一种仿生水汽冷凝与收集结构及其制备方法与流程

本本发明属于仿生微纳制造领域，具体涉及一种仿生水汽冷凝与收集结构及其制备方法，这种水汽冷凝与收集结构具有优异的水汽冷凝特性，并能将冷凝形成的水滴定向收集起来，为高效水汽冷凝与收集结构提供一种解决方案。

背景技术：

在冷凝过程，由于冷凝液附着于冷凝结构表面，阻碍了潮湿空气和冷凝结构表面的热交换过程。因此，要获得优异性能的水汽冷凝与收集结构，就要让冷凝形成的冷凝液快速有效地脱离冷凝结构表面。工业上目前使用的主要是采用疏水表面或者超疏水表面，使得冷凝液成滴状，并让冷凝表面倾斜或竖直放置，冷凝形成的液滴在体积达到一定程度就在重力作用下脱离冷凝结构表面。然而，在冷凝初始阶段疏水表面的冷凝效果比亲水表面要差许多，如果能让亲水表面形成的冷凝液快速脱落，将可以获得更有效的水汽冷凝结构。

自然界中有许多具有优异水汽冷凝特性的生物结构，其表面为亲水或者亲疏水相间的结构，同时能使表面冷凝形成的液滴定向收集，快速脱离冷凝结构表面，又开始新的冷凝过程，如沙漠中的甲虫表面、蜘蛛丝、仙人掌刺等结构。2001年Andrew R.Parker等人在《Nature》杂志上指出，沙漠甲虫表面具有优异水汽冷凝特性主要源于其表面亲疏水相间的周期性微纳米结构，疏水表面冷凝形成的液滴汇集到亲水区域，借助风力作用完成定向收集。2010年江雷等人在《Nature》杂志上报道了蜘蛛丝的纺锤体 结构，表面存在浸润性梯度及自由能梯度，能定向地在晨雾中收集微小液滴形成大液滴。

目前已有的仿生水汽冷凝与收集的结构主要有两种，一种是锥形的类仙人掌刺结构，该结构主要利用液滴在锥形表面的自由能梯度，在锥形尖端冷凝形成的液滴往锥形底部汇集，使尖端又重新暴露在潮湿空气中，又开始形成新的冷凝过程；另一种是类沙漠甲虫表面结构，即疏水表面上分布有亲水的圆形或者矩形阵列，冷凝形成的液滴会汇集到亲水区域，随着液滴体积增大，相邻亲水区域的液滴会发生合并，而使一部分亲水区域裸露出来，这种过程持续发生，合并形成的冷凝液滴体积持续增大，当冷凝表面倾斜放置时，大的冷凝液滴会在重力作用下脱离冷凝表面，使得冷凝过程继续进行。

上述的两种仿生水汽冷凝与收集结构具有一定的局限性，类仙人掌刺结构为锥形结构，而一般工业中应用的冷凝表面为平面结构，并且锥形结构的规模制备难度较大；类沙漠甲虫表面结构最终是在重力作用下脱离冷凝结构表面，脱离时的冷凝液已经足够多(通常冷凝液尺寸达到几毫米)，对冷凝过程已经形成了一定的阻碍作用，为了使冷凝液快速脱离，就必须减少亲水区域所占的比例，但这样一来也就同时限制了水汽冷凝与收集结构的性能。此外，目前已有技术采用制备疏水区域所使用的方法一般是采用自组装疏水分子层或者涂覆疏水涂料的方法，制备的疏水区域表面容易因受到污染而使疏水性能变差，降低表面冷凝性能。

技术实现要素：

针对上述技术缺陷，本发明提供一种仿生水汽冷凝与收集结构及其制备方法，其目的在于提供高效的水汽冷凝与收集结构和制备方法，在竖直、倾斜和水平放置时都能完成冷凝液的收集，具备高效水汽冷凝与收集能力冷凝与收集性能好，制备方法简单，易于规模制备。

本发明提出的一种仿生水汽冷凝与收集结构，其特征在于，其在硅基底上，加工有氧化硅亲水区，氧化硅厚度为200-800nm；硅基底表面其它区域制有超疏水的硅纳米线结构。

进一步的，所述的冷凝与收集结构的结构的亲水区形状为若干个等腰三角形线性排列成的楔形阵列，或者辐条为等腰三角形的轮毂形阵列；其中：所述楔形阵列是以等腰三角形底边共线排列而成，各三角形间距相等；各三角形底线另一面为冷凝液汇集区；所述轮毂阵列是以等腰三角形底边绕轮毂内圆相切方式、按各三角形顶角平分线等角度排列而成；轮毂内圆的内部区域为冷凝液汇集区；所述汇集区基底为氧化硅，和\或所述引流通道由多孔材料制成。

相应地，本发明提出一种仿生水汽冷凝与收集结构，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在基底表面旋涂光刻胶，通过光刻掩模曝光显影，形成样品；所述基底为表面有氧化硅层的硅晶圆片，所述掩模的图形为若干个等腰三角形线性排列成的楔形阵列，或者辐条为等腰三角形的轮毂形阵列；

所述楔形阵列是以等腰三角形底边共线排列而成，各三角形间距相等；各三角形底线另一面为冷凝液汇集区；

所述轮毂阵列是以等腰三角形底边绕轮毂内圆相切方式、按各三角形顶角平分线等角度排列而成；轮毂内圆的内部区域为冷凝液汇集区；

(2)刻蚀氧化硅层：刻蚀步骤(1)制备的样品，使未被光刻胶保护的氧化硅层被刻蚀，裸露出硅；

(3)制备疏水区域：刻蚀步骤(2)处理后的样品，在未被光刻胶保护的区域制备出超疏水的硅纳米线结构表面；一般而言，超疏水表面一般指表面接触角大于150°。

(4)去除光刻胶：将步骤(3)处理得到的样品放到去胶液或者丙酮溶液中，进行超声清洗，再用去离子水清洗，用氮气枪吹干，使样品表面 的氧化硅层裸露出来；

(5)制备冷凝液引流通道：使用多孔材料在冷凝液汇集区域制备引流通道，将冷凝液汇集区域的冷凝液引流出样品表面；所述多孔材料包括化学纤维、金属氧化物纳米线网状结构或者经过亲水处理的泡沫金属材料。

进一步的，所述的仿生水汽冷凝与收集结构的制备方法中，步骤(1)中的轮毂形阵列中的单个三角形的顶角为0.5-3°，高为0.5-2cm，各三角形相邻边的最小间距为0-300μm。

进一步的，所述的仿生水汽冷凝与收集结构的制备方法中，所述刻蚀制备疏水区域采用的是感应耦合等离子方法，感应等离子刻蚀的参数为：射频功率为20±2W，等离子耦合功率为700±50W，气压为10±1mTorr，气体流量SF₆＝17±2sccm，C₄F₈＝30±5sccm。

进一步的，所述的仿生水汽冷凝与收集结构的制备方法中，步骤(2)采用的刻蚀溶液是氢氟酸和氟化铵混合溶液，其中混合溶液中氢氟酸的质量分数为5-10％，氟化铵的质量分数为15-20％。

进一步的，所述的仿生水汽冷凝与收集结构的制备方法中，所述步骤(3)中制备得到的硅纳米线结构厚度为0.5-3μm；

进一步的，所述的仿生水汽冷凝与收集结构的制备方法中，所述氧化硅层的厚度为200-800nm。

进一步的，所述的仿生水汽冷凝与收集结构的制备方法中，使用质量分数为0.5-1％的氢氟酸溶液处理氧化硅层表面，使氧化硅层结构具有更好的亲水性。

进一步的，所述的仿生水汽冷凝与收集结构及制备方法中，所述汇集区基底为氧化硅，和\或所述引流通道由多孔材料制成。

通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术方案相比，由于采用了特殊的结构和新的原理制备仿生水汽冷凝与收集结构，具有以下特点和优异效果：

(1)本发明采用特殊的亲疏水相间的结构，利用表面张力而非重力来完成冷凝液定向收集，使得冷凝液的尺寸在达到几百微米甚至几十微米就可以定向收集，使得部分冷凝区域裸露出来，开始新的冷凝过程，受冷凝液阻碍作用很小；

(2)使用本发明所使用的方法制备出的结构，亲水区域的表面接触角小于8°，疏水区域的表面接触角大于150°；

(3)本发明采用感应耦合等离子体刻蚀技术制备硅纳米线作为疏水区域的结构，疏水特性源于硅纳米线的特性，同时该方法制备得到的纳米线结构表面有一层氟基化合物，疏水区域(1)的疏水特性能够长久有效地保持；

(4)本发明使用多孔材料作为引流通道，由于多孔材料具有非常良好的吸水性能，即使是水平放置的时候也能够将冷凝液汇集区域的冷凝液快速有效引流出冷凝结构。

附图说明

图1(a)为线性分布楔形阵列的仿生水汽冷凝与收集结构示意图；

图1(b)为轮毂形分布楔形阵列的仿生水汽冷凝与收集结构示意图；

图中，1为疏水区域，2为亲水楔形阵列，3为冷凝液汇集区域，4为引流通道。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例中，冷凝与收集结构其在硅基底上，加工有氧化硅亲水区，硅基底表面其它区域制有超疏水的硅纳米线结构；所述亲水区形状为若干个等腰三角形线性排列成的楔形阵列，或者辐条为等腰三角形的轮毂形阵列；其中：单个楔形指顶角很小的等腰三角形，所述楔形阵列是以所述等腰三角形底边共线排列而成，各三角形间距相等；各三角形底线另一面为冷凝液汇集区，冷凝液汇集区向外开设有引流通道；所述轮毂阵列是以等腰三角形底边绕轮毂内圆相切方式、按各三角形顶角平分线等角度排列而成；轮毂内圆的内部区域为冷凝液汇集区，冷凝液汇集区向外开设有引流通道。三角形的顶角为0.5-3°，高为0.5-2cm，各三角形相邻边的最小间距为0-300μm。本发明中，硅纳米线结构厚度为0.5-3μm，氧化硅厚度为200-800nm；

所述引流通道由多孔材料制成，本发明分别采用了亲水性多孔聚丙烯腈纤维、生长制备的氧化铜纳米线网、亲水处理后的泡沫铜多孔和PET泡沫纤维作为多孔材料。实践中也可以其它类型多孔材料。

通过对表面有氧化硅层的硅晶圆片进行刻蚀，裸露出硅，形成冷凝与收集结构的硅基底，然后在硅基底制备出超疏水的硅纳米线结构表面，形成亲水区；由楔形阵列或轮毂阵列覆盖的硅晶圆片其余部分，去除光刻胶，即得到疏水区。具体步骤是：

(1)在基底表面旋涂光刻胶，通过光刻掩模曝光显影，形成样品；所述基底为表面有氧化硅层的硅晶圆片；

(2)刻蚀氧化硅层：刻蚀步骤(1)制备的样品，使未被光刻胶保护的氧化硅层被刻蚀，裸露出硅；

(3)制备疏水区域：刻蚀步骤(2)处理后的样品，在未被光刻胶保护的区域制备出超疏水的硅纳米线结构表面；

(4)去除光刻胶：除去步骤(3)处理得到的样品上的光刻胶使样品表面的氧化硅层裸露出来；

(5)制备冷凝液引流通道：使用多孔材料在冷凝液汇集区域制备引流通道，将冷凝液汇集区域的冷凝液引流出样品表面。

刻蚀制备疏水区域采用的是感应耦合等离子方法，刻蚀参数为：射频功率为20±2W，等离子耦合功率为700±50W，气压为10±1mTorr，气体流量SF₆＝17±2sccm，C₄F₈＝30±5sccm。刻蚀氧化硅层采用的刻蚀溶液是氢氟酸和氟化铵混合溶液，其中混合溶液中氢氟酸的质量分数为5-10％，氟化铵的质量分数为15-20％。去除光刻胶方法是：将样品放到去胶液或者丙酮溶液中，进行超声清洗，再用去离子水清洗，用氮气枪吹干。

进一步的，使用质量分数为0.5-1％的氢氟酸溶液处理氧化硅层表面，使氧化硅层结构具有更好的亲水性。

实施例一

(1)制备光刻胶图形：在基底表面旋涂PR1-1000光刻胶，并曝光显影；其中基底为表面有氧化硅层的硅晶圆片，氧化硅层的厚度为200；制备的光刻胶图形为楔形阵列(2)和冷凝液汇集区域(3)，楔形结构呈线性阵列分布，单个楔形(顶角很小的等腰三角形)结构长度为2cm，相邻楔形间距为200μm，楔角为1°；

(2)刻蚀氧化硅层：使用氢氟酸和氟化铵混合溶液刻蚀步骤(1)制备的样品，使未被光刻胶保护的氧化硅层被完全刻蚀，裸露出硅；其中混合溶液中氢氟酸的质量分数为5％，氟化铵的质量分数为15％；

(3)利用感应耦合等离子刻蚀(ICP刻蚀)制备疏水区域(1)：将步骤(2)处理后的样品使用ICP刻蚀，在未被光刻胶保护的区域制备出超疏水的硅纳米线结构表面；其中ICP刻蚀的参数为：射频功率RF＝20W，等离子耦合功率ICP＝700W，气压P＝10mTorr，气体流量SF₆＝17sccm，C₄F₈＝30sccm，刻蚀得到硅纳米线结构的厚度为0.5μm；

(4)去除光刻胶：将步骤(3)处理得到的样品放到丙酮溶液中超声 清洗10min，再用足量去离子水清洗，用氮气枪吹干，使样品表面的氧化硅层裸露出来；

(5)亲水区域处理：步骤(4)得到的样品侵泡在质量分数为0.5％的氢氟酸溶液中2min，去除氧化硅层受污染表面，使氧化硅层结构保持亲水。

(6)制备冷凝液引流通道(4)：使用亲水性多孔聚丙烯腈纤维在冷凝液汇集区域(3)上制备一条引流通道(4)；

实施例二、三、四

参照实施案例一的操作步骤，将相应的参数改为下表所示的参数，得到实施案例二、三、四

因为冷凝形成的液滴在体积达到一定程度就在重力作用下脱离冷凝结构表面。然而，在冷凝初始阶段疏水表面的冷凝效果比亲水表面要差许多，如果能让亲水表面形成的冷凝液快速脱落，将可以获得更有效的水汽冷凝结构。

当液滴处于水平放置的楔形(顶角很小的等腰三角形)表面或楔形沟槽时，液滴两端受到的水平方向的作用力分别为：

其中F₁、F₂为两端的受表面张力作用在水平方向的分力，γ为液体的表面张力，θ为液体与接触表面的接触角，L₁、L₂为两端的接触线有效长度。显然楔形区域两端接触线长度并不一样，因而液滴会受到水平方向的驱动力F＝γcosθ(L₂-L₁)，驱动力的大小跟楔形两边的夹角，即楔角β有关。

本发明正是基于上述理论基础，提出了一种高效的水汽冷凝与收集结构制备方法。通过本方法，冷凝形成的冷凝液在表面张力作用下定向收集，快速脱离冷凝结构表面并开始新的冷凝过程。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。