[发明专利]用于恢复和维持液体之下的超疏水性的方法和装置

说明书

相关申请

本申请要求于2010年7月27日提交的美国临时专利申请号61/368,188的优先权。根据35U.S.C.§119要求优先权。上述专利申请通过援引合并入本文中，如同其全部呈现。

关于联邦赞助的研究与开发的声明

本发明是在由国家科学基金会（National Science Foundation.）授予的基金No.0103562下的政府支持做出的。政府在本发明中具有某些权利。

技术领域

本发明的领域通常涉及利用超疏水表面的方法和装置，更具体涉及在淹没到液体中的超疏水表面上维持超疏水性的方法和装置。

背景技术

按照当今的惯例，超疏水（SHPo）表面是定义为在其上的空气中的水形成大于150度的接触角的固体表面。迄今为止，仅在结构化的疏水表面上发现了这样高的接触角，该结构典型地是微米级的。SHPo表面的典型证明是水滴以小阻力在其上四处滚动。最近，SHPo表面同样因为它们的表面结构或微特征（微轮廓，microfeature）能够在水下保持住气膜而当淹没在水中时也显示出前景（即，没有小滴）。一个令人关注的应用是减阻，因为保持在微特征内（之间）的气体润滑在它们之上的水流，而有效地允许水在其表面上滑动。液体在固体表面上流动的光滑度（滑移度）如何被定量定义为滑移长度（slip length），从来没有发现超过1微米的滑移长度（太小而不可用），直到SHPo表面的出现。甚至已经证明一些SHPo表面具有以几百微米的有效滑移长度，这足以极大地有益于常规（即大的）流体系统。也已经报道了用于湍流的减阻。对于减阻，认为SHPo表面是对现有的泡沫注射法（气泡注入法，bubble injection method）的优良的替换物，因为表面上的稳定气体使得SHPo方法被动（即能量有效的）和简单（易于执行）。此外，已经显示，SHPo表面上的最小化的固体-液体接触能够抵抗表面污垢，特别是生物污垢。尽管它的巨大潜力，但是已经认为通过SHPo表面的减阻严格地受限于实验室条件，因为在真实的条件下没有这样的SHPo表面能够足够长地保留气体层的迹象。

一旦它们变润湿（即，液体进入微特征之间），SHPo表面不再是SHPo，从而失去它们有利的性能（例如，水排斥性（斥水性）、减阻、生物污垢预防）。因为液体内的SHPo表面的润湿转变是自发的，由各种刺激（instigator）所引起的任何液体入侵对减阻都具有不可改变的影响。例如，图1图示了SHPo表面从未润湿状态（顶部）到润湿状态（底部）的转变。例如，如果表面具有缺陷、液体是在压力下，或随着时间流逝微特征内的气体扩散入液体，则该表面可变润湿并失去它的滑移效果。一旦SHPo表面变成如图1图示的润湿的，则失去超疏水性和它所伴有的在减阻方面的益处等。

最近，已经提出了几种提高SHPo表面上的气体层对抗液体压力的稳定性的方法。例如，可主动地或被动地由空气作用加压气体层，以使它可经受升高的液体压力。可替代地，已经采用了层次结构，以使得SHPo表面更加抵抗液体压力。然而这些先前的改进不产生效果，除非液体压力相对较小（例如，甚至0.5atm都太高）。此外，这些方法仅仅是防护性措施。一旦气体层被破坏，它们就是无效的。需要在各种不利条件下维持超疏水性的能力，以在实际应用中利用SHPo表面。对于稳固性更为期望的是甚至在由于意外事件而使表面变润湿之后恢复超疏水性的能力。成功的方案应该能够用新的气体取代浸没表面结构的液体并恢复稳定的气体膜。

发明内容

在一个实施方式中，SHPo表面包括具有设置于其上的微特征（微轮廓，microfeature）的阵列的基质，和设置于微特征内的气体发生器，该气体发生器被配置成在微特征之间产生气体。当表面的至少一部分处于润湿状态时，气体在微特征内产生，以使得表面恢复为去润湿状态。气体产生可为自调节的（self-regulating），因为气体产生在存在润湿条件时自动开始，而在已经产生足够的气体以恢复其修复超疏水性的去润湿状态时停止。

气体发生器可包括一个或多个电极、化学反应物（例如，试剂），或加热元件。在电极实施方式中，电极通过电解液体（一般是水）来产生气体。气体产生是自调节的，当微特征的一部分处于润湿状态时电解开始，而润湿的微特征一变成去润湿状态就停止电解。

SHPo表面包括设置于微特征内的第一电极，和设置为与液体接触的第二电极。电极与电功率源连接。当微特征的一部分处于润湿状态时，两个电极处于电连通，闭合电解电路以开始电解。当微特征处于去润湿状态时，微特征内的气体使两个电极电学分离，断开电解电路以停止电解。