[发明专利]制备有序微观结构和可控化学组成界面的制备方法及其应用

说明书

本发明提供一种制备有序微观结构和可控化学组成的界面的方法，通过制备有序的具有微观结构和可控化学组成的界面进行液相气泡行为操控方法，可以消除在电极方面或者是管道运输、医疗方面气泡产生的不利影响。

技术领域

本发明涉及新能源与高效节能领域，尤其涉及一种制备有序微观结构和可控化学组成基底界面应用于液相气泡行为的调控。

背景技术

水相介质中气泡是很常见的也是不可避免的，在农业和工业过程有很广泛的应用。例如矿物浮选，海洋传热和防污隔离器等。同样，气泡的存在也带来一些负面影响。在液体输送系统，气泡造成管道的腐蚀和堵塞，减少设备寿命，造成资源浪费。例如油气集输管道由于受到流道振动、流道过窄、海水的旋涡、扩散，导致其在流体中就形成了一个低压区。在海水和油气集输管道的金属管壁的界面上，由于低压区的存在，管壁原有的保护膜会受到无数气泡的不断破裂而致使产生机械损伤，从而形成气蚀，长此以往，油气集输管道管壁就被腐蚀成麻孔，呈马蜂窝状。在电催化剂，电极表面气泡的粘附阻碍电极和电解质接触，从而降低电解效率。因此，控制气泡的行为和特性对于气泡的应用是至关重要的。

对于气泡产生，生长，合并和释放等行为的操控引起许多科学家的关注。在沸腾传热方面，表面粗糙度和期间沸腾传热，粗糙的结构被引入，以提供更多的成核位点，降低基板和蒸汽气泡之间浸润性对于沸腾传热的影响比较显著。粗糙表面的微观结构有助于增加核化点密度和气体的滞留，从而降低初始过热度和核沸腾过热度，进而提高沸腾换热效率。此外表面的浸润性也会影响气泡的产生、生长和释放等行为。气泡在疏水表面所需要的自由能要比在亲水表面的低，因此气泡更容易在疏水表面产生。当亲水界面和疏水界面浸润溶液中，分别会形成水膜和气膜。表面的水膜阻碍气泡和亲水固体界面的接触，导致小的气泡释放。相反，形成的气膜可以增加气泡在疏水界面的粘附力，可以气泡的生长和合并提供足够的时间让。众所周知，浸润性是固体表面的一个重要特征,它是由物质表面的化学组成和微观几何结构所共同决定的。因此，我们认为通过协调界面的微观结构和化学组成可以实现气泡的有效操控。

在自然界，许多生物表面的微/纳结构和化学组成实现水相中对气泡实现可靠和有效的操控。在荷叶表面覆盖了大面积的乳突结构，乳突上覆盖有大量均匀分布的纳米蜡质晶。水滴不能填满粗糙表面的凹槽，在荷叶表面形成“气垫”，当外界宏观气泡和气膜接触，引起气泡破裂。荷叶正面诱捕的空气气垫以及荷叶分等级多尺度的结构是气泡破裂的主要因素。水蜘蛛的腹部有大量的防水绒毛，当潜入水中时，自身腹部细毛会储存气泡，以确保它能在水下住所中长久安全的生存下去。

本发明的目的是提供一种制备有序微观结构和可控化学组成的基底界面的方法，通过将微观结构和表面浸润性结合，可以实现在微流体以及管道运输和医疗保健等方面气泡行为的操控，且制作成本相对经济，不会增加生产成本。

发明内容

本发明为解决现有管道运输、医疗保健以及电池效率等方面气泡带来的负面影响，以及提高水下减阻能力，提供一种制备有序微观结构和可控化学组成的基底界面。通过制备有序的具有微观结构和可控化学组成的基底界面，可以对气泡的成核、生长、合并以及释放等行为实现操控。

为解决上述技术问题，本发明提供一种制备有序微观结构和可控化学组成的基底界面的方法，通过制备有序的具有微观结构和可控化学组成的基底界面，对气泡的成核、生长、合并以及释放等行为实现操控。

制备有序的具有微观结构和可控化学组成的基底界面采用的是光滑硅片或者掩膜版刻蚀光滑硅片得到的硅微米柱基底。

本发明提供的制备有序微观结构和可控化学组成的基底界面的方法，具体包括：

第一步，硅片的清洗；

第二步，表面结构的制备；

第三步，疏水表面的构建。