrównania w projekcie oraz moduł „Manual back alignment with crosshair” w urządzeniu do wyrównywania stykowego (EVG 6200). 
	UWAGA: Ręczne wyrównanie tylnej strony jest kluczowym etapem protokołu mikrowytwarzania. W związku z tym należy skutecznie wykorzystać zaprojektowane elementy wyrównania na fotomaskarze, aby uniknąć przesunięcia w wyrównaniu porów.</li>
</ol>
9. Litografia na tylnej stronie wafla
<ol>
	<li>W celu przygotowania tylnej strony wafla powtórz kroki 4.3–4.7, sekcję 5 oraz sekcję 6, aby uzyskać wymagany wzór z chromem po obu stronach wafla. Należy pamiętać, że część powierzchni pokryta chromem nie ulega trawieniu; w związku z tym miejsca na waflu pozbawione chromu definiują wloty i wyloty poru.</li>
</ol>
10. Trawienie
<ol>
	<li>Przeprowadź trawienie odsłoniętej warstwy SiO2 po obu stronach wafla za pomocą reaktywnego trawienia jonowego (RIE) z plazmą sprzężoną indukcyjnie (ICP), wykorzystując mieszaninę fluoru (C4F8) i tlenu (O2). Czas trwania wynosi 16 min (parametry ICP-RIE wymienione w Tabeli 3) dla każdej strony.</li>
	<li>Poddaj wafeł pięciu cyklom trawienia anizotropowego z wykorzystaniem procesu Boscha w celu utworzenia wcięcia w warstwie krzemu. Proces ten charakteryzuje się płaskim profilem ścianek bocznych dzięki naprzemiennemu osadzaniu gazów C4F8 oraz heksafluorku siarki (SF6). Poprzez naprzemienne trawienie anizotropowe i osadzanie polimeru, krzem jest trawiony pionowo w dół (parametry trawienia wymienione w Tabeli 3).</li>
	<li>Zanurz wafeł w kąpieli z roztworem piranha (H2SO4:H2O2 = 3:1 objętościowo) utrzymywanej w temperaturze 388 K przez 10 min. Pozwala to na usunięcie polimerów osadzonych w etapie anizotropowym.</li>
	<li>Aby utworzyć podcięcie, które zapewnia profil reentrantny, przeprowadź trawienie izotropowe zgodnie z procedurą opartą na SF6 przez czas 165 s (parametry trawienia wymienione w Tabeli 3). 
	UWAGA: Krok ten wykonuje się na każdej stronie wafla.</li>
	<li>Anizotropowe trawienie krzemu
	<ol>
		<li>Przenieś wafeł do urządzenia deep-ICP-RIE (Oxford instruments), aby wytrawić 150 µm krzemu, stosując 200 cykli głębokiego trawienia metodą Boscha (parametry trawienia wymienione są w Tabeli 3).</li>
		<li>Powtórz krok 10.4.1 dla tylnej strony wafla.</li>
		<li>Przeprowadź czyszczenie wafla w roztworze piranha w stanowisku mokrej chemii przez 10 min, aby usunąć zanieczyszczenia polimerowe osadzone podczas procesu trawienia, co zapewni jednorodną prędkość trawienia.</li>
		<li>Powtórz kroki 10.4.1–10.4.3, aby utworzyć w waflu pory przelotowe (widoczne gołym okiem pod źródłem światła) posiadające reentrantne wloty i wyloty.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Zanurz wafeł w 100 ml kąpieli z trawieniem chromu przez 60 s, aby usunąć chrom z obu stron wafla.</li>
</ol>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1">
	<tbody>
		<tr>
			<td rowspan="2">Parametr</td>
			<td rowspan="2">Trawienie krzemionki</td>
			<td colspan="2">Anizotropowe trawienie krzemu /cykl</td>
			<td rowspan="2">Izotropowe trawienie krzemu</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Osadzanie</td>
			<td>Trawienie</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Moc RF (W)</td>
			<td>100</td>
			<td>5</td>
			<td>30</td>
			<td>20</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Moc ICP (W)</td>
			<td>1500</td>
			<td>1300</td>
			<td>1300</td>
			<td>1800</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ciśnienie trawienia (mTorr)</td>
			<td>10</td>
			<td>30</td>
			<td>30</td>
			<td>35</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Temperatura (°C)</td>
			<td>10</td>
			<td>15</td>
			<td>15</td>
			<td>15</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Przepływ C4F8 (sccm)</td>
			<td>40</td>
			<td>100</td>
			<td>5</td>
			<td>-</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Przepływ O2 (sccm)</td>
			<td>5</td>
			<td>-</td>
			<td>-</td>
			<td>-</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Przepływ SF6 (sccm)</td>
			<td>-</td>
			<td>5</td>
			<td>100</td>
			<td>110</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Czas trawienia (s)</td>
			<td>960</td>
			<td>5</td>
			<td>7</td>
			<td>165</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
Tabela 3: Parametry suchego trawienia SiO2/Si.
11. Czyszczenie końcowe
<ol>
	<li>Po procesie mikrowytwarzania oczyścić wafer 100 mL świeżo przygotowanego roztworu piranha (H2SO4:H2O2 = 3:1 objętościowo; T = 388 K) w szklanym naczyniu przez 10 min, a następnie osuszyć pistoletem z sprężonym N2 o czystości 99%.</li>
	<li>Próbki umieścić w szklanej szalce Petri w czystej piecyl próżniowej w temperaturze T = 323 K do czasu stabilizacji wewnętrznego kąta zwilżania wody na gładkim SiO2 na poziomie θo ≈ 40° (po 48 h).</li>
	<li>Uzyskane suche próbki (krzemionkowe GEMs) przechowywać w komorze z N2. 
	UWAGA: Cały proces wytwarzania przedstawiono na Rysunku 4.</li>
</ol>
<img alt="Schemat procesu trawienia krzemu; etapy wykorzystania fotorezystu i chromu na waflu krzemowym." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60583/60583fig4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 4">
Rysunek 4: Schematyczny rysunek procesu mikrofabrykacji GEM. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60583/60583fig4large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>

<ol><li>Fisher, J. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+future+of+evapotranspiration%3A+Global+requirements+for+ecosystem+functioning%2C+carbon+and+climate+feedbacks%2C+agricultural+management%2C+and+water+resources%5BTitle%5D)+AND+%22Water+Resources+Research%22%5BJournal%5D)">The future of evapotranspiration: Global requirements for ecosystem functioning, carbon and climate feedbacks, agricultural management, and water resources.</a> Water Resources Research. 53 (4), 2618-2626 (2017).</li>
<li>Deshmukh, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Membrane+distillation+at+the+water-energy+nexus%3A+limits%2C+opportunities%2C+and+challenges%5BTitle%5D)+AND+%22Energy+%26+Environmental+Science%22%5BJournal%5D)">Membrane distillation at the water-energy nexus: limits, opportunities, and challenges.</a> Energy & Environmental Science. 11 (5), 1177-1196 (2018).</li>
<li>Ali, A., Tufa, R. A., Macedonio, F., Curcio, E., Drioli, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Membrane+technology+in+renewable-energy-driven+desalination%5BTitle%5D)+AND+%22Renewable+and+Sustainable+Energy+Reviews%22%5BJournal%5D)">Membrane technology in renewable-energy-driven desalination.</a> Renewable and Sustainable Energy Reviews. 81, 1-21 (2018).</li>
<li>Ghaffour, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Renewable+energy-driven+innovative+energy-efficient+desalination+technologies%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Energy%22%5BJournal%5D)">Renewable energy-driven innovative energy-efficient desalination technologies.</a> Applied Energy. 136, 1155-1165 (2014).</li>
<li>Chen, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recovery+of+dilute+aqueous+butanol+by+membrane+vapor+extraction+with+dodecane+or+mesitylene%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Membrane+Science%22%5BJournal%5D)">Recovery of dilute aqueous butanol by membrane vapor extraction with dodecane or mesitylene.</a> Journal of Membrane Science. 528, 103-111 (2017).</li>
<li>Wang, P., Chung, T. -S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recent+advances+in+membrane+distillation+processes%3A+Membrane+development%2C+configuration+design+and+application+exploring%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Membrane+Science%22%5BJournal%5D)">Recent advances in membrane distillation processes: Membrane development, configuration design and application exploring.</a> Journal of Membrane Science. 474, 39-56 (2015).</li>
<li>Khayet, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Membranes+and+theoretical+modeling+of+membrane+distillation%3A+A+review%5BTitle%5D)+AND+%22Advances+in+Colloid+and+Interface+Science%22%5BJournal%5D)">Membranes and theoretical modeling of membrane distillation: A review.</a> Advances in Colloid and Interface Science. 164 (1-2), 56-88 (2011).</li>
<li>Drioli, E., Ali, A., Macedonio, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Membrane+distillation%3A+Recent+developments+and+perspectives%5BTitle%5D)+AND+%22Desalination%22%5BJournal%5D)">Membrane distillation: Recent developments and perspectives.</a> Desalination. 356, 56-84 (2015).</li>
<li>Souhaimi, M. K., Matsuura, T. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aSouhaimi%2C+MK+%22Membrane+Distillation.+1st+edn%22">Membrane Distillation. 1st edn</a>. , Elsevier. (2011).</li>
<li>Janssen, D., De Palma, R., Verlaak, S., Heremans, P., Dehaen, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Static+solvent+contact+angle+measurements%2C+surface+free+energy+and+wettability+determination+of+various+self-assembled+monolayers+on+silicon+dioxide%5BTitle%5D)+AND+%22Thin+Solid+Films%22%5BJournal%5D)">Static solvent contact angle measurements, surface free energy and wettability determination of various self-assembled monolayers on silicon dioxide.</a> Thin Solid Films. 515 (4), 1433-1438 (2006).</li>
<li>Hendren, Z. D., Brant, J., Wiesner, M. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface+modification+of+nanostructured+ceramic+membranes+for+direct+contact+membrane+distillation%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Membrane+Science%22%5BJournal%5D)">Surface modification of nanostructured ceramic membranes for direct contact membrane distillation.</a> Journal of Membrane Science. 331 (1-2), 1-10 (2009).</li>
<li>Verho, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanically+Durable+Superhydrophobic+Surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Materials%22%5BJournal%5D)">Mechanically Durable Superhydrophobic Surfaces.</a> Advanced Materials. 23, 673-678 (2011).</li>
<li>Boinovich, L., Emelyanenko, A. M., Pashinin, A. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Analysis+of+Long-Term+Durability+of+Superhydrophobic+Properties+under+Continuous+Contact+with+Water%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Applied+Materials+%26+Interfaces%22%5BJournal%5D)">Analysis of Long-Term Durability of Superhydrophobic Properties under Continuous Contact with Water.</a> ACS Applied Materials & Interfaces. 2 (6), 1754-1758 (2010).</li>
<li>Lindstrom, A. B., Strynar, M. J., Libelo, E. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Polyfluorinated+compounds%3A+past%2C+present%2C+and+future%5BTitle%5D)+AND+%22Environmental+Science+%26+Technology%22%5BJournal%5D)">Polyfluorinated compounds: past, present, and future.</a> Environmental Science & Technology. 45 (19), 7954-7961 (2011).</li>
<li>Gryta, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Influence+of+polypropylene+membrane+surface+porosity+on+the+performance+of+membrane+distillation+process%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Membrane+Science%22%5BJournal%5D)">Influence of polypropylene membrane surface porosity on the performance of membrane distillation process.</a> Journal of Membrane Science. 287 (1), 67-78 (2007).</li>
<li>An, A. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Enhanced+vapor+transport+in+membrane+distillation+via+functionalized+carbon+nanotubes+anchored+into+electrospun+nanofibres%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+Reports%22%5BJournal%5D)">Enhanced vapor transport in membrane distillation via functionalized carbon nanotubes anchored into electrospun nanofibres.</a> Scientific Reports. 7, (2017).</li>
<li>Hammami, M. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Engineering+Hydrophobic+Organosilica+Nanoparticle-Doped+Nanofibers+for+Enhanced+and+Fouling+Resistant+Membrane+Distillation%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Applied+Materials+%26+Interfaces%22%5BJournal%5D)">Engineering Hydrophobic Organosilica Nanoparticle-Doped Nanofibers for Enhanced and Fouling Resistant Membrane Distillation.</a> ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (2), 1737-1745 (2017).</li>
<li>Shi, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+3D+Photothermal+Structure+toward+Improved+Energy+Efficiency+in+Solar+Steam+Generation%5BTitle%5D)+AND+%22Joule%22%5BJournal%5D)">A 3D Photothermal Structure toward Improved Energy Efficiency in Solar Steam Generation.</a> Joule. 2 (6), 1171-1186 (2018).</li>
<li>Wang, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Simultaneous+production+of+fresh+water+and+electricity+via+multistage+solar+photovoltaic+membrane+distillation%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Communications%22%5BJournal%5D)">Simultaneous production of fresh water and electricity via multistage solar photovoltaic membrane distillation.</a> Nature Communications. 10 (1), 3012(2019).</li>
<li>Hensel, R., Neinhuis, C., Werner, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+springtail+cuticle+as+a+blueprint+for+omniphobic+surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+Society+Reviews%22%5BJournal%5D)">The springtail cuticle as a blueprint for omniphobic surfaces.</a> Chemical Society Reviews. 45 (2), 323-341 (2016).</li>
<li>Helbig, R., Nickerl, J., Neinhuis, C., Werner, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Smart+Skin+Patterns+Protect+Springtails%5BTitle%5D)+AND+%22PLoS+ONE%22%5BJournal%5D)">Smart Skin Patterns Protect Springtails.</a> PLoS ONE. 6 (9), 25105(2011).</li>
<li>Andersen, N. M., Cheng, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+marine+insect+Halobates+%28Heteroptera%3A+Gerridae%29%3A+biology%2C+adaptations%2C+distribution%2C+and+phylogeny%5BTitle%5D)+AND+%22Oceanography+and+Marine+biology%3A+an+Annual+Review%22%5BJournal%5D)">The marine insect Halobates (Heteroptera: Gerridae): biology, adaptations, distribution, and phylogeny.</a> Oceanography and Marine biology: an Annual Review. 42, 119-180 (2004).</li>
<li>Cheng, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Marine+and+Freshwater+Skaters%3A+Differences+in+Surface+Fine+Structures%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Marine and Freshwater Skaters: Differences in Surface Fine Structures.</a> Nature. 242, 132(1973).</li>
<li>Gao, X., Jiang, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Water-repellent+legs+of+water+striders%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Water-repellent legs of water striders.</a> Nature. 432 (7013), 36(2004).</li>
<li>Golovin, K. B., Gose, J., Perlin, M., Ceccio, S. L., Tuteja, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bioinspired+surfaces+for+turbulent+drag+reduction%5BTitle%5D)+AND+%22Philosophical+Transactions+of+the+Royal+Society+A+-+Mathematical+Physical+and+Engineering+Sciences%22%5BJournal%5D)">Bioinspired surfaces for turbulent drag reduction.</a> Philosophical Transactions of the Royal Society A - Mathematical Physical and Engineering Sciences. 374 (2073), (2016).</li>
<li>Liu, T. Y., Kim, C. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Turning+a+surface+superrepellent+even+to+completely+wetting+liquids%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Turning a surface superrepellent even to completely wetting liquids.</a> Science. 346 (6213), 1096-1100 (2014).</li>
<li>Domingues, E. M., Arunachalam, S., Mishra, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Doubly+Reentrant+Cavities+Prevent+Catastrophic+Wetting+Transitions+on+Intrinsically+Wetting+Surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Applied+Materials+%26+Interfaces%22%5BJournal%5D)">Doubly Reentrant Cavities Prevent Catastrophic Wetting Transitions on Intrinsically Wetting Surfaces.</a> ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (25), 21532-21538 (2017).</li>
<li>Arunachalam, S., Das, R., Nauruzbayeva, J., Domingues, E. M., Mishra, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Assessing+omniphobicity+by+immersion%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Colloid+and+Interface+Science%22%5BJournal%5D)">Assessing omniphobicity by immersion.</a> Journal of Colloid and Interface Science. 534, 156-162 (2019).</li>
<li>Domingues, E. M., Arunachalam, S., Nauruzbayeva, J., Mishra, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biomimetic+coating-free+surfaces+for+long-term+entrapment+of+air+under+wetting+liquids%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Communications%22%5BJournal%5D)">Biomimetic coating-free surfaces for long-term entrapment of air under wetting liquids.</a> Nature Communications. 9 (1), 3606(2018).</li>
<li>Gonzalez-Avila, S. R., Nguyen, D. M., Arunachalam, S., Domingues, E. M., Mishra, H., Ohl, C. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mitigating+cavitation+erosion+using+biomimetic+gas-entrapping+microtextured+surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Science+Advances%22%5BJournal%5D)">Mitigating cavitation erosion using biomimetic gas-entrapping microtextured surfaces.</a> Science Advances. , in press (2020).</li>
<li>Subramanian, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Evaluating+the+potential+of+superhydrophobic+nanoporous+alumina+membranes+for+direct+contact+membrane+distillation%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Colloid+and+Interface+Science%22%5BJournal%5D)">Evaluating the potential of superhydrophobic nanoporous alumina membranes for direct contact membrane distillation.</a> Journal of Colloid and Interface Science. 533, 723-732 (2019).</li>
<li>Wenzel, R. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Resistance+of+solid+surface+to+wetting+by+water%5BTitle%5D)+AND+%22Industrial+and+Engineering+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Resistance of solid surface to wetting by water.</a> Industrial and Engineering Chemistry. 28 (8), 7(1936).</li>
<li>Cassie, A. B. D., Baxter, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Wettability+of+porous+surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Transactions+of+the+Faraday+Society%22%5BJournal%5D)">Wettability of porous surfaces.</a> Transactions of the Faraday Society. 40, 0546-0550 (1944).</li>
<li>Kaufman, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Simple-to-Apply+Wetting+Model+to+Predict+Thermodynamically+Stable+and+Metastable+Contact+Angles+on+Textured%2FRough%2FPatterned+Surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Physical+Chemistry+C%22%5BJournal%5D)">Simple-to-Apply Wetting Model to Predict Thermodynamically Stable and Metastable Contact Angles on Textured/Rough/Patterned Surfaces.</a> The Journal of Physical Chemistry C. 121 (10), 5642-5656 (2017).</li>
<li>Mishra, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Time-Dependent+Wetting+Behavior+of+PDMS+Surfaces+with+Bioinspired%2C+Hierarchical+Structures%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Applied+Materials+%26+Interfaces%22%5BJournal%5D)">Time-Dependent Wetting Behavior of PDMS Surfaces with Bioinspired, Hierarchical Structures.</a> ACS Applied Materials & Interfaces. 8 (12), 8168-8174 (2016).</li>
<li>Seo, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rates+of+cavity+filling+by+liquids%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences%22%5BJournal%5D)">Rates of cavity filling by liquids.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. , (2018).</li>
<li>Das, R., Arunachalam, S., Ahmad, Z., Manalastas, E., Mishra, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bio-inspired+gas-entrapping+membranes+%28GEMs%29+derived+from+common+water-wet+materials+for+green+desalination%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Membrane+Science%22%5BJournal%5D)">Bio-inspired gas-entrapping membranes (GEMs) derived from common water-wet materials for green desalination.</a> Journal of Membrane Science. 588, 117185(2019).</li>
<li>Tanner Research. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Manual%2C+L.-E.U%22">Manual, L.-E.U</a>. , Tanner Research, Inc. (1996).</li>
<li>Xu, M. C., Sun, G. U., Kim, C. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Infinite+Lifetime+of+Underwater+Superhydrophobic+States%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Infinite Lifetime of Underwater Superhydrophobic States.</a> Physical Review Letters. 113 (13), (2014).</li>
<li>Arunachalam, S., Domingues, E. M., Das, R., Nauruzbayeva, J., Buttner, U., Syed, A., Mishra, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rendering+SiO2%2FSi+Surfaces+Omniphobic+by+Carving+Gas-Entrapping+Microtextures+Comprising+Reentrant+and+Doubly+Reentrant+Cavities+or+Pillars%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%22%5BJournal%5D)">Rendering SiO2/Si Surfaces Omniphobic by Carving Gas-Entrapping Microtextures Comprising Reentrant and Doubly Reentrant Cavities or Pillars.</a> Journal of Visualized Experiments. , e60403(2020).</li>
<li>Dean, J. A. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aDean%2C+JA+%22Lange%27s+Handbook+of+Chemistry%22">Lange's Handbook of Chemistry</a>. , McGraw-Hill, Inc. New York; London. (1999).</li>
<li>Yu, J. K., Mitrovic, S., Tham, D., Varghese, J., Heath, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reduction+of+thermal+conductivity+in+phononic+nanomesh+structures%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Nanotechnology%22%5BJournal%5D)">Reduction of thermal conductivity in phononic nanomesh structures.</a> Nature Nanotechnology. 5 (10), 718-721 (2010).</li>
<li>Mishra, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermomechanical+and+Thermal+Contact+Characteristics+of+Bismuth+Telluride+Films+Electrodeposited+on+Carbon+Nanotube+Arrays%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Materials%22%5BJournal%5D)">Thermomechanical and Thermal Contact Characteristics of Bismuth Telluride Films Electrodeposited on Carbon Nanotube Arrays.</a> Advanced Materials. 21 (42), 4280(2009).</li>
<li>Liu, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((3D+Printing+of+Bioinspired+Liquid+Superrepellent+Structures%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Materials%22%5BJournal%5D)">3D Printing of Bioinspired Liquid Superrepellent Structures.</a> Advanced Materials. 0 (0), 1800103(2018).</li>
<li>Jafari, R., Cloutier, C., Allahdini, A., Momen, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recent+progress+and+challenges+with+3D+printing+of+patterned+hydrophobic+and+superhydrophobic+surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22The+International+Journal+of+Advanced+Manufacturing+Technology%22%5BJournal%5D)">Recent progress and challenges with 3D printing of patterned hydrophobic and superhydrophobic surfaces.</a> The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. , 1-14 (2019).</li>
<li>Vorobyev, A., Guo, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multifunctional+surfaces+produced+by+femtosecond+laser+pulses%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Applied+Physics%22%5BJournal%5D)">Multifunctional surfaces produced by femtosecond laser pulses.</a> Journal of Applied Physics. 117 (3), 033103(2015).</li>
</ol>

R.D., S.A. i H.M. złożyły międzynarodowy patent o numerze zgłoszenia. PCT/IB2019/054548.

Praca ta przedstawia projektowanie i wytwarzanie krzemionkowych GEMów, pierwszych w historii membran DCMD pochodzących z materiałów hydrofilowych. Mikrofabrykacja za pomocą systemu SiO2/Si zapewnia ogromną elastyczność w tworzeniu mikrotekstur w celu testowania kreatywnych pomysłów. Oczywiście zakres tych prac jest ograniczony do proof-of-concept dla GEMs, ponieważ płytki SiO2/Si/SiO2 i protokoły mikroprodukcji w pomieszczeniach czystych są niepraktyczne w przypadku membran odsalających.
Należy zauważyć, że chociaż architektura GEM może zapobiec wnikaniu wody po zanurzeniu, gdy wewnętrzny kąt działania wynosi θo ≥ 40°, strategia ta zawodzi, jeśli powierzchnia jest superhydrofilowa. Na przykład, po wystawieniu na działanie plazmy tlenowej, powierzchnie krzemionkowe wykazują θo ≈ 5°, a te krzemionkowe-GEM tracą powietrze, które jest spontanicznie uwięzione w porach jako pęcherzyki, ponieważ ciekły menisk nie jest już przypięty do krawędzi reentrantowych. Jednak popularne tworzywa sztuczne, takie jak alkohol poliwinylowy (θo ≈ 51°) i poli(tereftalan etylenu) (θo ≈ 72°), powinny być zgodne z tym podejściem. W ten sposób zasady projektowania wyuczone z krzemionki-GEM można skalować za pomocą druku 3D44, produkcji addytywnej45, mikroobróbki laserowej46 i frezowania CNC37 itp.
Następnie omówiono kilka kluczowych aspektów mikrowytwarzania krzemionki-GEM, które wymagają szczególnej uwagi. Ręczne wyrównanie wsteczne (sekcja 8) elementów powinno być wykonane z jak największą starannością, aby uzyskać pory wyrównane w pionie. Przesunięcia mogą powodować powstawanie porów, a w najgorszym przypadku niewspółosiowość może prowadzić tylko do ubytków po obu stronach (brak porów). Dlatego sugeruje się stosowanie wieloskalowych znaczników wyrównania, przy czym najmniejszy znak wyrównania jest co najmniej cztery razy mniejszy niż średnica porów.
Podczas wytrawiania warstwy krzemionki za pomocą C4F8 i O2 (krok 10.1), wcześniejsze użycie (tj. czystość) komory reakcyjnej może mieć wpływ na szybkość trawienia. Wynika to z obecności zanieczyszczeń w komorze reakcyjnej, co jest częstym zjawiskiem w obiektach współdzielonych użytkowników, takich jak uniwersytety. Dlatego zaleca się, aby ten krok został wykonany najpierw na atrapie wafla, aby upewnić się, że system jest czysty i stabilny. Zaleca się również stosowanie krótkich okresów trawienia (np. nie więcej niż 5 minut przy monitorowaniu grubości warstwy krzemionki za pomocą reflektometrii). Na przykład, jeśli całkowite usunięcie warstwy SiO2 μm z płytki SiO2 μm zajmuje 16 minut, wówczas proces trawienia należy podzielić na cztery etapy składające się z trzech 5-minutowych cykli, po których następuje reflektometria, i jeden 1-minutowy (opcjonalnie) etap trawienia, w oparciu o wyniki reflektometrii.
Aby zachować cechy reentranta krzemionki podczas procesu Boscha, który jest używany do wytrawiania warstwy krzemu (krok 10.4), ważne jest, aby użyć twardej maski chromowej. Proces Boscha polega na osadzaniu C4F8 w celu zapewnienia profilu anizotropowego. Jednak w trakcie długich cykli trawienia warstwa ta może stać się bardzo gruba i trudna do usunięcia. Dlatego zaleca się, aby proces Bosch nie trwał dłużej niż ~200 cykli, a następnie należy go oczyścić piranią. Zaobserwowano również, że długie cykle głębokiego trawienia również zmniejszają grubość warstwy krzemionki, pomimo obecności twardej maski chromowej.
Większość narzędzi do trawienia na sucho nie osiąga jednorodności przestrzennej pod względem szybkości wytrawiania. Zatem cechy uzyskane w środku płytki SiO2/Si/SiO2 mogą nie być takie same, jak te na granicy płytki. W tym przypadku wysokiej jakości cechy zostały zrealizowane w środku 4-calowych płytek, a próbki były okresowo obserwowane pod mikroskopem. W przypadku, gdy niektóre obszary są wytrawione bardziej niż inne, wafel należy podzielić na kawałki, które należy wytrawić osobno.
Ten protokół produkcyjny można zastosować do wafli SiO2 / Si / SiO2 o dowolnej grubości; Jednak grubsza warstwa oznacza, że potrzebna jest większa liczba cykli trawienia. Zaleca się stosowanie płytek krzemowych o grubości <300 μm, o ile nie narusza to integralności mechanicznej płytki podczas obróbki i charakteryzacji.

W obliczu rosnącego obciążenia zasobów wody, żywności, energii i środowiska naturalnego konieczne jest opracowanie bardziej ekologicznych technologii i materiałów do odsalania1,2. W tym kontekście proces bezpośredniej destylacji membranowej (DCMD) może wykorzystywać energię solarno-termiczną lub odpadowe ciepło przemysłowe do odsalania wody3,4. DCMD wykorzystuje membrany hydrofobowe do rozdzielania przeciwprądowych strumieni gorącej wody morskiej i zimnej wody dejonizowanej, co pozwala na transport wyłącznie czystej pary wodnej ze strony gorącej na stronę zimną5,6,7,8,9. Komercyjne membrany DCMD opierają się niemal wyłącznie na perfluorowęglowodorach ze względu na ich hydrofobowość, charakteryzującą się wewnętrznym kątem zwilżania wody θo ≈ 110°10. Jednakże perfluorowęglowodory są kosztowne i ulegają uszkodzeniu w podwyższonych temperaturach11 oraz podczas agresywnego czyszczenia chemicznego12,13. Ich brak biodegradowalności budzi również obawy środowiskowe14. W związku z tym badano nowe materiały do DCMD, np. polipropylen15, nanorurki węglowe16 i organokrzemiany17, a także modyfikacje procesu, np. ogrzewanie międzyfazowe18 oraz fotowoltaiczną destylację membranową (photovoltaic-MD)19. Niemniej jednak wszystkie materiały badane dotychczas pod kątem membran DCMD były z natury hydrofobowe, charakteryzując się dla wody θo ≥ 90°).
W niniejszym opracowaniu opisano protokół wykorzystania materiałów hydrofilowych do uzyskania funkcji wodoodpornych membran DCMD, tj. oddzielania wody po obu stronach poprzez trwałe uwięzienie powietrza wewnątrz porów membrany. W celu demonstracji koncepcji wykorzystano dwustronnie polerowane wafle krzemowe z warstwami krzemionki (o grubości 2 µm) po obu stronach (SiO2/Si/SiO2; odpowiednio 2 µm/300 µm/2 µm). Zastosowano procesy mikrowytwarzania w celu uzyskania membran uwięziających gaz (GEMs), które wykorzystują specyficzną architekturę zapobiegającą wnikaniu cieczy do porów, niezależnie od chemii powierzchni.
Inspiracją dla architektury GEMs były ostrygi (Collembola), zamieszkujące glebę sześcionogi, których kutykula zawiera wzory w kształcie grzybów20,21, oraz nartniki (Halobates germanus), owady żyjące w otwartym oceanie, które posiadają na ciele włoski w kształcie grzybów22,23. Architektura powierzchni, wraz z naturalnie wydzielanymi woskami, zapewnia tym owadom „super” hydrofobowość, charakteryzującą się pozornymi kątami zwilżania dla wody (θr ≥ 150°)24. W rezultacie, w stanie spoczynku, nartniki w zasadzie unoszą się w powietrzu na granicy morza i powietrza22,25. W przypadku zanurzenia w wodzie, natychmiastowo uwięziają one wokół ciała warstwę powietrza (znaną również jako plastron), co ułatwia oddychanie i zapewnia wyporność20,23. Inspirując się ostrygami, Kim i współpracownicy wykazali, że powierzchnie krzemionkowe z układami filarów w kształcie grzybów mogą odpychać krople cieczy o niskim napięciu powierzchniowym26. Było to przełomowe odkrycie; stwierdzono jednak, że właściwości odpychania cieczy przez te powierzchnie mogą zostać gwałtownie utracone w wyniku lokalnych defektów lub na granicach struktury27,28. Aby rozwiązać ten problem, badacze mikrofabrykowali powierzchnie krzemionkowe z wnękami, których średnice przy wlotach były gwałtownie mniejsze (tzn. z zakrętem pod kątem 90°) niż w pozostałej części wnęki27. Elementy te są znane jako krawędzie „reentrantne”, a wnęki są w dalszej części tekstu określane jako „wnęki reentrantne”.
Wnęki reentrantne skutecznie więżą powietrze podczas kontaktu z kroplami cieczy lub po zanurzeniu27. Porównano wydajność wnęk o różnych kształtach (kołowych, kwadratowych i sześciokątnych), profilach (reentrantnych i podwójnie reentrantnych) oraz ostrości narożników w odniesieniu do stabilności uwięzionego powietrza w czasie29. Stwierdzono, że kołowe wnęki reentrantne są najbardziej optymalne pod względem odporności na ucieczkę powietrza w kontakcie z cieczami zwilżającymi oraz złożoności procesu wytwarzania. Wykazano również, że materiały naturalnie zwilżalne z wnękami reentrantnymi mogą więzić powietrze po zanurzeniu w cieczach zwilżających, dzięki czemu pełnią funkcję powierzchni omnifobowych. W oparciu o ten dorobek naukowy27,28,29,30 oraz wcześniejsze doświadczenia z DCMD31, postanowiliśmy stworzyć membrany posiadające pory z reentrantnymi wlotami i wylotami. Przewidywano, że taka membrana, dzięki swojej mikroteksturze, będzie w stanie więzić powietrze po zanurzeniu w cieczach zwilżających, co doprowadziło do koncepcji GEMs.
Przyjmijmy membranę wykonaną z materiału hydrofilowego zawierającą proste pory cylindryczne: po zanurzeniu w wodzie membrana ta będzie spontanicznie absorbować wodę (Rysunek 1A,B), osiągając stan pełnego wypełnienia, czyli stan Wenzela32. Z drugiej strony, jeśli wloty i wyloty porów mają profile zwrotne (np. w kształcie litery „T”), mogą one zapobiegać penetracji poru przez ciecz zwilżającą i uwięzić powietrze wewnątrz, co prowadzi do stanów Cassie33 (Rysunek 1C,D). Gdy powietrze zostanie uwięzione wewnątrz poru, będzie ono w dalszym ciągu zapobiegać intruzji cieczy ze względu na swoją ściśliwość i niską rozpuszczalność w wodzie w czasie34,35.
Taki układ będzie powoli przechodzić ze stanu Cassie do stanu Wenzela, a kinetyka tego procesu może być regulowana poprzez kształt, rozmiar i profil porów, ciśnienie par cieczy oraz rozpuszczalność uwięzionego powietrza w cieczy29,34,36. Badacze zdołali zrealizować GEM-y, wykorzystując wafle krzemowe i arkusze polimetakrylanu metylu jako podłoża testowe, a zastosowania typu proof-of-concept dla DCMD w konfiguracji przepływu krzyżowego zostały zademonstrowane37. W niniejszej pracy przedstawiono szczegółowy protokół mikrowytwarzania w celu generowania silica-GEM-ów, rozpoczynając od dwustronnie polerowanych wafli krzemowych z warstwami krzemionki (o grubości 2 μm) po obu stronach (SiO2/Si/SiO2; odpowiednio 2 μm/300 μm/2 μm). Ponadto, za pomocą specjalnie zbudowanej celi ciśnieniowej i mikroskopii konfokalnej oceniono zdolność silica-GEM-ów do uwięzienia powietrza pod wodą.
<img alt="Schemat złożonych struktur geometrycznych z widokami powiększonymi pokazującymi szczegóły morfologii powierzchni." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60583/60583fig1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 1">
Rysunek 1: Schematyczne przedstawienie membrany z prostymi porami cylindrycznymi (A,B) oraz membrany z porami reentrantnymi (C,D). W przeciwieństwie do prostych porów cylindrycznych, pory reentrantne gwałtownie rozszerzają się za wlotami/wylotami i to właśnie ta nieciągłość (lub krawędzie reentrantne) zapobiega wnikaniu cieczy do wnętrza porów. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60583/60583fig1large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
W szczególności w tej sekcji opisano protokół mikrowytwarzania służący do formowania macierzy porów z wlotami i wylotami o profilu zwrotnym przy użyciu dwustronnie polerowanych wafli krzemowych o grubości 300 µm (domieszkowane p, orientacja &lt;100&gt;, średnica 4", termicznie hodowane warstwy tlenku o grubości 2 µm po obu stronach). Poniżej określane są one jako SiO2(2 µm)/Si(300 µm)/SiO2(2 µm) (Rycina 2).
<img alt="Schemat procesu wytwarzania krzemionkowych GEM-ów przedstawiający projektowanie, przygotowanie płytki krzemowej i etapy trawienia." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60583/60583fig2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 2">
Rysunek 2: Schemat blokowy przedstawiający kluczowe etapy mikrofabrykacji krzemionkowych GEM-ów. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60583/60583fig2alarge.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>

<table><tbody><tr><td>Drukarka 3D</td><td>BCN3D</td><td>020.180510.3103</td><td>Drukarka 3D BCN3D Sigma do drukowania modułu testowego z filamentem PLA (kwas polimlekowy).</td></tr><tr><td>Aceton</td><td>BASF</td><td></td><td></td></tr><tr><td>AZ-5214 E fotorezystu</td><td>Merck</td><td></td><td></td></tr><tr><td>AZ-726 MIF wywoływacz</td><td>Merck</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Chrome Etchant</td><td>MicroChemicals</td><td>TechniEtch Cr01</td><td>Do usuwania chromu z wafla krzemowego i</td></tr><tr><td>maski Miernik przewodności</td><td>Hanna</td><td>HI98192</td><td>Do pomiaru przewodności czystej wody podczas próby szczelności.</td></tr><tr><td>Mikroskop konfokalny</td><td>Zeiss</td><td>ZEISS LSM 710</td><td>Do obrazowania fluorescencyjnego wody.</td></tr><tr><td>Contact Aligner</td><td>EVG</td><td>EVG6200</td><td>Nakładka maski</td></tr><tr><td>Deep ICP-RIE</td><td>Oxford Instruments</td><td>Plasmalab system100</td><td></td></tr><tr><td>DI water</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Bezpośredni pisarz</td><td>Heidelberg Instruments</td><td>&micro; System bezpośredniego pisania PG501</td><td>Ekspozycja na promieniowanie UV</td></tr><tr><td>Barwnik spożywczy</td><td>Kroger</td><td></td><td>Zielony barwnik spożywczy do oznaczania słonej wody.</td></tr><tr><td>Szklana szalka Petriego</td><td>VWR</td><td></td><td></td></tr><tr><td>HMDS vapor prime</td><td>Wydajność Systemy</td><td></td><td></td>inżynieryjne</tr><tr><td>Płyta grzejna</td><td>Ekonomiczne urządzenia</td><td>Model 1300</td><td></td></tr><tr><td>Nadtlenek wodoru 30%</td> <td>Chemikalia</td><td></td> VWR <td>Do przygotowania roztworu piranii.</td></tr><tr><td>Oprogramowanie Imaris</td><td>Bitplane</td><td>Wersja 8</td><td>Obrazy mikroskopii konfokalnej Postprocess</td></tr><tr><td>Azot gazowy</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Optyczny profiler powierzchni</td><td>Zygo</td><td>Zygo newview 7300</td><td></td></tr><tr><td>Photomask</td><td>Nanofilm</td><td></td><td>5-calowa maska ze szkła sodowo-wapniowego</td></tr><tr><td>Profilometr</td><td>Veeco</td><td>Detak 8</td><td>Profilometr</td></tr><tr><td>rysika Reaktywne rozpylanie</td><td>Equipment Support Company Ltd</td><td></td><td>Napylanie chromu</td></tr><tr><td>Wytrawianie reaktywnymi jonami (RIE)</td><td>Oxford Instruments</td><td>System Plasmalab100</td><td></td></tr><tr><td>Reflektometr</td><td>Nanometrics</td><td>Nanospec 6100</td><td>Aby sprawdzić pozostałą grubość warstwy tlenku.</td></tr><tr><td>Rodamina B</td><td>Merck</td><td>81-88-9</td><td>Barwnik do obrazowania łąkotki wodnej pod mikroskopem konfokalnym.</td></tr><tr><td>SEM stub</td><td>Mikroskopia elektronowa Nauki</td><td></td><td></td></tr><tr><td>SEM-Quanta 3D</td><td>FEI</td><td>Quanta 3D FEG Dual Beam (SEM/FIB)</td><td></td></tr><tr><td>Wafel krzemowy</td><td>Silicon Valley Microelectronics</td><td></td><td>Dwustronnie polerowany, średnica 4", 300 i mikro; m grubość, 2 i mikro; m gruba warstwa tlenku, domieszkowana p, < Orientacja 100>.</td></tr><tr><td>Chlorek sodu</td><td>Merck</td><td>7647-14-5</td><td>Do przygotowania roztworu NaCl</td></tr><tr><td>Sonicator</td><td>Branson</td><td>1510</td><td></td></tr><tr><td>Powlekarka wirowa</td><td>Headway Research, Inc.</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Suszarka wirowa</td><td>MicroProcess</td><td>Avenger Ultra Pure 6</td><td>Suszenie wirowe w środowisku azotu.</td></tr><tr><td>Napylanie Sputter</td><td>Quorum Technologies</td><td>Q150T S</td><td>Iridium do SEM.</td></tr><tr><td>Kwas siarkowy 96%</td><td>Technic</td><td>764-93-9</td><td>Do przygotowania roztworu piranii.</td></tr><tr><td>Oprogramowanie Tanner EDA L-Edit</td><td>Tanner EDA, Inc.</td><td></td><td>Do projektowania fotomaski</td></tr><tr><td>Pęseta</td><td>Excelta</td><td></td><td></td></tr><tr><td>UV Cure</td>, <td>Tamarack Scientific Co., Inc.</td><td>PRX-2000-20</td><td>Do naświetlania zalania wafli i fotomaski</td></tr><tr><td>Piec próżniowy</td><td>Thermo Scientific</td><td>13-258-13</td><td>Lindberg/Blue M</td></tr><tr><td>Ławka mokra</td><td>JST Manufacturing Inc.</td><td>17391-015-00</td><td>Ławka mokra do czyszczenia piranii</td></tr></tbody></table>

dowód słuszności koncepcji membran zatrzymujących gazy pochodzących z kochających wodę wafli sio2/si/sio2 do ekologicznego odsalania

Proof-of-Concept for Gas-Entrapping Membranes Derived from Water-Loving SiO2/Si/SiO2 Wafers for Green Desalination

Odsalanie poprzez bezpośrednią destylację membranową (DCMD) wykorzystuje membrany hydrofobowe do solidnego oddzielania przeciwprądowych strumieni gorącej i słonej wody morskiej od zimnej i czystej wody, umożliwiając w ten sposób przepływ tylko czystej pary wodnej. Aby osiągnąć ten wyczyn, komercyjne membrany DCMD są pozyskiwane lub pokryte wodoodpornymi perfluorowęglowodorami, takimi jak politetrafluoroetylen (PTFE) i polifluorek winylidenu (PVDF), lub pokryte takimi substancjami. Jednak stosowanie perfluorowęglowodorów jest ograniczone ze względu na ich wysoki koszt, brak biodegradowalności i podatność na trudne warunki operacyjne. Zaprezentowano nową klasę membran określanych jako membrany zatrzymujące gaz (GEM), które mogą solidnie zatrzymywać powietrze po zanurzeniu w wodzie. GEM osiągają tę funkcję dzięki swojej mikrostrukturze, a nie składowi chemicznemu. Praca ta demonstruje dowód słuszności koncepcji dla GEM wykorzystujących wewnętrznie zwilżane płytki SiO2/Si/SiO2 jako system modelowy; kąt zwilżania wody na SiO2 wynosi θo ≈ 40°. Krzemionka-GEM miały cylindryczne pory o długości 300 μm, których średnice w obszarach wlotowych i wylotowych (o długości 2 μm) były znacznie mniejsze; Ta geometrycznie nieciągła struktura, z obrotami o 90° na wlotach i wylotach, jest znana jako "mikrotekstura reentrantowa". Protokół mikrowytwarzania krzemionki-GEM obejmuje projektowanie, fotolitografię, napylanie chromu oraz trawienie izotropowe i anizotropowe. Pomimo kochającej wodę natury krzemionki, woda nie intruzuje krzemionki-GEM podczas zanurzenia. W rzeczywistości mocno zatrzymują powietrze pod wodą i utrzymują je w stanie nienaruszonym nawet po sześciu tygodniach (>106 sekund). Z drugiej strony membrany krzemionkowe z prostymi cylindrycznymi porami spontanicznie wchłaniają wodę (< 1 s). Wyniki te podkreślają potencjał architektury GEM w procesach separacji. Chociaż wybór wafli SiO2/Si/SiO2 dla GEM ogranicza się do zademonstrowania dowodu słuszności koncepcji, oczekuje się, że przedstawione tutaj protokoły i koncepcje przyczynią się do racjonalnego projektowania skalowalnych GEM przy użyciu niedrogich powszechnie dostępnych materiałów do odsalania i nie tylko.

W tej sekcji przedstawiono wyniki pracy pod wodą mikrofabrykowanych krzemionkowych GEM-ów, wykonanych zgodnie z powyższym protokołem. Pory tych GEM-ów były wyrównane pionowo, średnice wlotów/wylotów wynosiły D = 100 μm, odległość środkowa między porami (skok) wynosiła L = 400 μm, odstęp między krawędziami zwrotnymi a ścianką wynosił w = 18 µm, a długość porów wynosiła h = 300 μm (Rysunek 5). Ze względu na niejednorodności powstałe podczas etapów trawienia oraz niewielkie przesunięcia podczas mikrofabrykacji, środkowa część porów była nieco węższa w porównaniu do części poniżej wlotów i wylotów porów, co jednak nie wpłynęło znacząco na strumień masy.
<img alt="Analiza SEM mikrofabrykowanych struktur porowatych; wymiary porów, krzem, szczegóły krawędzi reentrantnej." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60583/60583fig5.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 5">
Rycina 5: Skaningowe mikrografie elektronowe silica-GEMs. Przedstawiono (A) skośny widok przekroju poprzecznego silica-GEMs, (B) powiększony widok przekroju poprzecznego pojedynczego poru oraz (C,D) powiększone widoki krawędzi reentrantnych przy wlotach i wylotach poru. Panele (C) i (D) zostały przedrukowane z pracy Das et al.37. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60583/60583fig5alarge.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
Zanurzanie krzemionkowych GEM-ów w wodzie 
Krzemionka (SiO2) jest hydrofilowe, co wykazano na podstawie pomiaru wewnętrznego kąta zwilżania kropel wody w warunkach nasycenia parą wodną, θo ≈ 40°Zatem w przypadku utworzenia cylindrycznych porów na płytce krzemionkowej woda wniknęłaby do ich wnętrza, osiągając stan pełnego wypełnienia, czyli stan Wenzela.32Aby to sprawdzić, wykorzystano zbudowany na specjalne zamówienie moduł, który umożliwia zamocowanie testowej membrany pomiędzy zbiornikiem z zabarwioną słoną wodą (~0,6 M NaCl z barwnikiem spożywczym) a wodą dejonizowaną (T = 293 K i p = 1 atm). Rejestruje ono również przewodność elektryczną zbiornika z wodą dejonizowaną w komputerze w celu monitorowania wypełniania porów in situ (Rysunek 6A). W tym przypadku membrany krzemionkowe z prostymi cylindrycznymi otworami nie były w stanie zapobiec mieszaniu się dwóch zbiorników, ponieważ woda przenikała natychmiastowo, co odzwierciedlało uwalnianie barwnika (Film uzupełniający). W przeciwieństwie do tego, gdy w tych samych warunkach testowano silica-GEMs, wykazały one zdolność do trwałego więzienia powietrza i utrzymywania go w nienaruszonym stanie przez ponad 6 tygodni, co potwierdzono pomiarami przewodnictwa elektrycznego (granica detekcji = ± 0.01 μS/cm), po czym eksperyment przerwano (Rycina 6B). Wyniki te dowodzą, że architektura GEMs może umożliwiać materiałom hydrofilowym trwałe uwięzienie powietrza podczas zanurzenia w wodzie. Przedstawiono również scenariusz na poziomie porów, w którym niska rozpuszczalność uwięzionego powietrza w wodzie oraz krzywizna międzyfazowej granicy powietrze-woda zapobiegały dalszemu wnikaniu menisku cieczy w głąb poru (Rysunek 6C).
<img alt="Układ ogniwa przewodności do analizy roztworu NaCl; schemat aparatury, wykres przewodności w funkcji czasu." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60583/60583fig6.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 6">
Rycina 6: Testowanie wytrzymałości błony. (A) Schemat wydrukowanej w technologii 3D spersonalizowanej celi do testowania wytrzymałości błon w rozdzielaniu barwionej słonej wody (~0,6 M NaCl z barwnikiem spożywczym) od czystej wody dejonizowanej (T = 293 K, p = 1 atm), przy jednoczesnym rejestrowaniu przewodności elektrycznej zbiornika z wodą DI w komputerze. (B) Wykres półlogarytmiczny przewodności elektrycznej zbiornika z wodą DI w czasie, gdy do rozdzielenia dwóch zbiorników użyto silica-GEMs. Co niezwykłe, silica-GEMs trwale uwięziły powietrze w każdym porze, tak że woda nie była w stanie przeniknąć nawet przez jeden por przez ponad 6 tygodni, co potwierdzają dane dotyczące przewodności elektrycznej. (C) Schemat na poziomie porów, pokazujący granicę powietrze-woda na obu końcach. Panele (A) i (B) zostały przedrukowane z Das et al.37. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60583/60583fig6alarge.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
Aby uzyskać głębszy wgląd w kotwiczenie i przemieszczanie się granicy faz powietrze-woda w wlotach i wylotach krzemionkowych GEM-ów pod wodą (~5 mm słupa cieczy), wykorzystano mikroskopię konfokalną. Powszechnie wiadomo, że laser używany do oświetlenia w mikroskopii konfokalnej nagrzewa również układ39, co może przyspieszyć przejścia zwilżania. Niemniej jednak wysoka rozdzielczość przestrzenna może dostarczyć cennych informacji. Dla porównania zbadano również zachowanie powierzchni krzemionkowych z wnękami reentrantowymi29,40. W obu scenariuszach dodatkowe ciepło dostarczone do zbiornika z wodą powyżej nasila kapilarną kondensację pary wodnej wewnątrz mikrotekstury. W przypadku wnęk reentrantowych kondensacja pary wodnej wyparła uwięzione powietrze, co spowodowało wybrzuszenie granicy faz powietrze-woda ku górze i zdestabilizowało układ (Rycyna 7A,C). W tych warunkach eksperymentalnych woda wniknęła do wszystkich wnęk w czasie krótszym niż 2 h. W przeciwieństwie do nich, krzemionkowe GEM-y nie wykazywały wybrzuszeń przez znacznie dłuższy czas, mimo podobnego tempa nagrzewania. Wyniki te uzasadniono preferencyjną kondensacją pary wodnej z nagrzewanego laserem zbiornika na chłodniejszej granicy faz powietrze-woda po przeciwnej stronie poru (Rycyna 7B,D). Nie było jednak możliwe zmierzenie szybkości transportu masy w tej konfiguracji eksperymentalnej.
<img alt="Schemat uszkodzeń wnęki krzemionkowej w porównaniu do GEM-ów; gorąca i zimna woda, pory, struktura wnęki, stabilność materiału." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60583/60583fig7.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 7">
Rysunek 7: Interfejsy powietrze-woda. (A) Wspomagane komputerowo rekonstrukcje 3D interfejsu powietrze-woda w wlotach krzemionkowych GEM-ów pod wodą (wysokość kolumny, z ≈ 5 mm; moc lasera = 0.6 mW) wraz z widokami przekrojów wzdłuż białych linii przerywanych (po lewej i prawej stronie obrazu centralnego). W wyniku ogrzewania laserem od górnej strony, para wodna skropliła się wewnątrz wnęk, wypierając uwięzione powietrze. Spowodowało to wypchnięcie menisku powietrze-woda ku górze i jego niestabilność. Po 1,5 h większość wnęk została wypełniona wodą. (B) Mikrografie konfokalne krzemionkowych GEM-ów w warunkach podobnych do tych w (A). (C) Schemat wypchnięcia menisku powietrze-woda w przypadku wnęk typu reentrant pod wodą. (D) Schemat dla pora w krzemionkowych GEM-ach w podobnych warunkach. Gorąca para wodna skrapla się wszędzie, najintensywniej na chłodniejszym interfejsie powietrze-woda po stronie oddalonej od lasera. W wyniku tego transportu masy dochodzi do minimalnego wzrostu ciśnienia w porze. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60583/60583fig7large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.</a>
Bezpośrednia destylacja membranowa z wykorzystaniem GEM-ów 
Po ustaleniu, że krzemionkowe GEM-y mogą skutecznie oddzielać dwa zbiorniki z wodą po obu stronach, przetestowano statyczną konfigurację DCMD, w której zasolona strona zasilająca (0,6 M NaCl przy T = 333 K) oraz strona z permeatem dejonizowanym (T = 288 K) stanowiły statyczne zbiorniki. Mimo że krzemionkowe GEM-y zapobiegały przenikaniu wody, nie zaobserwowano mierzalnych strumieni. Wynikało to z faktu, że przewodność cieplna krzemu (k = 149 W-m-1 K-1)41 jest o rzędy wielkości wyższa niż przewodność typowych membran DCMD (tj. k &lt; 1 W-m-1-K-1)2. W związku z tym układ doświadczalny z krzemionkowymi GEM-ami był obarczony zjawiskiem znanym jako polaryzacja temperaturowa, w którym strona gorąca oddaje ciepło do strony zimnej, co obniża strumień31.
Możliwe może być obniżenie przewodności cieplnej krzemu poprzez nanostrukturyzację42 (na przykład w celu poprawy jego właściwości termoelektrycznych43), jednak te kierunki nie zostały zbadane. Zamiast tego, zasady projektowania struktur silica-GEMs zostały przeniesione na arkusze polimetakrylanu metylu (PMMA) (θo ≈ 70° dla wody, k = 0.19 W-m-1-K-1)40 w celu stworzenia PMMA-GEMs37. Rzeczywiście, pierwsza partia (dowód koncepcji) PMMA-GEMs o niskiej porowatości (0,08) wykazała skuteczną separację strony zasilającej od permeatu i zapewniła strumień 1 L-m2-h-1 przez 90 h. Zatem możliwe jest przeniesienie tych badań opartych na silica-GEMs na bardziej powszechne materiały w celu wytwarzania bardziej ekologicznych i tańszych membran do odsalania.
Dodatkowy film. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60583/Movie_S1.mp4" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić ten plik (kliknij prawym przyciskiem myszy, aby pobrać).</a>

Prezentowany tutaj jest stopniowy protokół do realizacji membran zatrzymujących gaz (GEMs) z płytek SiO2/Si przy użyciu technologii mikrofabrykacji układów scalonych. Gdy krzemionka-GEM jest zanurzona w wodzie, zapobiega się wnikaniu wody, pomimo kochającego wodę składu krzemionki.

Dowód słuszności koncepcji membran zatrzymujących gazy pochodzących z kochających wodę wafli SiO2/Si/SiO2 do ekologicznego odsalania

Desalination through direct contact membrane distillation (DCMD) exploits water-repellent membranes to robustly separate counterflowing streams of hot and ...

Membrany zatrzymujące gaz (GEM) mogą solidnie zatrzymywać powietrze po zanurzeniu w cieczach zwilżających. Dzięki temu osiągają tę funkcję ze względu na swoją budowę, która może być przydatna np. w odsalaniu przez destylację membranową. Fotolitografia pozwoliła nam stworzyć złożone, zwisające architektury po obu stronach płytki krzemowej, co zaowocowało GEMS.Umożliwiło to wytwarzanie GEMS przy użyciu konwencjonalnych technik mikrowytwarzania. Na masce fotograficznej należy umieścić odpowiednie znaczniki wyrównania, aby uzyskać pionowo wyrównane słupki. Sugerujemy stosowanie wieloskalowych znaczników wyrównania o najmniejszym rozmiarze co najmniej czterokrotności średnicy słupa.Wytwarzanie krzemionki GEMS obejmuje skomplikowane wzorce projektowe i wieloetapowy proces, a więc pokaże to, że wystarczająca liczba etapów mikrowytwarzania pomoże w zrozumieniu protokołu. Rozpocznij tę procedurę od zaprojektowania tablic i opracowania masek zgodnie z opisem w protokole tekstowym. Zanurz wafel silikonowy w świeżo przygotowanym roztworze piranii.Utrzymuj temperaturę 388 kelwinów przez 10 minut. Opłucz wafel wodą dejonizowaną przez dwa cykle w mokrej ławce, a następnie wysusz wafel w środowisku azotu w wirówce. Wystaw wafel na działanie pary HMDS, aby poprawić przyczepność fotorezystu do powierzchni krzemionki.Przenieś wafel na uchwyt próżniowy powlekarki wirowej, aby obrócić fotorezyst. Użyj fotorezystu AZ 5214 jako tonu negatywowego, aby uzyskać warstwę fotorezystu o grubości 1,6 mikrona. Piecz wafel pokryty fotorezystem w temperaturze 105 stopni Celsjusza na gorącej płycie przez dwie minuty.Powoduje to wysuszenie i utwardzenie folii fotorezystu, która w przeciwnym razie przykleja się do szklanej maski i powoduje problemy z zanieczyszczeniem podczas ekspozycji na promieniowanie UV. Poprawia również przyczepność fotorezystu do powierzchni krzemionki. Naświetl wafel pod wpływem promieniowania UV przez 15 sekund przez chromowaną maskę za pomocą systemu wyrównywania maski, aby uzyskać pożądany wzór na fotorezyście.Następnie gotowy wafelek pieczemy w temperaturze 120 stopni Celsjusza na gorącym talerzu przez dwie minuty. Na tym etapie naświetlona negatywna folia fotorezystyczna dodatkowo się sieciuje. W rezultacie, części fotorezystu naświetlone promieniami UV nie są już rozpuszczalne w roztworze wywoływacza, podczas gdy obszary nienaświetlone są rozpuszczalne.Następnie naświetl wafel pod wpływem światła UV przez 15 sekund w systemie utwardzania UV. Na tym etapie obszary fotorezystu, które nie były wcześniej naświetlane, są odsłaniane i mogą później zostać rozpuszczone w wywoływaczu. Następnie zanurz wafel w 50 ml kąpieli wywoływacza fotorezystu AZ 726 na 60 sekund, aby uzyskać pożądany wzór fotorezystu na płytce krzemowej.Następnie oczyść wafel za pomocą wody dejonizowanej, a następnie wysusz go gazowym azotem. Napylaj chrom na płytkę przez 200 sekund, aby uzyskać warstwę chromu o grubości 50 nanometrów. Osadzanie odbywa się za pomocą napylania reaktywnego prądu stałego typu magnetronowego ze standardowym dwucalowym okrągłym źródłem docelowym w środowisku argonu.Sonikuj rozpyloną płytkę w kąpieli acetonowej przez pięć minut, aby usunąć pozostały fotorezyst z płytki, pozostawiając pożądane cechy za pomocą twardej maski chromowej. Po wypłukaniu tylnej strony wafla dużą ilością acetonu i etanolu, wysuszyć suszarką za pomocą pistoletu do azotu. Następnie powtórz kroki wirowania, pieczenia i ekspozycji na promieniowanie UV na tylnej stronie wafla.W przypadku ekspozycji na promieniowanie UV użyj ręcznego wyrównywania wstecznego z modułem krzyżyka w nakładce kontaktowej, aby wyrównać żądane cechy z tyłu z przednią stroną płytki za pomocą znaczników wyrównania w masce. W przypadku tylnej strony płytki kontynuuj kroki napylania i podnoszenia fotorezystu, aby wygenerować wymagany projekt z chromową twardą maską po obu stronach płytki. Powierzchnia pokryta chromem nie ulega wytrawianiu.W ten sposób miejsca, w których na płytce nie ma chromu, definiują wloty i wyloty nalewaru. Poddaj się wytrawianiu odsłoniętej warstwy dwutlenku krzemu po obu stronach płytki za pomocą indukcyjnie sprzężonego plazmowego wytrawiacza jonowego, który wykorzystuje chemikalia fluoru i tlenu. Czas trwania wynosi 16 minut dla każdej strony.Przetwarzaj płytkę w pięciu cyklach trawienia anizotropowego przy użyciu procesu Bosch, aby utworzyć wycięcie w warstwie krzemu. Proces ten charakteryzuje się płaskim profilem ścianki bocznej wykorzystującym naprzemienne osadzanie oktafluorocyklobutanu i gazów sześciofluorku siarki. Poprzez naprzemienne trawienie anizotropowe i osadzanie polimeru, krzem wytrawia się prosto w dół.Ten krok jest wykonywany z każdej strony płytki. Następnie zanurz wafel w kąpieli z roztworem piranii utrzymywanej w temperaturze 388 kelwinów przez 10 minut. W ten sposób usuwane są polimery osadzone na etapie anizotropowym.Aby utworzyć podcięcie, które daje profil współbieżny, należy poddać się wytrawianiu izotropowemu przy użyciu receptury na bazie sześciofluorku siarki przez 165 sekund. Ten krok jest wykonywany z każdej strony płytki. Aby wykonać anizotropowe wytrawianie krzemu, przenieś płytkę do głęboko sprzężonego indukcyjnie wytrawiacza jonów reagujących z plazmą, aby wytrawić 150 mikronów krzemu.Wykonaj 200 cykli głębokiego trawienia w procesie Bosch. Powtórz ten krok z tylną stroną wafla. Teraz poddaj się czyszczeniu płytki piranią w mokrej ławce przez 10 minut, aby usunąć zanieczyszczenia polimerowe osadzone w procesie trawienia, co zapewnia równomierne tempo trawienia.Powtórz te kroki trawienia i czyszczenia, aby zdać sobie sprawę z porów w płytce z powtarzającymi się wlotami i wylotami. Usuń chrom z płytki, zanurzając ją w 100 ml kąpieli z wytrawiaczem chromowym na 60 sekund. Po procesie mikrofabrykacji wyczyść wafel 100 ml świeżo przygotowanego roztworu piranii w szklanym pojemniku przez 10 minut.Następnie wysusz suszarką za pomocą pistoletu ciśnieniowego do gazu o czystości 99%. Umieścić próbki na szklanej szalce Petriego w czystym piecu próżniowym o temperaturze 323 kelwinów, aż wewnętrzny kąt zwilżania wody na gładkim dwutlenku krzemu ustabilizuje się przy wewnętrznym kącie zwilżania theta równym 40 stopni po 48 godzinach. Otrzymane suche próbki, które są krzemionkowymi gemami, należy przechowywać w komorze na azot.Skaningowe mikrofotografie elektronowe GEM krzemionki pokazują pochylony przekrój poprzeczny, powiększony widok przekroju poprzecznego pojedynczego pora oraz powiększone widoki krawędzi współbieżnych na wlotach i wylotach porów. Pory tych GEM-ów były wyrównane pionowo. Średnica wlotu i wylotu wynosiła 100 mikronów.Odległość między porami od środka do środka wynosiła 400 mikronów. Odstęp między krawędziami reentranta a ścianą porów wynosił 18 mikronów, a długość porów 300 mikronów. Pokazano tutaj komputerowo ulepszone rekonstrukcje 3D granicy faz powietrze-woda na wlotach krzemionkowych GEM pod wodą.Pokazane są również widoki przekrojów poprzecznych wzdłuż białych przerywanych linii. W przypadku wnęk reentrantowych kondensacja pary wodnej wewnątrz wnęk wyparła uwięzione powietrze, co spowodowało wybrzuszenie granicy faz powietrze-woda do góry i destabilizację układu. W przeciwieństwie do tego, GEM krzemionki pozostawały wolne od wybrzuszeń przez znacznie dłuższy czas, mimo że tempo ogrzewania było podobne.Wyniki te zostały zracjonalizowane na podstawie preferencyjnej kondensacji pary wodnej z podgrzewanego laserowo zbiornika na chłodzonym granicy faz powietrze-woda po drugiej stronie. Nie było jednak możliwe zmierzenie szybkości transferu masy w tej eksperymentalnej konfiguracji. Zapobiegaj usuwaniu struktur reentrantowych krzemionki podczas procesu Boscha, służy do dodawania krzemu.Bardzo ważne jest, aby mieć chromowaną twardą maskę. Odkrycia te mogą uwolnić potencjał powszechnie stosowanych materiałów w zastosowaniach, które obecnie wymagają powłok perfluorowanych, takich jak redukcja oporu lub tłumienie i oczyszczanie.

proof-concept-for-gas-entrapping-membranes-derived-from-water-loving

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Opisano metodę trwałego łączenia dwóch płytek krzemowych w celu uzyskania jednolitej obudowy. Obejmuje to przygotowanie płytek, czyszczenie, klejenie RT i procesy wyżarzania. Powstałe połączone płytki (komórki) mają jednorodność obudowy ~1%1,2. Uzyskana geometria pozwala na pomiary zamkniętych cieczy i gazów.

Wytwarzanie jednolitych wnęk w nanoskali za pomocą bezpośredniego łączenia płytek krzemowych

Opisano protokół dla nowatorskiej platformy polaryzacji stężenia jonów (ICP), która może zatrzymać rozprzestrzenianie się strefy ICP, niezależnie od warunków pracy. Ta unikalna zdolność platformy polega na wykorzystaniu łączącego się zubożenia i wzbogacania jonów, które są dwiema biegunowościami zjawiska ICP.

Łączenie polaryzacji stężenia jonów między zestawionymi membranami jonowymiennymi w celu zablokowania propagacji strefy polaryzacji

Ten artykuł opisuje praktyczne metody przygotowania hydrożeli w foliach wolnostojących i impregnowanych membranach oraz charakteryzuje ich właściwości fizyczne, w tym właściwości transportu wody.

Synteza hydrożeli o właściwościach przeciwporostowych jako membran do oczyszczania wody

Ten raport szczegółowo opisuje zainicjowane mikrofalowo podejście do osadzania funkcjonalizowanych porfiryną porowatych organokrzemianowych sorbentów na tkaninie bawełnianej i demonstruje zmniejszenie transportu siarczku 2-chloroetylu etylu (CEES) przez tkaninę w wyniku tego zabiegu.

Osadzanie porowatych sorbentów na podłożach tkaninowych

Skuteczna metoda szybkiego i jonoselektywnego odsalania radioaktywnego jodu w kilku roztworach wodnych jest opisana za pomocą filtrów membranowych z octanu celulozy immobilizowanych nanocząstkami złota.

Skuteczna metoda selektywnego odsalania radioaktywnych anionów jodu przy użyciu filtra membranowego z nanocząstkami złota

Przedstawiono proste, powtarzalne i wszechstronne podejście do syntezy przerośniętych, polikrystalicznych metaloorganicznych membran szkieletowych na szerokiej gamie niemodyfikowanych porowatych i nieporowatych podpór.

Krystalizacja elektroforetyczna ultracienkich, wysokowydajnych membran metaloorganicznych

Ta praca przedstawia protokoły mikrofabrykacji do uzyskiwania wnęk i filarów o profilach reentrantowych i podwójnie reentrantowych na płytkach SiO2/Si za pomocą fotolitografii i suchego trawienia. Powstałe w ten sposób mikroteksturowane powierzchnie wykazują niezwykłą odporność na ciecze, charakteryzującą się solidnym, długotrwałym zatrzymywaniem powietrza pod zwilżającymi cieczami, pomimo wewnętrznej zwilżalności krzemionki.

Nadawanie powierzchniom SiO2/Si omnifobii poprzez rzeźbienie mikrotekstur zatrzymujących gaz, zawierających wnęki lub filary reentrantowe i podwójnie współbieżne

Przedstawiamy protokół wytwarzania hybrydowej błony lipidowej na granicy woda/powietrze poprzez domieszkowanie dwuwarstwy lipidowej cząsteczkami miedzi (II) 2,9,16,23-tetra-tert-butyl-29H,31H-ftalocyjaniny (CuPc). Powstała hybrydowa błona lipidowa ma strukturę warstwową lipid/CuPc/lipid. Protokół ten może być również stosowany do tworzenia innych funkcjonalnych nanomateriałów.

Samoorganizacja hybrydowych błon lipidowych domieszkowanych hydrofobowymi cząsteczkami organicznymi na granicy faz woda/powietrze

Pokazujemy wykonanie urządzenia do odwróconej elektrodializy przy użyciu membrany kationowymiennej (CEM) i membrany anionowymiennej (AEM) do wytwarzania energii.

Membrany jonowymienne do produkcji urządzenia do odwróconej elektrodializy

Ten protokół opisuje reproduktywalną metodę wytwarzania trwałych metalowo-organicznych ramek/polimerowych membran mieszanych i dokładnego pomiaru ich przewodnictwa protonowego w płaszczyźnie pod zmienną temperaturą i wilgotnością z wykorzystaniem spektroskopii impedancji elektrochemicznej, co może być przydatne dla ogniw paliwowych z membranami wymienników protonowych (PEMFC).

Pomiar przewodności protonowej w membranie matrycowej mieszanej na bazie MOF za pomocą spektroskopii impedancji elektrochemicznej

Poznaj metodę wytwarzania membran zatrzymujących gazy z wafli SiO₂/Si przy użyciu technik mikrofabrykacji układów scalonych. Protokół ten umożliwia produkcję struktur zapobiegających przenikaniu wody.

Dowód słuszności koncepcji membran zatrzymujących gazy pochodzących z kochających wodę wafli SiO2/Si/SiO2 do ekologicznego odsalania (Wideo) | JoVE Journal

Dowód słuszności koncepcji membran zatrzymujących gazy pochodzących z kochających wodę wafli SiO₂/Si/SiO₂ do ekologicznego odsalania

Przeglądaj więcej filmów