Name: proof-of-concept for gas-entrapping membranes derived from water-loving sio2/si/sio2 wafers for green desalination
Uploaded: 2020-03-01T14:00:00
Duration: 9 min 39 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Proof-of-Concept for Gas-Entrapping Membranes Derived from Water-Loving SiO2/Si/SiO2 Wafers for Green Desalination at JoVE.com

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.

1. تصميم
<ol><li>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.</li>
</ol><img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60583/60583fig3.jpg">
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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60583/60583fig3alarge.jpg" target="_blank">يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
<ol start="2"><li>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).</li>
	<li>تطوير القناع<ol>
<li>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.</li>
		<li>إزالة الكروم المكشوفة عن طريق غمر القناع في حمام 200 مل من الكروم etchant لمدة 90 s. غسل القناع مع ماء DI.</li>
		<li>تنفيذ التعرض للأشعة فوق البنفسجية الفيضانات (أي، دون قناع) لمدة 15 s.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. تنظيف رقاقة
<ol><li>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.</li>
	<li>شطف رقاقة مع ماء DI، دورتين في مقاعد البدلاء الرطب، وتجفيفها تحت بيئة N2 في تدور أكثر جفافا.</li>
</ol>3- شهادة HMDS
<ol><li>فضح رقاقة لبخار سداسي ميثيل ديسيلين (HMDS) لتحسين التصاق مقاومة الضوئية مع سطح السيليكا (التفاصيل في الجدول 1).</li>
</ol><table border="1" fo:keep-together.within-page="1"><tbody>
<tr>
<td colspan="3">المرحلة الأولى: الجفاف وتطهير الأكسجين من الغرفة</td>
		</tr>
<tr>
<td>خطوه</td>
			<td>وظيفه</td>
			<td>الوقت (دقيقة)</td>
		</tr>
<tr>
<td>1</td>
			<td>فراغ (10 تور)</td>
			<td>1</td>
		</tr>
<tr>
<td>2</td>
			<td>النيتروجين (760 تور)</td>
			<td>3</td>
		</tr>
<tr>
<td>3</td>
			<td>فراغ (10 تور)</td>
			<td>1</td>
		</tr>
<tr>
<td>4</td>
			<td>النيتروجين (760 تور)</td>
			<td>3</td>
		</tr>
<tr>
<td>5</td>
			<td>فراغ (10 تور)</td>
			<td>1</td>
		</tr>
<tr>
<td>6</td>
			<td>النيتروجين (760 تور)</td>
			<td>3</td>
		</tr>
<tr>
<td colspan="3">المرحلة الثانية: الفتيلة</td>
		</tr>
<tr>
<td>خطوه</td>
			<td>وظيفه</td>
			<td>الوقت (دقيقة)</td>
		</tr>
<tr>
<td>1</td>
			<td>فراغ (1 تور)</td>
			<td>2</td>
		</tr>
<tr>
<td>2</td>
			<td>HMDS (6 تور)</td>
			<td>5</td>
		</tr>
<tr>
<td colspan="3">المرحلة الثالثة: تطهير عادم رئيس الوزراء والعودة إلى الغلاف الجوي (الردم)</td>
		</tr>
<tr>
<td>خطوه</td>
			<td>وظيفه</td>
			<td>الوقت (دقيقة)</td>
		</tr>
<tr>
<td>1</td>
			<td>فراغ</td>
			<td>1</td>
		</tr>
<tr>
<td>2</td>
			<td>النيتروجين</td>
			<td>2</td>
		</tr>
<tr>
<td>3</td>
			<td>فراغ</td>
			<td>2</td>
		</tr>
<tr>
<td>4</td>
			<td>النيتروجين</td>
			<td>3</td>
		</tr>
</tbody></table>الجدول 1: تفاصيل عملية فتيلة HMDS.
4- الطباعة الحجرية
<ol><li>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.<ol>
<li>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.</li>
	</ol>
</li>
</ol><table border="1" fo:keep-together.within-page="1"><tbody>
<tr>
<td>خطوه</td>
			<td>السرعة (دورة في الدقيقة)</td>
			<td>منحدر (دورة في الدقيقة / s)</td>
			<td>الوقت (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>الجدول 2: معلمات لتدور وصفة الطلاء للحصول على طبقة 1.6 ميكرومتر من مقاومة للضوء.
<ol start="2"><li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>تنظيف في وقت لاحق رقاقة باستخدام ماء DI ومزيد من ضربة الجافة مع N2.</li>
</ol>5. سبوتر
<ol><li>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).</li>
</ol>6. مقاومة للضوء الإقلاع
<ol><li>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.</li>
</ol>7. تجهيز الجانب الآخر من رقاقة
<ol><li>بعد الإنضاء المؤخر للرقاقة مع كمية وفيرة من الأسيتون والإيثانول ، ضربة الجافة مع بندقية N2 ، ثم كرر الخطوات 4.1 و 4.2.</li>
</ol>8. المحاذاة الخلفية اليدوية
<ol><li>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.</li>
</ol>9. الطباعة الحجرية على المؤخر من رقاقة
<ol><li>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.</li>
</ol>10. النقش
<ol><li>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.</li>
	<li>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).</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>النقش السيليكوني اللاي<ol>
<li>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).</li>
		<li>كرر الخطوة 10.4.1 مع المؤخر من الرقاقة.</li>
		<li>الخضوع لتنظيف البيرانا من رقاقة في مقاعد البدلاء الرطب لمدة 10 دقيقة لإزالة الملوثات البوليمرية المودعة من عملية النقش، والذي يضمن معدلات النقش موحدة.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
</li>
	<li>تزج رقاقة في حمام 100 مل من الكروم etchant لمدة 60 ث لإزالة الكروم من كلا الجانبين من رقاقة.</li>
</ol><table border="1" fo:keep-together.within-page="1"><tbody>
<tr>
<td rowspan="2">المعلمه</td>
			<td rowspan="2">السيليكا النقش</td>
			<td colspan="2">النقش السيليكون يُعنى بالنظائر /الدورة</td>
			<td rowspan="2">النقش السيليكون يُزوّر</td>
		</tr>
<tr>
<td>ترسب</td>
			<td>النقش</td>
		</tr>
<tr>
<td>RF الطاقة (W)</td>
			<td>100</td>
			<td>5</td>
			<td>30</td>
			<td>20</td>
		</tr>
<tr>
<td>قوة برنامج المقارنات الدولية (W)</td>
			<td>1500</td>
			<td>1300</td>
			<td>1300</td>
			<td>1800</td>
		</tr>
<tr>
<td>ضغط النقش (mTorr)</td>
			<td>10</td>
			<td>30</td>
			<td>30</td>
			<td>35</td>
		</tr>
<tr>
<td>درجة الحرارة (°C)</td>
			<td>10</td>
			<td>15</td>
			<td>15</td>
			<td>15</td>
		</tr>
<tr>
<td>C4F8 تدفق (sccm)</td>
			<td>40</td>
			<td>100</td>
			<td>5</td>
			<td>-</td>
		</tr>
<tr>
<td>O2 تدفق (sccm)</td>
			<td>5</td>
			<td>-</td>
			<td>-</td>
			<td>-</td>
		</tr>
<tr>
<td>SF6 تدفق (sccm)</td>
			<td>-</td>
			<td>5</td>
			<td>100</td>
			<td>110</td>
		</tr>
<tr>
<td>وقت النقش (s)</td>
			<td>960</td>
			<td>5</td>
			<td>7</td>
			<td>165</td>
		</tr>
</tbody></table>الجدول 3: معلمات لSiO2/ Si الحفر الجاف.
11. التنظيف النهائي
<ol><li>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.</li>
	<li>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).</li>
	<li>تخزين العينات الجافة التي تم الحصول عليها (السيليكا GEMs) في مجلس الوزراء N2. ملاحظة: يتم تصوير سير عمل التصنيع بالكامل في الشكل 4.</li>
</ol><img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60583/60583fig4.jpg">
الشكل 4: توضيح تخطيطي لعملية التصنيع الدقيق GEM. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60583/60583fig4large.jpg" target="_blank">يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>

ر.د. و"س.أ" و"إتش.إم" قد قدموا براءة اختراع دولية، طلب رقم معاهدة التعاون بشأن البراءات/IB2019/054548.

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-D44،تصنيع المضافة45،الليزر micromachining46،والطحن التصنيع باستخدام الحاسب الآلي37،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/SiO2، 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.

مع تصاعد الضغط على الموارد المائية/الغذائية/الطاقة/البيئية،هناكحاجة إلى تقنيات ومواد أكثر مراعاة للبيئة لتحلية المياه1،2. في هذا السياق، يمكن لعملية تقطير غشاء الاتصال المباشر (DCMD) الاستفادة من الطاقة الشمسية الحرارية أو الحرارة الصناعية النفايات لتحلية المياه3،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 البارد5،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 MD19. 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(οr ≥ 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 التجويف27. 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 الغمر27. 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 الوقت34،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 إثبات37. 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/SiO2؛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.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60583/60583fig1.jpg">
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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60583/60583fig1large.jpg" target="_blank">يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
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).
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60583/60583fig2.jpg">
الشكل 2: مخطط انسيابي يسرد الخطوات الرئيسية التي ينطوي عليها التصنيع الدقيق لـ SILICA-GEMs. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60583/60583fig2alarge.jpg" target="_blank">يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>3D Printer</td>
			<td>BCN3D</td>
			<td>020.180510.3103</td>
			<td>BCN3D Sigma 3D printer for printing test module with PLA (polylactic acid) filament.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Acetone</td>
			<td>BASF</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>AZ-5214 E photoresist</td>
			<td>Merck</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>AZ-726 MIF developer</td>
			<td>Merck</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Chrome Etchant</td>
			<td>MicroChemicals</td>
			<td>TechniEtch Cr01</td>
			<td>To remove chromium from silicon wafer and mask</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Conductivity Meter</td>
			<td>Hanna</td>
			<td>HI98192</td>
			<td>To measure conductivity of pure water during leak testing.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Confocal microscope</td>
			<td>Zeiss</td>
			<td>ZEISS LSM 710</td>
			<td>For fluorescence imaging of water.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Contact Aligner</td>
			<td>EVG</td>
			<td>EVG6200</td>
			<td>Mask aligner</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>Direct writer</td>
			<td>Heidelberg Instruments</td>
			<td>&#181;PG501 direct-writing system</td>
			<td>UV exposure</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Food Dye</td>
			<td>Kroger</td>
			<td></td>
			<td>Green food dye to label salty water.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glass Petri dish</td>
			<td>VWR</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HMDS vapor prime</td>
			<td>Yield Engineering systems</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hot plate</td>
			<td>Cost effective equipments</td>
			<td>Model 1300</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hydrogen peroxide 30%</td>
			<td>VWR chemicals</td>
			<td></td>
			<td>To prepare piranha solution.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Imaris software</td>
			<td>Bitplane</td>
			<td>Version 8</td>
			<td>Postprocess confocal microscopy images</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nitrogen gas</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Optical surface profiler</td>
			<td>Zygo</td>
			<td>Zygo newview 7300</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Photomask</td>
			<td>Nanofilm</td>
			<td></td>
			<td>5-inch soda lime glass mask</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Profilometer</td>
			<td>Veeco</td>
			<td>Detak 8</td>
			<td>Stylus profilometer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Reactive Sputter</td>
			<td>Equipment Support Company Ltd</td>
			<td></td>
			<td>Chromium sputtering</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Reactive-Ion Etching (RIE)</td>
			<td>Oxford Instruments</td>
			<td>Plasmalab system100</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Reflectometer</td>
			<td>Nanometrics</td>
			<td>Nanospec 6100</td>
			<td>To check remaining oxide layer thickness.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rhodamine B</td>
			<td>Merck</td>
			<td>81-88-9</td>
			<td>Dye for imaging water meniscus under confocal microscope.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SEM stub</td>
			<td>Electron Microscopy Sciences</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>Silicon wafer</td>
			<td>Silicon Valley Microelectronics</td>
			<td></td>
			<td>Double side polished, 4&#34; diamater, 300 &#181;m thickness, 2 &#181;m thick oxide layer, p-doped, &#60;100&#62; orientation.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium Chloride</td>
			<td>Merck</td>
			<td>7647-14-5</td>
			<td>For preparing NaCl solution</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sonicator</td>
			<td>Branson</td>
			<td>1510</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Spin coater</td>
			<td>Headway Research,Inc.</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Spin dryer</td>
			<td>MicroProcess</td>
			<td>Avenger Ultra Pure 6</td>
			<td>Spin drying in Nitrogen environment.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sputter</td>
			<td>Quorum Technologies</td>
			<td>Q150T S</td>
			<td>Iridium sputter for SEM.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sulfuric acid 96%</td>
			<td>Technic</td>
			<td>764-93-9</td>
			<td>To prepare piranha solution.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tanner EDA L-Edit software</td>
			<td>Tanner EDA, Inc.</td>
			<td></td>
			<td>For designing photomask</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tweezers</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>For flood exposure of wafer and photomask</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vaccum oven</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>13-258-13</td>
			<td>Lindberg/Blue M</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wet bench</td>
			<td>JST Manufacturing Inc.</td>
			<td>17391-015-00</td>
			<td>Wet bench used for piranha cleaning</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

proof-of-concept for gas-entrapping membranes derived from water-loving sio2/si/sio2 wafers for green desalination

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.

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.
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60583/60583fig5.jpg">
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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60583/60583fig5alarge.jpg" target="_blank">يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
غمر السيليكا-GEMs في الماء السيليكا (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).
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60583/60583fig6.jpg">
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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60583/60583fig6alarge.jpg" target="_blank">يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
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.
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60583/60583fig7.jpg">
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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60583/60583fig7large.jpg" target="_blank">يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
تقطير غشاء الاتصال المباشر مع GEMs بعد 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60583/Movie_S1.mp4" target="_blank">الرجاء الضغط هنا لعرض هذا الملف (انقر على اليمين للتحميل).</a>

Watch this Scientific Journal Video about Proof-of-Concept for Gas-Entrapping Membranes Derived from Water-Loving SiO2/Si/SiO2 Wafers for Green Desalination at JoVE.com

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

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.

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

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

يمكن للأغشية التي تحاصر الغاز، أو GEMs، أن تحاصر الهواء بقوة على الغمر في السوائل المتساقطة. ونتيجة لذلك، فإنها تحقق هذه الوظيفة بسبب هيكلها، والتي يمكن أن تكون للاستخدام، على سبيل المثال، في تحلية المياه عن طريق تقطير الأغشية. سمح لنا التصوير الضوئي بإنشاء أبنية معقدة معلقة على كلا الجانبين من رقاقة السيليكون مما أدى إلى GEMS.وقد وفرت مساراً لتصنيع نظام الرصد العالمي (GEMS) باستخدام تقنيات التصنيع الدقيقة التقليدية. يجب وضع علامات المحاذاة المناسبة على قناع الصورة لتحقيق المشاركات المحاذية رأسيًا. نقترح استخدام علامات محاذاة متعددة النطاقات بأصغر حجم لا يقل عن أربعة أضعاف قطر القطب.تلفيق من السيليكا GEMS ينطوي على أنماط تصميم معقدة وعملية متعددة الخطوات، وهكذا هذا سوف تظهر ما يكفي من الخطوات تصنيع الصغيرة سوف تساعد في فهم البروتوكول. ابدأ هذا الإجراء بتصميم صفائف و تطوير قناع كما هو موضح في بروتوكول النص. تزج رقاقة السيليكون في حل البيرانا الطازجة.الحفاظ على درجة حرارة 388 كلفن لمدة 10 دقائق. شطف رقاقة مع المياه ديوند لدورتين في مقعد الرطب، ثم تجفيف رقاقة تحت بيئة النيتروجين في مجفف تدور. عرض رقاقة لبخار HMDS لتحسين التصاق من ضوئي مع سطح السيليكا.نقل رقاقة على تشاك فراغ من معطف تدور لتدور معطف المصور. استخدام AZ 5214 photoresist كنبرة سلبية لتحقيق 1.6 ميكرون فيلم سميكة من photoresist. خبز رقاقة المغلفة photoresist في 105 درجة مئوية على لوحة ساخنة لمدة دقيقتين.هذا يجف ويصلب الفيلم photoresist، الذي يتمسك خلاف ذلك إلى قناع الزجاج ويسبب قضايا التلوث أثناء التعرض للأشعة فوق البنفسجية. كما أنه يحسن التصاق من ضوئي إلى سطح السيليكا. فضح رقاقة تحت التعرض للأشعة فوق البنفسجية لمدة 15 ثانية من خلال قناع الكروم باستخدام نظام محاذاة قناع لتحقيق التصميم المطلوب على photoresist.ثم، خبز رقاقة المحققة في 120 درجة مئوية على لوحة ساخنة لمدة دقيقتين. خلال هذه الخطوة، يتعرض الفيلم photoresist السلبية مزيد من الروابط عبر. ونتيجة لذلك، لم تعد الأجزاء المكشوفة للأشعة فوق البنفسجية من جهاز التصوير الضوئي قابلة للذوبان في محلول المطور، في حين أن المناطق غير المكشوفة قابلة للذوبان.مزيد من فضح رقاقة تحت ضوء الأشعة فوق البنفسجية لمدة 15 ثانية في نظام علاج الأشعة فوق البنفسجية. أثناء هذه الخطوة، يتم كشف المناطق ناصعة ضوئيًا التي لم يتم كشفها مسبقًا، ويمكن حلها لاحقًا في المطور. بعد ذلك، غمر الرقاقة في حمام 50 مل من المطور AZ 726 photoresist لمدة 60 ثانية لتحقيق نمط التصوير المطلوب على رقاقة السيليكون.في وقت لاحق تنظيف رقاقة باستخدام المياه الأيونية، وضربة أخرى الجافة مع غاز النيتروجين. بصق الكروم على رقاقة لمدة 200 ثانية للحصول على 50 نانومتر سميكة الكروم طبقة. يتم تنفيذ الترسب باستخدام بصقة DC تفاعلية من نوع المغنطرون مع مصدر هدف دائري قياسي بوصتين في بيئة أرجون.سونيكيت رقاقة sputtered في حمام الأسيتون لمدة خمس دقائق لرفع قبالة photoresist المتبقية من رقاقة، وترك وراءها الميزات المطلوبة مع قناع من الصعب الكروم. بعد شطف الجانب الخلفي من رقاقة مع كمية وفيرة من الأسيتون والإيثانول، ضربة الجافة مع بندقية النيتروجين. ثم، كرر الطلاء تدور، والخبز، وخطوات التعرض للأشعة فوق البنفسجية على الجانب الخلفي من رقاقة.بالنسبة إلى التعرض للأشعة فوق البنفسجية، استخدم المحاذاة الخلفية اليدوية مع وحدة التقاطع في مصفّق الاتصال لمحاذاة الميزات المطلوبة على الجانب الخلفي مع الجانب الأمامي من الرقاقة باستخدام علامات المحاذاة في القناع. بالنسبة للجانب الخلفي من الرقاقة، استمر في رفع الورم والفوترسرسي قبالة الخطوات لإنشاء التصميم المطلوب مع قناع الكروم الصلب على جانبي الرقاقة. لا يخضع السطح المغطى بالكروم للحفر.وهكذا، فإن البقع التي يغيب فيها الكروم على الرقاقة تحدد مداخل ومنافذ الصب. الخضوع لحفر طبقة ثاني أكسيد السيليكون المكشوفة على جانبي الرقاقة بواسطة مخرّز أيون متفاعل بلازما مُنضم بشكل حثائي يستخدم كيمياء الفلور والأكسجين. مدة 16 دقيقة لكل جانب.معالجة رقاقة مع خمس دورات من النقش anisotropic باستخدام عملية بوش لخلق درجة في طبقة السيليكون. وتتميز هذه العملية من جانب الحائط المسطح باستخدام ترسبات متناوبة من غازات ثماني فلوريكوروبيوتان وسادس فلوريد الكبريت. بالتناوب النقش النظائري وترسب البوليمر، والسيليكون يترسب مباشرة إلى أسفل.يتم تنفيذ هذه الخطوة على كل جانب من رقاقة. بعد ذلك، غمر الرقاقة في حمام من محلول البيرانا الذي يتم الحفاظ عليه عند درجة حرارة 388 كلفن لمدة 10 دقائق. هذا يزيل البوليمرات المودعة في الخطوة anisotropic.لإنشاء تقويض, الذي ينتج التشكيل الجانبي reentrant, الخضوع حفر متساوي الاستوائية باستخدام وصفة الكبريت القائم على سداسي فلوريد لمدة 165 ثانية. يتم تنفيذ هذه الخطوة على كل جانب من رقاقة. لأداء نقش السيليكون anisotropic، نقل رقاقة إلى عميق الاستقراء البلازما مقرونة الاستقراء التفاعلية حفر 150 ميكرون من السيليكون.قم بأداء 200 دورة من الحفر العميق باستخدام عملية بوش. كرر هذه الخطوة مع الجانب الخلفي من رقاقة. الآن، الخضوع لتنظيف البيرانا من رقاقة في مقاعد البدلاء الرطب لمدة 10 دقائق لإزالة الملوثات البوليمرية المودعة من عملية الحفر، مما يضمن معدلات النقش موحدة.كرر هذه الحفر وتنظيف الخطوات لتحقيق من خلال المسام في رقاقة بعد المداخل reentrant ومنافذ. إزالة الكروم من رقاقة عن طريق الانغماس في حمام 100 مل من خنانت الكروم لمدة 60 ثانية. بعد عملية microfabrication، تنظيف رقاقة مع 100 مل من محلول البيرانا الطازجة في وعاء زجاجي لمدة 10 دقائق.ثم، مزيد من ضربة الجافة مع 99٪ نقية بندقية ضغط غاز النيتروجين. ضع العينات في طبق بيتري زجاجي داخل فرن فراغ نظيف في 323 كلفن حتى تستقر زاوية الاتصال الجوهرية للمياه على ثاني أكسيد السيليكون السلس عند زاوية اتصال جوهرية تساوي 40 درجة بعد 48 ساعة. تخزين العينات الجافة التي تم الحصول عليها، والتي هي GEMs السيليكا، في خزانة النيتروجين.تُظهر الميكروفات الإلكترونية الملتقطة بالمسح الضوئي لـ SILMs السيليكا منظرًا مقطعيًا مائلًا مائلًا، وعرض مقطعي متضخم لمسام واحدة، وإطلالات مكبرة للحواف المُنْقِدة عند مداخل ومخارج المسام. كانت مسام هذه GEMs محاذية رأسيًا. وكان مدخل ومنافذ قطر 100 ميكرون.كانت المسافة من الوسط إلى المركز بين المسام 400 ميكرون. وكان الفصل بين حواف reentrant والجدار المسام 18 ميكرون، وكان طول المسام 300 ميكرون. يظهر هنا هي إعادة بناء 3D معززة بالكمبيوتر من واجهة الهواء والماء في مداخل GEMs السيليكا تحت الماء.كما تظهر أيضاً طرق عرض مقطعية مقطعية على طول الخطوط البيضاء المنقطة. في حالة التجاويف المُمَرّضة، فإن تكثيف بخار الماء داخل التجاويف قد أدى إلى إزاحة الهواء المحاصر، مما تسبب في انتفاخ واجهة الهواء والماء إلى الأعلى وزعزع النظام. وعلى النقيض من ذلك، ظلت السيليكا غير مُنْتَجِرة لفترة أطول بكثير، على الرغم من أن معدل التدفئة كان مماثلاً.تم ترشيد هذه النتائج على أساس التكثيف التفضيلي لبخار الماء من الخزان بالليزر على واجهة الهواء والماء المبردة للجانب الآخر. ومع ذلك، لم يكن من الممكن قياس معدل النقل الجماعي في هذا التكوين التجريبي. منع إزالة الهياكل السيليكا reentrant خلال عملية بوش، يتم استخدامه لإضافة السيليكون.من المهم جدا أن يكون لديك قناع الكروم الصلب. وقد تؤدي هذه النتائج إلى إطلاق العنان للمواد الشائعة للتطبيقات التي تتطلب حالياً طلاءات مفلورة، مثل الحد من السحب أو للقمع والتنقية.

Research

JoVE Journal

Engineering

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

Harvesting Solar Energy by Means of Charge-Separating Nanocrystals and Their Solids

حصاد الطاقة الشمسية من وسائل البلورات النانوية المسؤول فصل المواد الصلبة وتلك

Conjoining different semiconductor materials in a single nano-composite provides synthetic means for the development of novel optoelectronic materials ...

Time Multiplexing Super Resolving Technique for Imaging from a Moving Platform

الوقت المتعدد سوبر حل وتقنيات التصوير من منصة تتحرك

We propose a method for increasing the resolution of an object and overcoming the diffraction limit of an optical system installed on top of a moving ...

The Preparation of Electrohydrodynamic Bridges from Polar Dielectric Liquids

لإعداد Electrohydrodynamic جسور من السوائل القطبية عازل

Horizontal and vertical liquid bridges are simple and powerful tools for exploring the interaction of high intensity electric fields (8-20 kV/cm) and ...

Visualization of High Speed Liquid Jet Impaction on a Moving Surface

تصور عالية السرعة السائل جيت الانحشار على السطح المتحرك

Two apparatuses for examining liquid jet impingement on a high-speed moving surface are described: an air cannon device (for examining surface speeds ...

Detection and Recovery of Palladium, Gold and Cobalt Metals from the Urban Mine Using Novel Sensors/Adsorbents Designated with Nanoscale Wagon-wheel-shaped Pores

كشف واستعادة البلاديوم والذهب والكوبالت المعادن من منجم الحضري عن طريق مجسات رواية / الممتزات مخصصة للمع النانو المسامات على شكل عجلة عربة

Developing low-cost, efficient processes for recovering and recycling palladium, gold and cobalt metals from urban mine remains a significant challenge in ...

A System to Create Stable Nanoparticle Aerosols from Nanopowders

نظام لإنشاء الهباء الجسيمات النانوية مستقرة من مساحيق النانو

Nanoparticle aerosols released from nanopowders in workplaces are associated with human exposure and health risks. We developed a novel system, requiring ...

Hand Controlled Manipulation of Single Molecules via a Scanning Probe Microscope with a 3D Virtual Reality Interface

التحكم ناحية التلاعب احدة الجزيئات عن طريق المجهر التحقيقي مع واجهة الواقع الافتراضي 3D

Considering organic molecules as the functional building blocks of future nanoscale technology, the question of how to arrange and assemble such building ...

Scanning Light Scattering Profiler (SLPS) Based Methodology to Quantitatively Evaluate Forward and Backward Light Scattering from Intraocular Lenses

Scanning Light Scattering Profiler SLPS Based Methodology to Quantitatively Evaluate Forward and Backward Light Scattering from Intraocular Lenses

المسح الضوئي لانتثار الضوء المنشئ (سلبس) المنهجية لتقييم كميا إلى الأمام والخلف نثر الضوء من العدسات داخل العين

The scanning light scattering profiler (SLSP) methodology has been developed for the full-angle quantitative evaluation of forward and backward light ...

Micro/Nano-scale Strain Distribution Measurement from Sampling Moir&#233; Fringes

مايكرو / نانو مقياس مقياس توزيع سلالة من أخذ العينات مويري هامش

This work describes the measurement procedure and principles of a sampling moir&#233; technique for full-field micro/nano-scale deformation measurements. ...

Fabrication of Magnetic Nanostructures on Silicon Nitride Membranes for Magnetic Vortex Studies Using Transmission Microscopy Techniques

تصنيع النانو المغناطيسية في أغشية نيتريد السيليكون لدراسات دوامة مغناطيسية باستخدام تقنيات الفحص المجهري الإرسال

Electron and x-ray magnetic microscopies allow for high-resolution magnetic imaging down to tens of nanometers. However, the samples need to be prepared ...