Proof-of-Concept for Gas-Entrapping Membranes Derived from Water-Loving SiO<sub>2</sub>/Si/SiO<sub>2</sub> Wafers for Green Desalination

Ratul Das; Sankara Arunachalam; Zain Ahmad; Edelberto Manalastas; Ahad Syed; Ulrich Buttner; Himanshu Mishra

doi:10.3791/60583

JoVE Journal > Engineering

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Engineering

إثبات مفهوم الأغشية المنضوية للغاز المشتقة من SiO₂/ Si/SiO₂ رقاقات لتحلية المياه الخضراء

Published: March 01, 2020

doi:

10.3791/60583

Ratul Das¹, Sankara Arunachalam¹, Zain Ahmad¹, Edelberto Manalastas¹, Ahad Syed², Ulrich Buttner², Himanshu Mishra¹

¹Water Desalination and Reuse Center (WDRC), Biological and Environmental Science and Engineering (BESE) Division,King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), ²Core Labs,King Abdullah University of Science and Technology (KAUST)

Summary

يقدم هنا بروتوكول خطوة بخطوة لتحقيق الأغشية المربوطة بالغاز (GEMs) من رقاقات SiO₂/ Si باستخدام تقنية التصنيع الدقيق للدوائر المتكاملة. عندما يتم غمر السيليكا-GEMs في الماء، يتم منع تسرب المياه، على الرغم من تكوين المياه المحبة للسيليكا.

Abstract

تستغل تحلية المياه من خلال تقطير غشاء الاتصال المباشر (DCMD) الأغشية الطاردة للمياه لفصل تيارات التدفق المضاد من مياه البحر الساخنة والمالحة عن المياه الباردة والنقية ، مما يسمح فقط لبخار الماء النقي بالمرور. ولتحقيق هذا الإنجاز، فإن أغشية DCMD التجارية مشتقة من البيرفلوروكربونات الطاردة للماء أو مغلفة بها مثل البولي تراترافلوروإيثيلين (PTFE) وثنائي الفلورايد البولي فينيليد (PVDF). ومع ذلك، فإن استخدام البيرفلوروكربونات يحد من تكلفتها العالية، وعدم قابليتها للتحلل البيولوجي، وضعفها أمام الظروف التشغيلية القاسية. كشف النقاب هنا هو فئة جديدة من الأغشية المشار إليها باسم الأغشية الغاز المربوطة (GEMs) التي يمكن أن تنصب الهواء بقوة عند الغمر في الماء. وهكذا، فإن هذه الآليات تحقق هذه الوظيفة من خلال تركيبتها الدقيقة بدلاً من تركيبتها الكيميائية. هذا العمل يدل على إثبات مفهوم لGEMs باستخدام التبول الجوهري SiO₂/ Si/SiO₂ رقائق كنظام نموذجي؛ زاوية الاتصال من الماء على SiO₂ هو س × 40 درجة. كان لدى السيليكا-GEMs مسام أسطوانية بطول 300 ميكرومتر كانت أقطارها في مناطق الدخول والمنفذ (2 ميكروم) أصغر بكثير؛ هذا الهيكل المتقطع هندسيا، مع 90 درجة يتحول في المداخل والمنافذ، ويعرف باسم “microtexture reentrant”. وينطوي بروتوكول التصنيع الدقيق للسيليكا -GEMs على التصميم، والطباعة الحجرية الضوئية، وبقع الكروم، والنقش المتساوي الخواص ومتساوي الخواص. على الرغم من طبيعة المياه المحبة للسيليكا، والمياه لا تتسرب السيليكا-GEMs على الغمر. في الواقع ، فإنها في فخ الهواء بقوة تحت الماء ويبقيه سليما حتى بعد ستة أسابيع (أكثر من 10⁶ ثوان). من ناحية أخرى ، أغشية السيليكا مع المسام الأسطوانية البسيطة تلقائيا ً المياه (< 1 s). وتسلط هذه النتائج الضوء على إمكانات هيكل نظام إدارة الآليات العالمية لعمليات الفصل. في حين أن اختيار رقاقات SiO₂/Si/SiO₂ لـ GEMs يقتصر على إثبات المفهوم ، فمن المتوقع أن تعزز البروتوكولات والمفاهيم المعروضة هنا التصميم العقلاني لـ GEMs القابلة للتطوير باستخدام مواد مشتركة غير مكلفة لتحلية المياه وما بعدها.

Introduction

مع تصاعد الضغط على الموارد المائية/الغذائية/الطاقة/البيئية،^هناكحاجة إلى تقنيات ومواد أكثر مراعاة للبيئة لتحلية المياه^1،^2. في هذا السياق، يمكن لعملية تقطير غشاء الاتصال المباشر (DCMD) الاستفادة من الطاقة الشمسية الحرارية أو الحرارة الصناعية النفايات لتحلية المياه^3،^4. DCMD يستغل الأغشية طارد المياه لفصل تيارات مضادة من مياه البحر الساخنة والمياه الباردة deionized، والسماح فقط بخار الماء النقي لنقل عبر من الجانب الساخن إلى البارد^5،^6،^7،^8،^9. الأغشية التجارية DCMD استغلال حصري تقريبا perfluorocarbons بسبب طارد المياه، التي تتميز زاوية الاتصال الجوهرية من الماء، و_{• س} • 110 °¹⁰. ومع ذلك ، فإن البيرفلوروكربونات باهظة الثمن ، وتتلف في درجات حرارة مرتفعة¹¹ وعند التنظيف الكيميائي القاسي¹²^،^13. كما أن عدم تحللها البيولوجي يثير شواغل بيئية¹⁴. وهكذا ، تم استكشاف مواد جديدة لDCMD ، على سبيل المثال ، البولي بروبلين¹⁵، الأنابيب النانوية الكربونية¹⁶، وorganosilica¹⁷، جنبا إلى جنب مع الاختلافات في العملية ، على سبيل المثال ، التدفئة بين الجوانب¹⁸ والضوئية MD^19. ومع ذلك، فإن جميع المواد التي تم التحقيق فيها لأغشية DCMD حتى الآن كانت في جوهرها طاردة للماء، وتتميز بـ _o ≥ 90 درجة للمياه).

هنا ، يتم وصف بروتوكول لاستغلال المواد المحبة للمياه (المائية) نحو تحقيق وظيفة أغشية DCMD طاردة للمياه ، أي فصل المياه على كلا الجانبين عن طريق ربط الهواء بقوة داخل مسام الغشاء. نحو مظاهرة إثبات المفهوم ، يتم استخدام رقائق السيليكون المصقول على الوجهين مع طبقات السيليكا (2 ميكرومتر سميكة) على كلا الجانبين (SiO₂/ Si /SiO₂؛ 2 μm/300 μm /2 μm ، على التوالي). يتم تطبيق عمليات التصنيع الدقيق لتحقيق أغشية محاصرة للغاز (GEMs) ، والتي تستغل بنية محددة لمنع السوائل من دخول المسام بغض النظر عن كيمياء السطح.

مصدر إلهام للهندسة المعمارية GEMs نشأت من springtails (Collembola) ، وسداسيالبودات التي تعيش في التربة التي تحتوي على أنماط على شكل فطر²⁰^،²¹، والمتزلجين على البحر(Halobates germanus) ، والحشرات التي تعيش في المحيط المفتوح التي لديها شعر على شكل فطر على جسدها²²^،²³. توفر العمارة السطحية ، إلى جانب الشمع المفرز بشكل طبيعي ، هذه الحشرات مع طارد الماء “السوبر” ، تتميز بزوايا اتصال واضحة للمياه(ο_r ≥ 150 °)²⁴. ونتيجة لذلك ، في حالة الراحة ، والمتزلجين البحر تطفو أساسا في الهواء في واجهة البحر والهواء²²^،^25. إذا كانت مغمورة في الماء، فإنها على الفور اعتراض طبقة من الهواء حول الجسم (المعروف أيضا باسم plastron)، مما يسهل التنفس والطفو²⁰^،^23. مستوحاة من springtails، كيم وزملاء العمل أظهرت أن أسطح السيليكا مع صفائف من أعمدة على شكل فطر يمكن صد قطرات من السوائل مع التوترات سطح منخفض²⁶. وكان هذا اكتشافا رائعا. على الرغم من أنه ، فقد تبين أن الطارد السائل لهذه الأسطح يمكن أن تضيع بشكل كارثي من خلال عيوب أو حدود موضعية²⁷^،^28. لعلاج هذه المشكلة ، قام الباحثون بتصنيع أسطح السيليكا الدقيقة مع تجاويف كانت أقطارها في المداخل أصغر فجأة (أي مع منعطف 90 درجة) من بقية التجويف^27. وتعرف هذه الميزات أيضًا باسم حواف “الاستجابة” ، ويشار إلى التجاويف فيما بعد باسم “تجاويف الاستجابة”.

تجاويف Reentrant تفخّب الهواء بقوة عند ملامسة قطرات سائلة أو عند الغمر^27. تم مقارنة أداء تجاويف من أشكال مختلفة (دائرية ومربعة وسداسية) ، لمحات (reentrant وreentrant مضاعفة) ، والحدة من الزوايا فيما يتعلق باستقرار الهواء المحاصرين مع مرور الوقت²⁹. وقد وجد أن تجاويف الراتنج الدائرية هي الأمثل من حيث قوتها لفخ الهواء تحت السوائل الرطبة والتعقيد المرتبط بالتصنيع. أيضا ، فقد ثبت أن المواد التبليلة في جوهرها مع تجاويف reentrant يمكن أن تنصب الهواء على الانغماس في السوائل الرطبة ، وبالتالي ، تحقيق وظيفة الأسطح الكارهة للفكان. بناء على هذا الجسم من العمل²⁷^،²⁸^،²⁹^،³⁰ والخبرة السابقة مع DCMD³¹، قررنا إنشاء الأغشية التي لديها مسام مع مداخل ومنافذ reentrant. وكان من المتوخى أن مثل هذا الغشاء يمكن أن يوقع في فخ الهواء عند الانغماس في السوائل الرطبة بسبب نسيجه الدقيق ، مما يؤدي إلى فكرة GEMs.

النظر في غشاء مصنوع من مادة مائية تتألف من المسام أسطواني بسيطة: عندما مغمورة في الماء، وهذا الغشاء سوف يغمر المياه تلقائيا(الشكل 1A، B)الوصول إلى كامل شغلها، أو الدولة Wenzel³². من ناحية أخرى ، إذا كانت مداخل ومنافذ المسام تحتوي على ملفات تعريف متجددة (على سبيل المثال ، على شكل “T” ) ، فإنها قد تمنع السائل الرطب من اختراق المسام والهواء في الفخ داخل ، مما يؤدي إلى حالات كاسي³³ (الشكل 1C ، D). مرة واحدة في الهواء محاصرون داخل المسام، فإنه سيتم منع تسرب السائل بسبب ضغط وانخفاض الذوبان في الماء مع مرور الوقت^34،^35.

مثل هذا النظام سوف ينتقل ببطء من كاسي إلى حالة Wenzel ، ويمكن ضبط حركية هذه العملية من خلال شكل المسام وحجمها وملفها الشخصي ، وضغط بخار السائل ، وذوبان الهواء المحاصر في السائل²⁹^،³⁴^،^36. وقد تمكن الباحثون من تحقيق GEMs باستخدام رقائق السيليكون وصحائف البولي ميثيل ميثاكريلات كركائز الاختبار ، وتطبيقات إثبات المفهوم لـ DCMD في تكوين عبر التدفق تم إثبات^37. هنا، يتم تقديم بروتوكول مفصل للتصنيع الدقيق لتوليد السيليكا-GEMs، بدءاً من رقائق السيليكون المصقول ة ذات الجانبين مع طبقات السيليكا (2 ميكرومتر سميكة) على كلا الجانبين (SiO₂/Si/SiO_2؛2 ميكرومتر/300 ميكرومتر/2 ميكرومتر، على التوالي). أيضا، يتم تقييم قدرة السيليكا-GEMs لاعتراض الهواء تحت الماء باستخدام خلية ضغط مصممة خصيصا والمجهر confocal.

الشكل 1: التمثيل التخطيطي لغشاء مع المسام الأسطوانية البسيطة (A، B) واحد مع المسام reentrant (C، D). وعلى النقيض من المسام الأسطوانية البسيطة ، تصبح المسام القابلة للدخول أوسع بشكل حاد بعد المداخل / المنافذ ، وهذا الانقطاع (أو حواف الإعادة) هو الذي يمنع السوائل من التطفل في المسام. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

على وجه الخصوص ، يصف هذا القسم بروتوكول microfabrication لنحت صفائف المسام مع مداخل ومنافذ الراتنج باستخدام رقائق السيليكون المصقول على الوجهين التي هي 300 ميكرومتر سميكة (ف المنشطات ، lt&lt> التوجه ، 4 “قطرها ، 2 ميكرومتر سميكة طبقات أكسيد نمت حراريا على كلا الجانبين). ويشار إلى ذلك فيما بعد باسم SiO₂(2 ميكرومتر)/Si (300 ميكرومتر)/SiO₂(2 ميكرومتر)(الشكل 2).

الشكل 2: مخطط انسيابي يسرد الخطوات الرئيسية التي ينطوي عليها التصنيع الدقيق لـ SILICA-GEMs. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Protocol

1. تصميم تصميم 16 صفائف، يتألف كل منها من 625 دائرة (قطرها، D = 100 ميكرومتر؛ الملعب، L = 400 ميكرومتر)، إلى جانب علامات المحاذاة التي سيتم ترجمتها إلى 4″ SiO2(2 μm)/Si (300 μm) /SiO2(2 ميكرومتر) رقائق باستخدام برامج التصميم المناسبة (انظر جدول المواد؛ الشكل 3) 38. الشكل 3: تصاميم الصفائف الدائرية. تم نقل نمط التصميم هذا إلى SiO2(2 ميكرومتر) / Si (300 ميكرومتر) / SiO2(2 μm) من خلال رقائق الطباعة الضوئية. تظهر هي (A) رقاقة كامل ،(B،C)تكبير في وجهات النظر ، و(D ، E)علامات المحاذاة المستخدمة لمحاذاة الظهر اليدوي. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. نقل الميزات على 5 “زجاج الجير الصودا (CaxHyNazO n)قناع مع طلاء 50 نانومتر من الكروم ورقيقة من مقاومة للضوء (مقاومة للضوء إيجابية؛ انظر جدول المواد)من خلال التعرض للأشعة فوق البنفسجية في نظام الكتابة المباشرة (وقت التعرض = 25 مللي ثانية، إلغاء التركيز = +10). تطوير القناع تطوير مقاومة للضوء عن طريق غمر القناع في 200 مل من المطور(جدول المواد)لمدة 60 ق لفضح الكروم تحت. غسل القناع مع دي المتأين (DI) المياه. إزالة الكروم المكشوفة عن طريق غمر القناع في حمام 200 مل من الكروم etchant لمدة 90 s. غسل القناع مع ماء DI. تنفيذ التعرض للأشعة فوق البنفسجية الفيضانات (أي، دون قناع) لمدة 15 s. قم بإزالة مقاومة ضوئية تمامًا من القناع عن طريق الغمر في حمام مطور سعة 200 مل حتى يختفي مقاومة الضوئية تمامًا (60-120 s). تنظيف سطح القناع مع ماء DI والجافة باستخدام النيتروجين (N2)بندقية. 2. تنظيف رقاقة تزج رقاقة السيليكون في محلول البيرانا أعدت حديثا (H2SO4:H2O2 = 3:1 من حيث الحجم) الحفاظ على درجة حرارة 388 K لمدة 10 دقيقة.ملاحظة: ارتداء معدات الحماية الشخصية المناسبة (PPE) أثناء العمل مع حل البيرانا على مقاعد البدلاء الرطب. شطف رقاقة مع ماء DI، دورتين في مقاعد البدلاء الرطب، وتجفيفها تحت بيئة N2 في تدور أكثر جفافا. 3- شهادة HMDS فضح رقاقة لبخار سداسي ميثيل ديسيلين (HMDS) لتحسين التصاق مقاومة الضوئية مع سطح السيليكا (التفاصيل في الجدول 1). المرحلة الأولى: الجفاف وتطهير الأكسجين من الغرفة خطوه وظيفه الوقت (دقيقة) 1 فراغ (10 تور) 1 2 النيتروجين (760 تور) 3 3 فراغ (10 تور) 1 4 النيتروجين (760 تور) 3 5 فراغ (10 تور) 1 6 النيتروجين (760 تور) 3 المرحلة الثانية: الفتيلة خطوه وظيفه الوقت (دقيقة) 1 فراغ (1 تور) 2 2 HMDS (6 تور) 5 المرحلة الثالثة: تطهير عادم رئيس الوزراء والعودة إلى الغلاف الجوي (الردم) خطوه وظيفه الوقت (دقيقة) 1 فراغ 1 2 النيتروجين 2 3 فراغ 2 4 النيتروجين 3 الجدول 1: تفاصيل عملية فتيلة HMDS. 4- الطباعة الحجرية نقل رقاقة على فراغ تشاك من معطف تدور لتدور معطف مقاومة للضوء. استخدام AZ 5214 مقاومة للضوء كنغمة سلبية لتحقيق فيلم موحد سميك 1.6 ميكرومتر من مقاومة الضوئية (يتم سرد معلمات طلاء تدور في الجدول 2).ملاحظة: يمكن استخدام AZ 5214 كمقاومة للضوء إيجابية أو سلبية استنادًا إلى المعالجة الحرارية (أي ما قبل الخبز وما بعد الخبز). إذا كان مسبقًا عند 110 درجة مئوية لمدة دقيقتين ، فإن مقاومة الصور تصرف كنغمة إيجابية ، بحيث تصبح المناطق المكشوفة مذابة أثناء التطوير. للهجة سلبية، ومقاومة للضوء هو prebaked في 105 درجة مئوية لمدة 2 دقيقة تليها التعرض للأشعة فوق البنفسجية وبعد الخبز في 120 درجة مئوية لمدة 2 دقيقة. اخبز الرقاقة المغلفة بمقاومة للضوء عند درجة حرارة 105 درجة مئوية على طبق ساخن لمدة دقيقتين. هذا يجف ويصلب الفيلم المقاوم للضوء ، والذي يلتصق بخلاف ذلك بالقناع الزجاجي ويسبب مشاكل التلوث أثناء التعرض للأشعة فوق البنفسجية ، كما أنه يحسن التصاق مقاومة ضوئية على سطح السيليكا.ملاحظة: يجب ألا تكون درجة حرارة ما قبل الخبز مرتفعة جدًا ، لأن هذا قد يسبب تدميرًا جزئيًا للمكونات الحساسة للضوء في مقاومة الضوء ، مما يقلل من حساسيته. خطوه السرعة (دورة في الدقيقة) منحدر (دورة في الدقيقة / s) الوقت (s) 1 800 1000 3 2 1500 1500 3 3 3000 3000 30 الجدول 2: معلمات لتدور وصفة الطلاء للحصول على طبقة 1.6 ميكرومتر من مقاومة للضوء. اكشف الرقاقة تحت التعرض للأشعة فوق البنفسجية (80 م جي/سم2)لمدة 15 عامًا من خلال قناع الكروم باستخدام نظام محاذاة القناع (EVG 6200) لتحقيق التصميم المطلوب على مقاومة الصور. خبز رقاقة تتحقق في 120 درجة مئوية على hotplate لمدة 2 دقيقة. خلال هذه الخطوة ، يتعرض الفيلم photoresist السلبية مزيد من عبر الروابط. ونتيجة لذلك ، فإن الأجزاء المكشوفة بالأشعة فوق البنفسجية من مقاومة للضوء لم تعد قابلة للذوبان في حل المطور ، في حين أن المناطق غير المعرضة قابلة للذوبان. كذلك فضح رقاقة تحت الأشعة فوق البنفسجية (200 mJ / سم2)لمدة 15 s في نظام علاج الأشعة فوق البنفسجية (PRX-2000-20).ملاحظة: أثناء هذه الخطوة، يتم كشف المناطق المقاومة للضوء التي لم يتم كشفها مسبقاً (الخطوة 4.3) ويمكن حلها لاحقاً في المطور، تاركة وراءها الهياكل المطلوبة على الرقاقة. هذه الخطوة متسامحة من التعرض المفرط لأن الميزات المطلوبة (في لهجة سلبية) لم تعد حساسة للضوء بعد خطوة ما بعد الخبز. تزج رقاقة في حمام 50 مل من AZ-726 مقاومة للضوء المطور (في الأواني الزجاجية) لمدة 60 ق لتحقيق نمط مقاومة للضوء المطلوب على رقاقة السيليكون. تنظيف في وقت لاحق رقاقة باستخدام ماء DI ومزيد من ضربة الجافة مع N2. 5. سبوتر الكروم Sputter على رقاقة لمدة 200 ق للحصول على 50 نانومتر طبقة الكروم سميكة. يتم تنفيذ الترسب باستخدام مضرب DC تفاعلي من نوع المغنطيرون مع مصدر هدف مستدير قياسي مقاس 2 بوصة في بيئة الأرجون مع المعلمات التالية: 400 V، الحالي = 1 A، والضغط = 5 mTorr.ملاحظة: طبقة الكروم يحمي السيليكا من الحفر الجاف تحت أوكتافلوروسيكوكلوبوتان (C4F8). 6. مقاومة للضوء الإقلاع سونيكات رقاقة مبعثر في حمام الأسيتون لمدة 5 دقائق لرفع قبالة photoresist المتبقية (والكروم المودعة على مقاومة ضوئية) من رقاقة، وترك وراءه الميزات المطلوبة مع قناع صلب الكروم. 7. تجهيز الجانب الآخر من رقاقة بعد الإنضاء المؤخر للرقاقة مع كمية وفيرة من الأسيتون والإيثانول ، ضربة الجافة مع بندقية N2 ، ثم كرر الخطوات 4.1 و 4.2. 8. المحاذاة الخلفية اليدوية قم بمحاذاة الميزات المطلوبة على الجانب الخلفي مع الجانب الأمامي من الرقاقة باستخدام علامات المحاذاة في التصميم ووحدة “محاذاة الظهر اليدوي مع الشعر المتقاطع” في مصفف الاتصال (EVG 6200).ملاحظة: محاذاة الظهر اليدوي هو خطوة حاسمة في بروتوكول microfabrication. وبالتالي ، يجب استخدام ميزات المحاذاة المصممة على قناع الضوئي بشكل فعال لتجنب الإزاحة في محاذاة المسام. 9. الطباعة الحجرية على المؤخر من رقاقة بالنسبة للجانب الخلفي من الرقاقة، كرر الخطوات 4.3-4.7 والقسم 5 والقسم 6 لإنشاء التصميم المطلوب مع الكروم على جانبي الرقاقة. لاحظ أن الجزء من السطح المغطى بالكروم لا يخضع للنقش. وهكذا ، فإن البقع التي يغيب فيها الكروم على الرقاقة تحدد مداخل ومنافذ المسام. 10. النقش الخضوع لنقش طبقة SiO2 المكشوفة على جانبي الرقاقة بواسطة بلازما مقرونة باستقرائي (ICP) محفورات تفاعلية (RIE) التي تستخدم الفلور (C4F8)والأكسجين (O2)الكيمياء. المدة هي 16 دقيقة (معلمات ICP-RIE المدرجة في الجدول 3)لكل جانب. قم بمعالجة الرقاقة مع خمس دورات من النقش غير المتساوي الخواص باستخدام عملية بوش لإنشاء درجة في طبقة السيليكون. وتتميز هذه العملية بملف جانبي مسطح باستخدام الترسبات المتناوبة لغازات C4F8 وسداسي فلوريد الكبريت (SF6). بالتناوب النقش اللامتساوية وترسب البوليمر، وحفر السيليكون مباشرة إلى أسفل (معلمات النقش المدرجة في الجدول 3). تزج رقاقة في حمام من محلول البيرانا (H2SO4:H2O2 = 3:1 حسب الحجم) الحفاظ على درجة حرارة 388 K لمدة 10 دقيقة. هذا يزيل البوليمرات المودعة في خطوة اللاإستوتروبيك. لإنشاء undercut، الذي ينتج الملف الشخصي reentrant، والخضوع الحفر متساوي الخواص باستخدام وصفة SF6المستندة لمدة 165 s (معلمات النقش المدرجة في الجدول 3).ملاحظة: يتم تنفيذ هذه الخطوة على كل جانب من الرقاقة. النقش السيليكوني اللاي نقل الرقاقة إلى DEEP-ICP-RIE (أدوات أكسفورد) إلى حفر 150 ميكرومتر من السيليكون باستخدام 200 دورة من النقش العميق باستخدام عملية بوش (يتم سرد معلمات النقش في الجدول 3). كرر الخطوة 10.4.1 مع المؤخر من الرقاقة. الخضوع لتنظيف البيرانا من رقاقة في مقاعد البدلاء الرطب لمدة 10 دقيقة لإزالة الملوثات البوليمرية المودعة من عملية النقش، والذي يضمن معدلات النقش موحدة. كرر الخطوات 10.4.1-10.4.3 لتحقيق من خلال المسام (التي يمكن تصورها بالعين المجردة تحت مصدر الضوء) في رقاقة بعد مداخل ومنافذ. تزج رقاقة في حمام 100 مل من الكروم etchant لمدة 60 ث لإزالة الكروم من كلا الجانبين من رقاقة. المعلمه السيليكا النقش النقش السيليكون يُعنى بالنظائر /الدورة النقش السيليكون يُزوّر ترسب النقش RF الطاقة (W) 100 5 30 20 قوة برنامج المقارنات الدولية (W) 1500 1300 1300 1800 ضغط النقش (mTorr) 10 30 30 35 درجة الحرارة (°C) 10 15 15 15 C4F8 تدفق (sccm) 40 100 5 – O2 تدفق (sccm) 5 – – – SF6 تدفق (sccm) – 5 100 110 وقت النقش (s) 960 5 7 165 الجدول 3: معلمات لSiO2/ Si الحفر الجاف. 11. التنظيف النهائي بعد عملية التصنيع الدقيق، قم بتنظيف الرقاقة بـ 100 مل من محلول البيرانا المعد حديثًا (H2SO4:H2O2 = 3:1 حسب الحجم؛ T = 388 K) في وعاء زجاجي لمدة 10 دقيقة، ثم مزيد من ضربة الجافة مع 99٪ نقية N2 بندقية الضغط. ضع العينات في طبق بيتري زجاجي داخل فرن فراغ نظيف عند T = 323 K حتى تستقر زاوية الاتصال الجوهرية للمياه على SiO2 على نحو سلس عند 40 درجة (بعد 48 ساعة). تخزين العينات الجافة التي تم الحصول عليها (السيليكا GEMs) في مجلس الوزراء N2.ملاحظة: يتم تصوير سير عمل التصنيع بالكامل في الشكل 4. الشكل 4: توضيح تخطيطي لعملية التصنيع الدقيق GEM. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Representative Results

يعرض هذا القسم الأداء تحت الماء من السيليكا-GEMs microfabricated باستخدام البروتوكول المذكور أعلاه. كانت مسام هذه GEMs محاذية رأسيًا ، وكانت أقطار المنفذ / المنفذ D = 100 ميكرومتر ، والمسافة من المركز إلى المركز بين المسام (الملعب) كانت L = 400 ميكرومتر ، وكان الفصل بين حواف الريمد والجدار ث = 18 ميكرومتر ، وكان طول المسام h = 300 ميكرومتر(الشكل 5). بسبب اللاتجانس اتّسع أثناء تَجَدّ خطوات ِ التَجِشِوووبِ واختلال بسيط أثناء التلفيق الدقيق، الجزء الأوسط مِناقَقَ كَانَ أضيق قليلاً بالمقارنة مع الجزء أسفل مداخل ومنافذ المسام، ومع ذلك، فإنه لم يؤثر على تدفق الكتلة بشكل كبير. الشكل 5: المسح الضوئي المجهرية الإلكترون من السيليكا-GEMs. يظهر (A) عرض مقطعي مائل للسيليكا -GEMs ،(B)عرض مقطعي مكبر لمسام واحد ، و (C ، D) مناظر مكبرة لحواف الريمفيد في مداخل ومنافذ المسام. وتطبع الألواح (C) و (دال) من Das et al.37. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. غمر السيليكا-GEMs في الماءالسيليكا (SiO2)هو hydrophilic، كما تتميز زاوية الاتصال الجوهرية من قطرات الماء على ذلك تحت بخار الماء المشبع، و• س 40 درجة. وهكذا ، إذا تم إنشاء المسام الأسطوانية على ورقة السيليكا ، فإن الماء سيحرقها ، ليصل إلى حالة Wenzel32. لاختبار هذا، تم استخدام وحدة مصممة خصيصا التي يمكن تأمين غشاء اختبار بين خزان من المياه المالحة المشوهة (~ 0.6 M NaCl مع تلوين الطعام) والمياه deionized(T = 293 K و p = 1 أجهزة الصراف الأنفي). كما أنه يسجل الموصلية الكهربائية لخزان المياه الديالمتينفية في جهاز كمبيوتر لمراقبة ملء المسام في الموقع (الشكل 6A). هنا ، لم تكن أغشية السيليكا ذات الثقوب الأسطوانية البسيطة قادرة على منع اختلاط الخزانين ، حيث تسللت المياه على الفور كما يعكسها إطلاق الصبغة (فيلم تكميلي). في تناقض حاد، عندما تم اختبار السيليكا-GEMs في ظل نفس الظروف، أنها محاصرة الهواء بقوة والاحتفاظ بها سليمة لأكثر من 6 أسابيع، وأكد بواسطة قياسات الموصلية الكهربائية (حد الكشف = ± ± 0.01 μS/cm)، وبعد ذلك تم وقف التجربة(الشكل 6B). وتثبت هذه النتائج أن بنية GEMs يمكن أن تمكن المواد المائية من إيقاع الهواء بقوة عند الغمر في الماء. أيضا ، تم تقديم سيناريو مستوى المسام الذي ذوبان منخفضة من الهواء المحاصرين في الماء وانحناء واجهة الهواء والماء منع الغضروف السائل من التطفل إلى مزيد من المسام(الشكل 6C). الشكل 6: اختبار متانة الغشاء. (أ)التخطيطي للخلية المخصصة 3D المطبوعة لاختبار متانة الأغشية في فصل المياه المالحة المشوهة (~ 0.6 M NaCl مع تلوين الطعام) من المياه النقية deionized(T = 293 K، p = 1 atm)، في حين تسجيل في وقت واحد الموصلية الكهربائية من خزان المياه DI في جهاز كمبيوتر. (ب)قطعة شبه لوغاريتمية من الموصلية الكهربائية لخزان مياه DI العمل الإضافي عند استخدام السيليكا-GEMs لفصل الخزانين. ومن اللافت للنظر أن السيليكا-GEMs تحاصر الهواء بقوة في كل مسام، بحيث لا يمكن للمياه أن تخترق حتى مسام واحدة لأكثر من 6 أسابيع، كما يتضح من بيانات التوصيل الكهربائي. (C)المسام مستوى التخطيطي، وتبين واجهة الهواء والماء في أي من الطرفين. وتطبع الألواح (A) و(باء) من Das et al.37. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. للحصول على نظرة أعمق في تعلق وإزاحة من واجهة الهواء والماء في مداخل ومنافذ من السيليكا -GEMs تحت الماء (~ عمود 5 ملم)، تم استخدام المجهر confocal. ومن المعروف جيدا أن الليزر المستخدمة للإضاءة في المجهر confocal أيضا يسخن النظام39، والتي يمكن أن تسرع التحولات التبول. ومع ذلك، فإن الاستبانة المكانية العالية يمكن أن تسفر عن رؤية مفيدة. للمقارنة ، تم التحقيق أيضًا في سلوك أسطح السيليكا مع تجاويف reentrant29،40. في كلا السيناريوهين، الحرارة الإضافية التي يتم توفيرها لخزان المياه أعلاه تعزز التكثيف الشعري لبخار الماء داخل الملمس الدقيق. في حالة تجاويف الراتنج ، أدى تكثيف بخار الماء إلى إزاحة الهواء المحاصر ، مما تسبب في انتفاخ واجهة الهواء والماء لأعلى وزعزعة استقرار النظام(الشكل 7A ، C). في ظل تلك الظروف التجريبية ، تطفل الماء في جميع التجاويف في أقل من 2 ساعة. وعلى النقيض من ذلك، ظلت السيليكا – GEMs خالية من الانتفاخ لفترة أطول بكثير، على الرغم من أن معدل التدفئة كان مماثلاً. تم ترشيد هذه النتائج على أساس التكثيف التفضيلي لبخار الماء من الخزان الذي يسخن بالليزر على واجهة الهواء والماء الأكثر برودة في الجانب الآخر من المسام(الشكل 7B، D). ومع ذلك، لم يكن من الممكن قياس معدل النقل الجماعي في هذا التكوين التجريبي. الشكل 7: واجهات الهواء والماء. (أ)إعادة بناء ثلاثية الأبعاد معززة بالكمبيوتر لواجهة الهواء والماء في مداخل السيليكا-GEMs تحت الماء (ارتفاع العمود، z ☆ 5 مم؛ قوة الليزر = 0.6 م. وات) جنبا إلى جنب مع وجهات النظر عبر المقاطع على طول الخطوط البيضاء المنقطة (على الجانبين الأيسر والأيمن من الصورة المركزية). بسبب التدفئة من الليزر على الجانب العلوي ، بخار الماء مكثف داخل التجاويف ، وتشريد الهواء المحاصرين. هذا تسبب في الغضروف المفصلي الهواء والماء لانتفاخ صعودا وتصبح غير مستقرة. بعد 1.5 ساعة ، تم تطفل معظم التجاويف عن طريق الماء. (ب)ميكروغرافيات كونالبؤرة من السيليكا-GEMs في ظل ظروف مماثلة كما هو الحال في (A). (C)التخطيطي للانتفاخ من الغضروف المفصلي الهواء والماء في حالة تجاويف reentrant تحت الماء. (D)التخطيطي للمسام في السيليكا-GEMs في ظل ظروف مماثلة. يتكثف بخار الماء الساخن في كل مكان، ولا سيما على واجهة الهواء والماء الباردة على الجانب أبعد من الليزر. نتيجة لهذا النقل الجماعي ، هناك الحد الأدنى من تراكم الضغط في المسام. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. تقطير غشاء الاتصال المباشر مع GEMsبعد أن ثبت أن السيليكا-GEMs يمكن فصل بقوة خزانين للمياه على كلا الجانبين، تم اختبار تكوين DCMD ثابت، حيث كان جانب الأعلاف المالحة (0.6 M NaCl في T = 333 K) والجانب التتغلغل المؤين(T = 288 K) خزانات ثابتة. وعلى الرغم من أن السيليكا – GEMs منعت تسرب المياه، لم تلاحظ تدفقات قابلة للقياس. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن الموصلية الحرارية للسيليكون(k = 149 W-m-1 K-1)41 هي أوامر من حجم أعلى من ذلك من الأغشية DCMD النموذجية (أي k< 1 W-m-1-K-1)2. وهكذا ، فإن الإعداد التجريبي مع السيليكا – GEMs عانى من ما يعرف بالاستقطاب درجة الحرارة ، حيث يفقد الجانب الساخن الحرارة إلى الجانب البارد ، مما يقلل من التدفق31. قد يكون من الممكن الحد من الموصلية الحرارية للسيليكون من خلال nanostructuring42 (على سبيل المثال ، لتعزيز خصائصه الحرارية43)، ولكن لم يتم استكشاف هذه الطرق. بدلاً من ذلك، تمت ترجمة مبادئ التصميم من السيليكا-GEMs إلى أوراق البوليميثيل ميثاكريلات (PMMA)(οo Ο 70° للمياه، k = 0.19 W-m -1-K-1)40 لإنشاء PMMA-GEMs37. في الواقع ، أظهرت الدفعة الأولى (إثبات المفهوم) من PMMA-GEMs مع مسامية منخفضة (من 0.08) فصلًا قويًا لجانب التغذية وتتخلل وأثمرت عن تدفق 1 L-m2-h-1 على 90 h. وبالتالي، فمن الممكن ترجمة هذه الدراسات القائمة على السيليكا GEMs إلى استخدام مواد أكثر شيوعا لتوليد الأغشية الخضراء ومنخفضة التكلفة لتحلية المياه. فيلم تكميلي. الرجاء الضغط هنا لعرض هذا الملف (انقر على اليمين للتحميل).

Discussion

يقدم هذا العمل تصميم وتصنيع السيليكا GEMs ، وهي أول أغشية DCMD مشتقة من المواد المائية. Microfabrication مع نظام SiO₂/ Si يوفر مرونة هائلة لإنشاء microtextures لاختبار الأفكار الإبداعية. وبطبيعة الحال، يقتصر نطاق هذا العمل على إثبات مفهوم GEMs، لأن رقاقات SiO₂/Si/SiO₂ وبروتوكولات التصنيع الدقيق للغرف النظيفة غير عمليين لأغشية تحلية المياه.

وتجدر الإشارة إلى أنه على الرغم من أن بنية GEMs يمكن أن تمنع تسرب المياه عند الغمر عندما تكون زاوية الاتصال الجوهرية هي _o ≥ 40 درجة ، إلا أن هذه الاستراتيجية تفشل إذا تم إجراء السطح فائق الهيدروفيلية. على سبيل المثال، بعد التعرض لبلازما الأكسجين، تظهر أسطح السيليكا على شكل 5 درجات، وتفقد هذه السيليكا-GEMs الهواء الذي يقع داخل المسام تلقائيًا كفقاعات، لأن الغضروف المفصلي السائل لم يعد مثبتًا عند حواف الرُضع. ومع ذلك، فإن البلاستيك الشائع، مثل كحول البولي فينيل_{(ο o} ☆ 51 درجة) والبولي (الإيثيلين terephthalate)_{(ο o} ☆ 72°) ، يجب أن يكون قابلاً لهذا النهج. وهكذا، يمكن توسيع نطاق مبادئ التصميم المستفادة من السيليكا-GEMs باستخدام الطباعة 3-D^44،تصنيع المضافة^45،الليزر micromachining^46،والطحن التصنيع باستخدام الحاسب الآلي^37،الخ.

وبعد ذلك، تناقش بعض الجوانب الحاسمة للتصنيع الدقيق لآليات السيليكا – GEMs، التي تتطلب اهتماماً خاصاً. يجب إجراء محاذاة الظهر اليدوية (القسم 8) من الميزات بأكبر قدر ممكن من الرعاية لتحقيق المسام المنحازة رأسيًا. قد تؤدي الإزاحة إلى مسام الحلق ، وفي أسوأ الحالات ، قد يؤدي الاختلال إلى تجاويف فقط على كلا الجانبين (لا توجد مسام). وبالتالي ، يقترح استخدام علامات محاذاة متعددة المستويات ، مع أصغر علامة محاذاة أصغر أربع مرات على الأقل من قطر المسام.

أثناء نقش طبقة السيليكا مع C₄F₈ و O₂ (الخطوة 10.1) ، يمكن أن يؤثر الاستخدام السابق (أي النظافة) لغرفة التفاعل على معدلات النقش. ويرجع ذلك إلى وجود ملوثات في غرفة التفاعل ، وهو أمر شائع في مرافق المستخدم المشتركة مثل الجامعات. وبالتالي، فمن المستحسن أن يتم تنفيذ هذه الخطوة أولاً على رقاقة وهمية لضمان أن النظام نظيف ومستقر. أيضا، ينصح باستخدام فترات قصيرة للنقش (على سبيل المثال، لا يزيد عن 5 دقيقة أثناء مراقبة سمك طبقة السيليكا باستخدام قياس الانعكاس). على سبيل المثال، إذا استغرق الأمر 16 دقيقة لإزالة طبقة SiO₂ ميكرومتر 2 بالكامل من رقاقة SiO₂/Si/SiO_2، فيجب تقسيم عملية النقش إلى أربع خطوات تتألف من ثلاث دورات 5 دقيقة متبوعة بقياس الانعكاس، وخطوة محفورة واحدة دقيقة واحدة (اختيارية) ، استنادًا إلى نتائج قياس العاكس.

للحفاظ على ميزات السيليكا reentrant خلال عملية بوش التي تستخدم لحفر طبقة السيليكون (الخطوة 10.4) ، من الأهمية بمكان استخدام قناع صلب من الكروم. تستلزم عملية بوش ترسب C₄F₈ لضمان التشكيل الجانبي اللاي. ومع ذلك ، على مدى دورات النقش الطويلة ، يمكن أن تصبح هذه الطبقة سميكة جدًا ويصعب إزالتها. وبالتالي، فمن المستحسن أن لا يتم تشغيل عملية بوش لأكثر من ~ 200 دورات، وينبغي أن يتبعها تنظيف البيرانا. وقد لوحظ أيضا أن دورات طويلة من النقش العميق أيضا تقليل سمك طبقة السيليكا، على الرغم من وجود قناع صلب الكروم.

وتفشل معظم أدوات الحفر الجافة في تحقيق التوحيد المكاني من حيث معدلات النقش. وبالتالي ، فإن الميزات التي تم الحصول عليها في وسط رقاقة SiO₂/ Si/SiO₂ قد لا تكون هي نفسها التي عند حدود الرقاقة. هنا ، تم تحقيق ميزات عالية الجودة في وسط رقائق 4 “، ولوحظت العينات بشكل دوري تحت المجهر. في حالة حفر بعض المناطق أكثر من غيرها ، يجب تقسيم الرقاقة إلى قطع يجب حفرها بشكل منفصل.

ويمكن تطبيق هذا البروتوكول تصنيع لSiO₂/ Si/SiO₂ رقائق من أي سمك؛ ومع ذلك ، فإن طبقة أكثر سمكًا تعني أن هناك حاجة إلى عدد أكبر من دورات النقش. ويقترح استخدام رقائق السيليكون من سمك < 300 ميكرومتر، طالما أن هذا لا يعرض للخطر السلامة الميكانيكية للرقاقة أثناء المناولة والتوصيف.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

سعادة الرئيس تقر بالتمويل من جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية تحت BAS/1/1070-01-01 ووصول جامعة الملك عبدالله للعلوم والتقنية إلى مرافق المختبر الأساسية لتصنيع النانو.

Materials

3D Printer	BCN3D	020.180510.3103	BCN3D Sigma 3D printer for printing test module with PLA (polylactic acid) filament.
Acetone	BASF
AZ-5214 E photoresist	Merck
AZ-726 MIF developer	Merck
Chrome Etchant	MicroChemicals	TechniEtch Cr01	To remove chromium from silicon wafer and mask
Conductivity Meter	Hanna	HI98192	To measure conductivity of pure water during leak testing.
Confocal microscope	Zeiss	ZEISS LSM 710	For fluorescence imaging of water.
Contact Aligner	EVG	EVG6200	Mask aligner
Deep ICP-RIE	Oxford Instruments	Plasmalab system100
DI water
Direct writer	Heidelberg Instruments	µPG501 direct-writing system	UV exposure
Food Dye	Kroger		Green food dye to label salty water.
Glass Petri dish	VWR
HMDS vapor prime	Yield Engineering systems
Hot plate	Cost effective equipments	Model 1300
Hydrogen peroxide 30%	VWR chemicals		To prepare piranha solution.
Imaris software	Bitplane	Version 8	Postprocess confocal microscopy images
Nitrogen gas
Optical surface profiler	Zygo	Zygo newview 7300
Photomask	Nanofilm		5-inch soda lime glass mask
Profilometer	Veeco	Detak 8	Stylus profilometer
Reactive Sputter	Equipment Support Company Ltd		Chromium sputtering
Reactive-Ion Etching (RIE)	Oxford Instruments	Plasmalab system100
Reflectometer	Nanometrics	Nanospec 6100	To check remaining oxide layer thickness.
Rhodamine B	Merck	81-88-9	Dye for imaging water meniscus under confocal microscope.
SEM stub	Electron Microscopy Sciences
SEM-Quanta 3D	FEI	Quanta 3D FEG Dual Beam (SEM/FIB)
Silicon wafer	Silicon Valley Microelectronics		Double side polished, 4" diamater, 300 µm thickness, 2 µm thick oxide layer, p-doped, <100> orientation.
Sodium Chloride	Merck	7647-14-5	For preparing NaCl solution
Sonicator	Branson	1510
Spin coater	Headway Research,Inc.
Spin dryer	MicroProcess	Avenger Ultra Pure 6	Spin drying in Nitrogen environment.
Sputter	Quorum Technologies	Q150T S	Iridium sputter for SEM.
Sulfuric acid 96%	Technic	764-93-9	To prepare piranha solution.
Tanner EDA L-Edit software	Tanner EDA, Inc.		For designing photomask
Tweezers	Excelta
UV Cure	Tamarack Scientific Co. Inc.	PRX-2000-20	For flood exposure of wafer and photomask
Vaccum oven	Thermo Scientific	13-258-13	Lindberg/Blue M
Wet bench	JST Manufacturing Inc.	17391-015-00	Wet bench used for piranha cleaning

References

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

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite This Article

Das, R., Arunachalam, S., Ahmad, Z., Manalastas, E., Syed, A., Buttner, U., Mishra, H. Proof-of-Concept for Gas-Entrapping Membranes Derived from Water-Loving SiO₂/Si/SiO₂ Wafers for Green Desalination. J. Vis. Exp. (157), e60583, doi:10.3791/60583 (2020).

Automatically Generated