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

בעלת הבית מכירה מימון של המלך עבדאללה אוניברסיטת המדע והטכנולוגיה תחת BAS/1/1070-01-01 וכמובן גישה מתקני מעבדה nanofabהליבה.

1. עיצוב
<ol><li>עיצוב 16 מערכים, כל אחד הכולל 625 עיגולים (קוטר, D = 100 μm; גובה, L = 400 μm), יחד עם סימוני יישור להיות מתורגם על 4 "SiO2(2 μm)/Si (300 μm)/SiO2(2 μm) וופלים באמצעות תוכנת עיצוב המתאים (ראה טבלת חומרים; איור 3) 38.</li>
</ol><img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60583/60583fig3.jpg">
איור 3: עיצובים של מערכים עגולים. תבנית עיצוב זו הועברה אל SiO2(2 μm)/Si (300 μm)/SiO2(2 μm) וופלים דרך פוטוליטוגרפיה. מוצגים הם (A) התצוגות המוצגות במלואו של וופל, (B,C), וסימוני היישור (D, E) המשמשים ליישור הגב הידני. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60583/60583fig3alarge.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<ol start="2"><li>העברת תכונות על 5 "סודה ליים" (CaxHyNa z) מסכהעם ציפוי nm 50 של הסרט כרום ורזה של Photoresist (photoresist חיובית; ראה טבלת חומרים) באמצעות חשיפה UV במערכת כתיבה ישירה (חשיפה זמן = 25 ms, defocus = +10).</li>
	<li>פיתוח מסכה<ol>
<li>לפתח את הphotoresist על ידי לאשר את המסכה 200 mL של מפתח (לוח חומרים) עבור 60 s כדי לחשוף את הכרום מתחת. שטפו את המסכה במים מפוהים (DI).</li>
		<li>הסר את כרום חשוף על ידי לאשר את המסכה באמבטיה 200 mL של etchant כרום עבור 90 s. לשטוף את המסכה עם מים DI.</li>
		<li>לבצע חשיפה UV המבול (כלומר, ללא מסכה) עבור 15 s.</li>
		<li>להסיר לחלוטין photoresist מן המסכה על ידי האישר באמבט 200 mL של מפתחים עד photoresist לחלוטין נעלם (60 – 120 s). נקה את משטח המסכה עם מים די ויבש באמצעות חנקן (N2) אקדח.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. ניקוי וופל
<ol><li>לטבול את וופל סיליקון בפתרון פיראניה מוכן טרי (H2SO4: H2O2 = 3:1 על ידי נפח) שנשמר בטמפרטורה של 388 K עבור 10 דקות. הערה: ללבוש ציוד הגנה אישית מתאים (PPE) תוך כדי עבודה עם פתרון פיראניה על הספסל רטוב.</li>
	<li>לשטוף את הפרוסת עם מים DI, שני מחזורי בספסל רטוב, ויבש אותו תחת N2 הסביבה מיבש ספין.</li>
</ol>3. התצהיר של הרופאים
<ol><li>לחשוף את הפרוסת וופל לאדים של הבוחנים (HMDS) כדי לשפר את הדבקה של photoresist עם משטח סיליקה (פרטים בטבלה 1).</li>
</ol><table border="1" fo:keep-together.within-page="1"><tbody>
<tr>
<td colspan="3">שלב 1: התייבשות וטיהור חמצן מן החדר</td>
		</tr>
<tr>
<td>צעד</td>
			<td>פונקציה</td>
			<td>זמן (מזערי)</td>
		</tr>
<tr>
<td>1</td>
			<td>ואקום (10 Torr)</td>
			<td>1</td>
		</tr>
<tr>
<td>2</td>
			<td>חנקן (760 Torr)</td>
			<td>3</td>
		</tr>
<tr>
<td>3</td>
			<td>ואקום (10 Torr)</td>
			<td>1</td>
		</tr>
<tr>
<td>4</td>
			<td>חנקן (760 Torr)</td>
			<td>3</td>
		</tr>
<tr>
<td>מיכל 5</td>
			<td>ואקום (10 Torr)</td>
			<td>1</td>
		</tr>
<tr>
<td>6</td>
			<td>חנקן (760 Torr)</td>
			<td>3</td>
		</tr>
<tr>
<td colspan="3">שלב 2: הטרמה</td>
		</tr>
<tr>
<td>צעד</td>
			<td>פונקציה</td>
			<td>זמן (מזערי)</td>
		</tr>
<tr>
<td>1</td>
			<td>ואקום (1 Torr)</td>
			<td>2</td>
		</tr>
<tr>
<td>2</td>
			<td>היירופאים (6 Torr)</td>
			<td>מיכל 5</td>
		</tr>
<tr>
<td colspan="3">שלב 3: מטהר את הפליטה העיקרית וחזרה לאטמוספירה (מילוי מאחור)</td>
		</tr>
<tr>
<td>צעד</td>
			<td>פונקציה</td>
			<td>זמן (מזערי)</td>
		</tr>
<tr>
<td>1</td>
			<td>ואקום</td>
			<td>1</td>
		</tr>
<tr>
<td>2</td>
			<td>חנקן</td>
			<td>2</td>
		</tr>
<tr>
<td>3</td>
			<td>ואקום</td>
			<td>2</td>
		</tr>
<tr>
<td>4</td>
			<td>חנקן</td>
			<td>3</td>
		</tr>
</tbody></table>שולחן 1: HMDS לקרקע פרטים התהליך.
4. ליתוגרפיה
<ol><li>להעביר את וופל על צ ' אק ואקום של מסתובב ספין לסובב את המעיל photoresist. השתמש AZ 5214 photoresist כטון שלילי להשיג 1.6 יקרומטר סרט אחיד עבה של photoresist (הפרמטרים הציפוי ספין מפורטים בטבלה 2). הערה: AZ 5214 ניתן להשתמש כטון חיובי או שלילי photoresist מבוסס על טיפול בחום (כלומר, טרום אפיה ולאחר האפייה). אם מראש ב110 ° c עבור 2 דקות, photoresist מתנהג כצליל חיובי, כך שאזורים חשופים להיות מומס במהלך הפיתוח. עבור הצליל השלילי, הphotoresist מראש ב-105 ° C עבור 2 דקות ולאחריה חשיפה לקרני UV ופוסט-אפייה ב-120 ° c עבור 2 דקות.<ol>
<li>אופים את הphotoresist-מצופה וופל ב-105 ° c על פלטה למשך 2 דקות. זה מתייבש ומחזק את הסרט photoresist, אשר אחרת מגיע למסכת זכוכית וגורם לבעיות זיהום במהלך החשיפה UV, וזה גם משפר את הדבקה של הphotoresist למשטח סיליקה. הערה: הטמפרטורה הטרום אופים לא צריך להיות גבוה מדי, כמו זה עלול לגרום להרס חלקי של רכיבים רגישים לאור של הphotoresist, הפחתת הרגישות שלה.</li>
	</ol>
</li>
</ol><table border="1" fo:keep-together.within-page="1"><tbody>
<tr>
<td>צעד</td>
			<td>מהירות (rpm)</td>
			<td>כבש (rpm/s)</td>
			<td>זמן (ים)</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>טבלה 2: פרמטרים מתכון ציפוי ספין להשיג שכבת 1.6 יקרומטר של photoresist.
<ol start="2"><li>לחשוף את וופל תחת חשיפה UV (80 mJ/cm2) עבור 15 s דרך מסיכת כרום באמצעות מערכת יישור מסכה (evg 6200) כדי להשיג את העיצוב הרצוי על photoresist.</li>
	<li>אופים את הפרוסת וופל ב 120 ° c על פלטה למשך 2 דקות. במהלך השלב הזה, הסרט השלילי הphotoresist החשוף החוצה קישורים נוספים. כתוצאה מכך, החלקים החשופים של ה-UV של הphotoresist אינם מסיסים עוד בפתרון המפתחים, בעוד שהאזורים החשופים מסיסים.</li>
	<li>עוד לחשוף את וופל תחת אור UV (200 mJ/cm2) עבור 15 s במערכת ריפוי UV (prx-2000-20). הערה: במהלך שלב זה, האזורים הphotoresist שלא נחשפו בעבר (שלב 4.3) חשופים ומאוחר יותר הם יכולים להיות מומס במפתח, ולהשאיר מאחור את המבנים הרצויים על הפרוסת. שלב זה הוא סובלני של חשיפה יתר מכיוון שהתכונות הרצויות (בטון השלילי) אינן מאפשרות לאור האור יותר לאחר השלב שלאחר האפייה.</li>
	<li>לטבול את וופל באמבטיה 50 mL של AZ-726 photoresist-מפתח (בכלי זכוכית) עבור 60 s כדי להשיג את דפוס הphotoresist הרצוי על וופל סיליקון.</li>
	<li>לאחר מכן לנקות את וופל באמצעות מים DI ועוד לפוצץ אותו עם N2.</li>
</ol>5. ספאטר
<ol><li>כרום sputter על וופל עבור 200 s לקבל 50 ננומטר שכבת כרום עבה. התצהיר מבוצע באמצעות מגנטרון מסוג DC תגובתי התגובתית עם תקן 2 "מקור היעד העגול בסביבה ארגון עם הפרמטרים הבאים: 400 V, נוכחי = 1 A, והלחץ = 5 mTorr. הערה: שכבת הכרום מגנה על סיליקה מתחריט יבש תחת אוקטפלואורוציטובוטאן (C4F8).</li>
</ol>6. Photoresist ההמראה
<ol><li>Sonicate וופל באמבטיה אצטון עבור 5 דקות להרים את הphotoresist הנותרים (וכרום הופקד על photoresist) מן וופל, השארת מאחורי התכונות הרצויות עם מסכה קשה כרום.</li>
</ol>7. עיבוד של הצד השני של וופל
<ol><li>לאחר שטיפה את הישבן של וופל עם כמות שופע של אצטון ואתנול, לנשוף עם אקדח N2 , ואז לחזור על שלבים 4.1 ו 4.2.</li>
</ol>8. יישור לאחור ידני
<ol><li>ליישר את התכונות הרצויות על הישבן עם הצד הקדמי של וופל באמצעות סימני היישור בעיצוב ואת "יישור ידני לאחור עם הצלב" מודול המגע תנינים (EVG 6200). הערה: יישור גב ידני הוא צעד מכריע בפרוטוקול המיקרו-ייצור. לפיכך, תכונות היישור מעוצב על הפושאול יש להשתמש באופן יעיל כדי למנוע היסט ביישור נקבובית.</li>
</ol>9. ליתוגרפיה על הישבן של וופל
<ol><li>עבור הישבן של וופל, חזור על שלבים 4.3 – 4.7, סעיף 5, ו סעיף 6 כדי ליצור את העיצוב הנדרש עם כרום משני צידי הפרוסת. שימו לב שהחלק של המשטח המכוסה ברום אינו עובר תחריט; כך, כתמים בהם נעדר כרום על וופל להגדיר את הבישופונים ושקעים של הנקבובית.</li>
</ol>10. תצריב קו
<ol><li>לעבור תחריט של השכבה החשופה של SiO2 משני צידי הפרוסת וופל על ידי פלזמה בשילוב באופן מבוקר (משולב) משתמש ב פלואור (C4F8) וחמצן (O2) chemistries. המשך הוא 16 דקות (הפרמטרים הקאמרי הטורי המפורטים בטבלה 3) לכל צד.</li>
	<li>מעבדים את הרקיק עם חמישה מחזורים של תחריט אנאיזוטרופי בתהליך בוש ליצירת חריץ בשכבת הסיליקון. תהליך זה מאופיין על ידי פרופיל צדדי שטוח באמצעות תצהירים מתחלפים של C4F8 ו גופרית hexafluoride (SF6) גזים. על-ידי חריטה אנאיזוטרופי לסירוגין התצהיר פולימר, הסיליקון חורט ישר למטה (הפרמטרים תחריט המפורטים בטבלה 3).</li>
	<li>לטבול את וופל באמבטיה של פתרון פיראניה (H2SO4: H2O2 = 3:1 על ידי נפח) שנשמר בטמפרטורה של 388 K עבור 10 דקות. זה מסיר את הפולימרים שהופקדו בשלב אניסוטרופי.</li>
	<li>כדי ליצור את הערער, אשר מניב את הפרופיל החדש, לעבור לחרוט איזוטרופי באמצעות מתכון SF6מבוססי עבור משך של 165 s (פרמטרי תחריט המפורטים בטבלה 3). הערה: שלב זה מבוצע בכל צד של הפרוסת.</li>
	<li>תחריט סיליקון אנאיזוטרופי<ol>
<li>העבר את הפרוסת וופל אל הקאמרי החיצון (מכשירי אוקספורד) כדי לחרוט 150 יקרומטר של סיליקון באמצעות 200 מחזורי חריטה עמוקה באמצעות תהליך בוש (פרמטרי תחריט מפורטים בטבלה 3).</li>
		<li>חזור על השלב 10.4.1 עם הישבן של הפרוסת.</li>
		<li>עברו ניקוי פיראניה של הפרוסת וופל בספסל הרטוב במשך 10 דקות כדי להסיר מזהמים פולימריים שהופקדו מתהליך החריטה, המבטיח שיעורי תחריט אחיד.</li>
		<li>חזור על שלבים 10.4.1 – 10.4.3 להבין דרך הנקבוביות (אשר יכול להיות מדמיין על ידי עיניים עירומות תחת מקור אור) בתוך וופל שיש relets ושקעים מחדש.</li>
	</ol>
</li>
	<li>לטבול את וופל באמבטיה 100 ml של etchant כרום עבור 60 s כדי להסיר כרום משני הצדדים של וופל.</li>
</ol><table border="1" fo:keep-together.within-page="1"><tbody>
<tr>
<td rowspan="2">פרמטר</td>
			<td rowspan="2">סיליקה תחריט</td>
			<td colspan="2">איכול אנאיזוטרופי/מחזור סיליקון</td>
			<td rowspan="2">תצריב סיליקון איזוטרופי</td>
		</tr>
<tr>
<td>תצהיר</td>
			<td>תחריט</td>
		</tr>
<tr>
<td>הכוח RF (W)</td>
			<td>100</td>
			<td>מיכל 5</td>
			<td>30</td>
			<td>20</td>
		</tr>
<tr>
<td>הזרם הקאמרי החשמלי (W)</td>
			<td>1500</td>
			<td>1300</td>
			<td>1300</td>
			<td>1800</td>
		</tr>
<tr>
<td>לחץ תחריט (mTorr)</td>
			<td>10</td>
			<td>30</td>
			<td>30</td>
			<td>35</td>
		</tr>
<tr>
<td>טמפרטורה (° צ')</td>
			<td>10</td>
			<td>15</td>
			<td>15</td>
			<td>15</td>
		</tr>
<tr>
<td>C4F8 זרימה (sccm)</td>
			<td>40</td>
			<td>100</td>
			<td>מיכל 5</td>
			<td>-</td>
		</tr>
<tr>
<td>O2 זרימה (sccm)</td>
			<td>מיכל 5</td>
			<td>-</td>
			<td>-</td>
			<td>-</td>
		</tr>
<tr>
<td>SF6 זרימה (sccm)</td>
			<td>-</td>
			<td>מיכל 5</td>
			<td>100</td>
			<td>110</td>
		</tr>
<tr>
<td>תצריב זמן (ים)</td>
			<td>960</td>
			<td>מיכל 5</td>
			<td>7</td>
			<td>165</td>
		</tr>
</tbody></table>שולחן 3: פרמטרים עבור SiO2/סי תחריט יבש.
11. ניקוי סופי
<ol><li>לאחר תהליך מיקרוייצור, לנקות את וופל עם 100 mL של הפתרון הטרי מוכנים פיראניה (H2SO4: h2O 2 = 3:1 על ידי נפח; T = 388 K) במיכל זכוכית עבור 10 דקות, ואז עוד לפוצץ-יבש עם 99% טהור N2 אקדח לחץ.</li>
	<li>מניחים את הדגימות בצלוחית זכוכית פטרי בתוך תנור ואקום נקי ב T = 323 K עד זווית מגע פנימית של מים על החלקה SiO2 מיוצב ב θo ≈ 40 ° (אחרי 48 h).</li>
	<li>לאחסן את הדגימות היבשות שהושגו (אבני חן סיליקה) בארון N2 . הערה: כל זרימת העבודה בייצור מתוארת באיור 4.</li>
</ol><img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60583/60583fig4.jpg">
איור 4: איור סכמטי של תהליך מיקרוייצור פנינה. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60583/60583fig4large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>

ר לוך, דרום אמריקה, ו-hm. הגישו פטנט בינלאומי, יישום No. PCT/IB2019/054548.

עבודה זו מציגה את העיצוב והייצור של סיליקה אבני חן, הראשון-אי פעם DCMD ממברנות הנגזרים חומרים הידרופילי. מיקרוייצור עם מערכת SiO2/si מספק גמישות עצומה כדי ליצור מיקרוטקסטורות כדי לבדוק רעיונות יצירתיים. כמובן, היקף העבודה הזאת מוגבל להוכחה-של-קונספט של אבני חן, כי SiO2/si/sio2 ומלא מעשי הייצור של החדר נקי מעשית עבור ממברנות התפלה.
יש לציין כי, למרות אבני חן האדריכלות יכול למנוע את החדירה של מים על הטבילה כאשר זווית המגע הפנימי הוא θo ≥ 40 °, אסטרטגיה זו נכשלת אם המשטח נעשה superhydrophilic. לדוגמה, לאחר החשיפה פלזמה חמצן, משטחי סיליקה התערוכה θo ≈ 5 °, ואלה סיליקה-פנינים לאבד אוויר כי הוא לכוד בתוך הנקבוביות באופן ספונטני כמו בועות, כי מניסקוס הנוזל הוא כבר לא מוצמד בקצוות re,. עם זאת, פלסטיק נפוץ, כגון פוליוויניל אלכוהול (θo ≈ 51 °) ו פולי (אתילן terאפרון) (θo ≈ 72 °), צריך להיות קלה לגישה זו. כך, עקרונות עיצוב למדו מסיליקה אבני חן ניתן לשנות באמצעות הדפסה תלת-ממדית44, תוסף ייצור45, מיקרומטר לייזר46, ו CNC כרסום37, וכו '.
בשלב הבא, מספר היבטים קריטיים של המיקרו-בנייה של סיליקה-אבני חן, אשר דורשים תשומת לב מיוחדת. את היישור האחורי ידני (סעיף 8) של התכונות צריך להתבצע עם טיפול הרבה ככל האפשר כדי להשיג נקבוביות אנכית מיושר. הסטות עלול לגרום לגרון, ובמקרה הגרוע ביותר, חוסר יישור עלול להוביל רק חללים משני הצדדים (אין נקבוביות). לפיכך, הוא הציע להשתמש בסימני יישור בקנה מידה רב, כאשר סימן היישור הקטן ביותר הוא לפחות פי ארבע מקוטר הנקבובית.
במהלך החריטה של שכבת סיליקה עם C4F8 ו O2 (שלב 10.1), השימוש הקודם (כלומר, ניקיון) של חדר התגובות יכול להשפיע על שיעורי תחריט. זאת בשל נוכחותם של מזהמים בחדר התגובות, מופע נפוץ במתקני משתמש משותפים כגון אוניברסיטאות. לפיכך, מומלץ ששלב זה יבוצע תחילה על וופל בובה כדי לוודא שהמערכת נקיה ויציבה. כמו כן, מומלץ להשתמש בתקופות קצרות לחריטה (למשל, לא יותר מ -5 דקות בזמן ניטור העובי של שכבת סיליקה באמצעות השתקפות). לדוגמה, אם זה לוקח 16 דקות כדי להסיר לחלוטין 2 יקרומטר SiO2 שכבה מ-SiO2/si/sio2 וופל, אז תהליך התחריט צריך להיות מחולק לארבעה שלבים המרכיבים שלוש מחזורי 5 דקות ואחריו השתקפות, ואחד 1 דקות (אופציונלי) החריטה התוצאות, מבוסס על התוצאה של השתקפות.
כדי לשמר את התכונות של סיליקה re, במהלך התהליך בוש המשמש לחרוט את שכבת הסיליקון (שלב 10.4), זה חיוני כי מסכה קשה כרום משמש. תהליך בוש כרוך בתצהיר של C4F8 כדי להבטיח את הפרופיל אנאיזוטרופי. עם זאת, לאורך מחזורי תחריט ארוכים, שכבה זו יכולה להיות עבה מאוד וקשה להסרה. כך, מומלץ כי תהליך בוש לא צריך להיות מופעל עבור יותר מ-~ 200 מחזורים, והוא צריך להיות אחריו ניקוי פיראניה. זה גם נצפתה כי מחזורים ארוכים של תחריט עמוק גם להפחית את עובי שכבת סיליקה, למרות הנוכחות של מסכה קשה כרום.
רוב כלי התחריט היבשים אינם מצליחים להשיג אחידות מרחבית במונחים של שיעורי תחריט. כך, התכונות המתקבלות במרכז של SiO2/Si/sio2 וופל לא יכול להיות זהה לאלה בגבול של וופל. כאן, תכונות באיכות גבוהה התממשו במרכז 4 "וופלים, ודגימות נצפו מעת לעת תחת מיקרוסקופ. במקרה שאזורים מסוימים נחרבים יותר מאחרים, יש לשבור את הרקיק לחתיכות שיש לחרוט בנפרד.
זה פרוטוקול הייצור ניתן להחיל על SiO2/Si/sio2 ופלים של עובי כל; עם זאת, שכבה עבה יותר פירושה שנדרש מספר גבוה יותר של מחזורי חריטה. הוא הציע להשתמש ומוצרי סיליקון של < 300 יקרומטר עובי, כל עוד זה לא לסכן את השלמות המכנית של וופל במהלך הטיפול והאפיון.

כאשר הלחץ על המים/מזון/אנרגיה/משאבים סביבתיים מסלים, טכנולוגיות וחומרים ירוקים יותר עבור התפלה נדרשים1,2. בהקשר זה, מגע ישיר ממברנה זיקוק (dcmd) התהליך יכול לנצל אנרגיה סולארית או פסולת התעשייה חום להתפלת מים3,4. Dcmd מנצל את הקרומים לחומר דוחה מים כדי להפריד נחלים נגד זרמים של מי ים חמים ומים קרים, המאפשרים רק אדי מים טהורים להעביר מהצד החם לקור5,6,7,8,9. ממברנות DCMD מסחרי כמעט באופן בלעדי לנצל perfluoroפחמנים בגלל דוחה המים שלהם, מאופיין זווית מגע פנימית של מים, θo ≈ 110 °10. עם זאת, perfluoroפחמנים הם יקרים, והם מקבלים ניזוק בטמפרטורות גבוהות11 ועל ניקוי כימי קשה12,13. Biodegradability שלהם גם מעלה חששות סביבתיים14. לפיכך, חומרים חדשים עבור DCMD נחקרו, למשל, פוליפרופילן15, פחמן צינוריות16, ו אורגאוסיליקה17, יחד עם וריאציות של התהליך, למשל, חימום אינטרפנים18 ו פוטוולטאית-MD19. אף על פי כן, כל החומרים שנחקרו עבור ממברנות DCMD עד כה כבר מיסודה דוחה מים, המאופיינת על ידי θo ≥ 90 ° עבור מים).
כאן, פרוטוקול מתואר לניצול חומרים אוהבי מים (hydrophilic) לקראת השגת תפקוד של ממברנות dcmd דוחה מים כלומר, הפרדת המים משני הצדדים על ידי האוויר הראפ מכבש תוך נקבוביות הקרום. לקראת הדגמה הוכחת רעיון, סיליקון מלוטש דו צדדית וופלים עם שכבות סיליקה (2 יקרומטר עבה) משני הצדדים (SiO2/si/sio2; 2 יקרומטר/300 יקרומטר/2 יקרומטר, בהתאמה) משמשים. תהליכי מיקרוייצור מוחלים על מנת להשיג ממברנות גז (אבני חן), אשר מנצלים ארכיטקטורה מסוימת כדי למנוע מנוזלים להיכנס לנקבוביות ללא קשר לכימיה של פני השטח.
ההשראה לאדריכלות אבני חן מקורו של ספרינגפלי (קולמבולה), קרקע-מגורים hexapods שציפורנייך מכילים דפוסים בצורת פטריה20,21, ו-מחליקים-ים (הלובים גראנוס), חרקים המתגוררים בים הפתוח שיש להם שיער בצורת פטריות על גופם22,23. אדריכלות פני השטח, יחד עם שעוות מופרש באופן טבעי, מאפשרת חרקים אלה עם "סופר" דוחה מים, המאופיינת זוויות מגע לכאורה עבור מים (θr ≥ 150 °)24. כתוצאה מכך, במצב המנוחה שלהם, מחליקים הים הם למעשה צף באוויר בממשק הים באוויר22,25. אם מתחת למים, הם מכהים את המלכודת שכבת אוויר סביב גופם (המכונה גם plastron), אשר מקלה על נשימה וציפה20,23. בהשראת זנבות ספרינגסי, קים ועמיתים לעבודה הראו כי משטחי סיליקה עם מערכים של אומנות בצורת פטריות יכול להדוף טיפות של נוזלים עם מתחים משטח נמוך26. זו הייתה תגלית מופלאה; אם כי, התגלה כי הדוחה הנוזלי של משטחים אלה עלול לאבד קטסטרופי באמצעות פגמים מקומיים או גבולות27,28. כדי לתקן בעיה זו, החוקרים מיקרומפוברק סיליקה משטחים עם חללים שקטרים שלהם בתוך האינטטים היו קטנים בפתאומיות (כלומר, עם סיבוב 90 °) מאשר שאר חלל27. תכונות אלה מוכרות גם בשם "מחדש" קצוות, וחללים מכונים להלן "חללים מחדש".
החללים החוזרים באוויר בעלי קשר עם טיפות נוזל או על שחרור27. הביצועים של חללים של צורות שונות (עגול, מרובע, משושה), פרופילים (מחדש וכפול re, וחדות של פינות ביחס ליציבות של האוויר לכוד לאורך זמן כבר הושווה29. זה נמצא כי חללים מעגלית מחדש הם האופטימלי ביותר במונחים של החוסן שלהם לתוך מלכודת אוויר תחת נוזלי הרטבה והמורכבות הקשורה לייצור. כמו כן, היא הוכיחה כי חומרים הרטבה מיסודה עם חללים מחדש יכול להיות אוויר על הטבילה בנוזלי הרטבה, ולכן, להשיג את הפונקציה של משטחי אומניפובי. מבוסס על גוף זה של עבודה27,28,29,30 הניסיון הקודם עם dcmd31, החלטנו ליצור ממברנות כי יש נקבוביות עם מבוא ושקעים קריאות. זה היה נראה כי קרום כזה יכול לעורר אוויר על שקיעה בנוזלי הרטבה בשל המיקרו מרקם שלה, ומעניקה את הרעיון של אבני חן.
שקול קרום עשוי חומר הידרופילי המורכב נקבוביות גלילי פשוטות: כאשר שקוע במים, קרום זה יהיה לשתות מים ספונטנית (איור 1A, ב) להגיע מלא מלא, או מדינת ונצל32. מצד שני, אם אינלטס ושקעים של הנקבוביות יש פרופילים מחדש (למשל, "T"-בצורת), הם עשויים למנוע את נוזלי הרטבה מחדירה את הנקבובית ואת האוויר וכד בתוך, מוביל קאסי מדינות33 (איור 1c, D). ברגע האוויר הוא לכוד בתוך הנקבובית, זה יהיה עוד למנוע חדירה נוזלית בשל האפשרות שלה הבהירות מסיסות נמוכה במים לאורך זמן34,35.
מערכת כזו יהיה באיטיות המעבר מקאסי אל המדינה ונצל, ואת קינטיקה של תהליך זה ניתן לכוונן על ידי הצורה של הנקבובית, גודל, ופרופיל, אדי לחץ של הנוזל, ואת מסיסות של האוויר לכוד בנוזל29,34,36. החוקרים הצליחו להבין אבני חן באמצעות וופלים סיליקון ויריעות פולימתיל מתיונין כמו מצעים הבדיקה, ואת הוכחת המושג יישומים עבור DCMD תצורה חוצת-זרימה הפגינו37. כאן, פרוטוקול מיקרוייצור מפורט עבור הדור של סיליקה-אבני חן מוצג, החל עם כפול-צד סיליקון מלוטש עם שכבות סיליקה (2 יקרומטר עבה) משני הצדדים (SiO2/si/sio2; 2 יקרומטר/300 יקרומטר/2 יקרומטר, בהתאמה). כמו כן, היכולת של סיליקה-אבני חן לאוויר מתחת למים מוערך באמצעות תא הלחץ בנוי בהתאמה אישית ומיקרוסקופ קונפוקלית וקד.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60583/60583fig1.jpg">
איור 1: ייצוג סכמטי של קרום עם נקבוביות גליליות פשוטות (a, B) ואחד עם נקבוביות מחדש (C, D). בניגוד לנקבוביות הגליליות פשוטות, הנקבוביות הופכות לרחבות באופן חד יותר לאחר ההגרלות/שקעים, ומדובר בחוסר רציפות (או בקצוות החוזרים) המונעים מנוזלים מפריעים לנקבוביות. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60583/60583fig1large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
בפרט, סעיף זה מתאר את הפרוטוקול מיקרוייצור עבור גילוף מערכים של נקבוביות עם אינלטס מחדש ושקעים באמצעות כפולה ומלוטשים סיליקון מלוטש כי הם 300 יקרומטר עבה (p-מסומם, < 100 > אוריינטציה, 4 "קוטר, 2 יקרומטר עבה שכבות תחמוצת מגודלים משני הצדדים). זה נקרא להלן כמו SiO2(2 μm)/Si (300 μm)/si2(2 Μm) (איור 2).
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60583/60583fig2.jpg">
איור 2: תרשים זרימה של שלבי הרישום המעורבים במיקרו הייצור של סיליקה-פנינים. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60583/60583fig2alarge.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</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

התפלה באמצעות מגע ישיר ממברנה זיקוק (dcmd) מנצל את הממברנות מים ממברנות כדי מכבש להפריד זרמים נגד זורמים של מי ים חמים ומלוחים ממים קרים וטהורים, ובכך מאפשר רק אדי מים טהורים לעבור. כדי להשיג את הישג זה, ממברנות DCMD מסחרי נגזרות או מצופה עם מים דוחה הופעת בהופעה כגון polyטטרפלואורואתילן (מצופה) ו polyvinylidene difluoride (PVDF). עם זאת, השימוש של perfluoroפחמנים הוא הגבלת בשל העלות הגבוהה שלהם, non-biodegradability, ואת הפגיעות בתנאים תפעוליים קשים. חשפה כאן הוא מחלקה חדשה של קרום המכונה ממברנות גז מותמר (אבני חן) כי יכול להיות האוויר ברוטי המלח על הטבילה במים. אבני חן להשיג פונקציה זו על ידי המיקרומבנה שלהם ולא איפור כימי שלהם. עבודה זו ממחישה הוכחה של קונספט של אבני חן באמצעות הרטבה מיסודה SiO2/Si/sio2 וופלים כמו מערכת המודל; את זווית המגע של מים על SiO2 הוא θo ≈ 40 °. סיליקה-אבני חן היו 300 μm-הנקבוביות הארוכות שלהם בקטרים (2 μm-long) ואזורי השקע היו קטנים באופן משמעותי; זה מבנה בלתי מתמשך גיאומטריים, עם 90 מעלות פונה אל אינלטס ושקעים, ידוע בשם "מיקרו מרקם reentrant". פרוטוקול המיקרו-הייצור של סיליקה-אבני חן כרוך בעיצוב, פוטוגרפיה, התזה כרום, ותחריט איזוטרופי ואנאיזוטרופי. למרות הטבע האוהב של סיליקה, מים לא מפריע סיליקה-אבני חן על התהום. למעשה, הם בקושי האוויר מתחת למים ולשמור אותו ללא פגע גם אחרי שישה שבועות (> 106 שניות). לעומת זאת, ממברנות סיליקה עם נקבוביות פשוטות באופן ספונטני שתיית מים (< 1). ממצאים אלה מדגישים את הפוטנציאל של ארכיטקטורת אבני החן לתהליכי הפרדה. בעוד הבחירה של SiO2/Si/sio2 וופלים עבור אבני חן מוגבל להפגין את הוכחת הרעיון, הוא צפוי כי הפרוטוקולים והמושגים המוצגים כאן יקדם את העיצוב הרציונלי של אבני חן מדרגיים באמצעות חומרים נפוצים זולים להתפלת ומעבר.

סעיף זה מציג את ביצועי מתחת למים של סיליקה פנינים מיקרופוברק באמצעות הפרוטוקול הנ. הנקבוביות של אבני חן אלה היו מיושרים באופן אנכי, הקטרים לשקע/העודפים היו D = 100 יקרומטר, את המרחק מרכז למרכז בין הנקבוביות (גובה) היה L = 400 יקרומטר, ההפרדה בין הקצוות re, הקיר היה w = 18 יקרומטר, ואורכו של הנקבוביות היה h = 300 יקרומטר (איור 5). בשל הקשר המחלחל שנגרמו במהלך שלבי החריטה והיישור הקטין במהלך מיקרוייצור, החלק האמצעי של הנקבוביות היה צר מעט לעומת החלק מתחת לפני הזרם והשקעים של הנקבוביות, אולם, זה לא השפיע על השטף ההמוני באופן משמעותי.
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60583/60583fig5.jpg">
איור 5: סריקת מיקרוגרפים אלקטרונים של סיליקה-אבני חן. מוצגים הם (א) תצוגה חוצת-חתך מוטה של סיליקה-אבני חן, (ב) נוף מוגדל מוגדלת של נקבובית אחת, ו (C, D) מוגדלים צפיות של קצוות מחדש בתוך הבישופטים של נקבובית. פאנלים (C) ו-(ד) הודפסה מודפס מ-Das et al.37. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60583/60583fig5alarge.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
אישיר סיליקה-אבני חן במים סיליקה (SiO2) הוא hydrophilic, כפי שמאופיין זווית המגע הפנימית של טיפות מים על זה תחת אדי מים רוויים, θo ≈ 40 °. לפיכך, אם הנקבוביות הגליליות נוצרות על גבי משטח סיליקה, המים היו שתיית אותם, מגיעים לשלמות המלאה, או למדינת ונצל32. כדי לבדוק את זה, מודול מותאם אישית הועסק שיכול לאבטח את הקרום מבחן בין מאגר של מים מלוחים צבועים (~ 0.6 M הנאגל עם צביעה מזון) ו מים מוהים (T = 293 K ו- p = 1 כספומט). הוא גם מחבר את המוליכות החשמלית של מאגר המים הדימוס לתוך מחשב כדי לפקח על מילוי נקבובית באתרו (איור 6א). כאן, ממברנות סיליקה עם חורים גליליים פשוטים לא הצליחו למנוע ערבוב של שני מאגרים, מאז המים חדרו מיידי כפי שניתן לראות על ידי שחרורו של הצבע (סרט משלים). בניגוד חדה, כאשר סיליקה-אבני חן נבדקו תחת אותם תנאים, הם מכבש לכוד באוויר והחזיק אותו ללא פגע במשך 6 שבועות, אישר על ידי מדידות מוליכות חשמלית (זיהוי מגבלת = ± 0.01 μs/cm), שלאחר מכן הניסוי הופסק (איור 6ב). ממצאים אלה קובעים כי ארכיטקטורת אבני החן יכולה לאפשר לחומרים הידרופיליים להיות באוויר באמצעות טבילה במים. גם, ברמה הנקבובית תרחיש הוצג שבו מסיסות נמוכה של האוויר לכוד במים והעקמומיות של ממשק מים האוויר מנעו מניסקוס נוזלי מפריעה עוד לתוך הנקבובית (איור 6ג).
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60583/60583fig6.jpg">
איור 6: בדיקת חוסן ממברנה. (א) סכימטי של תא מודפס תלת-ממד מותאם אישית לבדיקת החוסן של ממברנות על הפרדה מים מלוחים צבועים (~ 0.6 M הרוג עם צביעה מזון) מן המים הטהור מוהים (T = 293 K, p = 1 כספומט), תוך שהוא במקביל לרישום מוליכות חשמלית של מאגר מים DI למחשב. (ב) מגרש לוגריתמי למחצה של מוליכות חשמלית של שעות נוספות של מאגר המים של DI כאשר סיליקה-אבני חן שימשו כדי להפריד את שני המאגרים. באופן מדהים, סיליקה-אבני חן לכוד באוויר בכל נקבובית, כך המים לא יכול לחדור אפילו נקבובית אחת במשך 6 שבועות, המעידים על ידי נתוני מוליכות חשמלית. (C) הנקבובית התרשים סכימטי, מציג את ממשק מי האוויר בכל קצה. פאנלים (A) ו-(ב) הודפסה מודפס מ-Das et al.37. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60583/60583fig6alarge.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
כדי לקבל תובנה עמוקה יותר את ההצמדה ואת displacements של ממשק מים האוויר על אינלטס ושקעים של סיליקה-אבני חן מתחת למים (~ 5 מ"מ עמודה), מיקרוסקופ קונפוקלית וקד היה מנוצל. הוא ידוע כי הלייזר המשמש לתאורה במיקרוסקופיה קונפוקלית גם מחמם את המערכת39, אשר יכול להאיץ מעברים הרטבה. אף על פי כן, הרזולוציה המרחבית הגבוהה יכולה להניב תובנה שימושית. לצורך השוואה, ההתנהגות של משטחי סיליקה עם חללים reנכנס נחקרו גם29,40. בשני התרחישים, החום הנוסף המסופק למאגר המים לעיל מגביר את עיבוי הנימים של אדי המים בתוך מרקם המיקרו. במקרה של חללים מחדש, העיבוי של אדי מים העקורים את האוויר לכוד, אשר גרם בולטות של ממשק מי האוויר כלפי מעלה ביציבות המערכת (איור 7א, ג). בתנאים הניסיוניים האלה, המים. הפכו לחללים בפחות מ -2 שעות לעומת זאת, סיליקה-אבני חן נשארו ללא בולטות לתקופה ארוכה יותר, למרות שקצב החימום היה דומה. תוצאות אלה היו מנימוקים על בסיס עיבוי מועדפים של אדי מים מתוך מאגר לייזר מחומם אל ממשק מים קריר אוויר בצדו השני של הנקבובית (איור 7B, D). עם זאת, לא ניתן היה למדוד את קצב ההעברה ההמונית בתצורה ניסיונית זו.
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60583/60583fig7.jpg">
איור 7: ממשקי מים אוויריים. (A)-מחשב משופר3d שחזורים של ממשק מים אוויר בתוך אינלטס של סיליקה-אבני חן מתחת למים (גובה עמודה, z ≈ 5 מ"מ; כוח לייזר = 0.6 mW) יחד עם תצוגות צולבות לאורך קווים מנוקדים לבן (בצד שמאל וימין של התמונה המרכזית). בשל חימום מן הלייזר בצד העליון, אדי מים דחוס בתוך חללים, החוצה את האוויר לכוד. זה גרם למנסקוס מי האוויר. לבליטה כלפי מעלה ולהפוך לבלתי יציב לאחר 1.5 h, רוב החללים נורו על ידי מים. (ב) מיקרוגרפים של סיליקה-אבני חן בתנאים דומים כמו ב (א). (ג) סכמטי של בולטות של מניסקוס מי האוויר במקרה של חללים מתחת למים מתחת למים. (ד) סכימטי לנקבובית ב סיליקה-אבני חן בתנאים דומים. אדי מים חמים מתעבה בכל מקום, בעיקר על ממשק מים קריר אוויר בצד הרחוק יותר מלייזר. כתוצאה מכך העברה המונית, יש הצטברות לחץ מינימלי בנקבובית. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60583/60583fig7large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
ממברנה מגע ישירה זיקוק עם אבני חן לאחר שהוקמה כי סיליקה-אבני חן יכול מכבש להפריד שתי מאגרי מים משני הצדדים, תצורה סטטית dcmd נבדק, שבו בצד ההזנה מלוחים (0.6 M הנאל at T = 333 K) ומלא להיות בצד החדיר (T = 288 K) היו מאגרים סטטיים. למרות סיליקה-אבני חן מנעו חדירה למים, פלוסים מדידה לא נצפו. זה היה בשל העובדה כי מוליכות תרמית של סיליקון (k = 149 W-m-1 k-1)41 הוא הזמנות של סדר גודל גבוה יותר מאשר זה של ממברנות dcmd אופייני (כלומר, k < 1 W-m-1-k-1)2. כך, הניסוי הנסיוני עם סיליקה-אבני חן סבלה מה שמכונה הטמפרטורה polarization, שבו הצד החם מאבד חום בצד הקר, הפחתת שטף31.
ייתכן שניתן יהיה להקטין את המוליכות התרמית של הסיליקון באמצעות ננו-מבנה42 (למשל, כדי לשפר את תכונות התרמואלקטריים שלה43), אבל השדרות האלה לא נחקרו. במקום, עקרונות העיצוב מ סיליקה-אבני חן תורגמו לגיליונות פולימתיציאקריל (PMMA) גליונות (θo ≈ 70 ° עבור מים, k = 0.19 W-m-1-k-1)40 כדי ליצור pmma-אבני חן37. ואכן, הראשון (הוכחת המושג) אצווה של PMMA-אבני חן עם פורמי נמוך (של 0.08) הציגו הפרדה חזקה של צד הזנה החדיר והניב שטף של 1 ל-m2-h-1 מעל 90 h. כך, ניתן לתרגם אלה סיליקה-אבני חן מבוססי לימודי באמצעות חומרים נפוצים יותר עבור הדור של ירוק, ממברנות עלות נמוכה יותר עבור התפלה.
סרט משלים. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60583/Movie_S1.mp4" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג קובץ זה (לחץ לחיצה ימנית כדי להוריד).</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

מוצג כאן הוא פרוטוקול החורגים למימוש ממברנות גז הראפ (אבני חן) מ SiO2/Si וופלים באמצעות טכנולוגיית מיקרו מעגלים משולבים. כאשר סיליקה-אבני חן שקועים במים, החדירה של מים נמנעת, למרות הרכב חובב מים של סיליקה.

הוכחת הרעיון עבור ממברנות גז-הראפ נגזר מהמים אוהבי מים2/Si/sio2 וופלים עבור התפלה ירוק

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

קרום מלכוד גז, או GEMs, יכול ללכוד אוויר חזק על טבילה בנוזלים הרטבה. כתוצאה מכך, הם משיגים פונקציה זו בשל המבנה שלהם, אשר יכול להיות שימוש, למשל, התפלה על ידי זיקוק קרום. פוטוליטוגרפיה אפשרה לנו ליצור ארכיטקטורות תלויות מורכבות משני צידי ופל סיליקון וכתוצאה מכך GEMS.הוא סיפק מסלול לייצור GEMS באמצעות טכניקות מיקרו-ייצור קונבנציונליות. יש להציב סימוני יישור נאותים על מסיכת התמונה כדי להשיג פרסומים מיושרים אנכית. אנו ממליצים להשתמש בסימני יישור מרובי קנה מידה בגודל הקטן ביותר של לפחות פי ארבעה מקור העמוד.ייצור של סיליקה GEMS כרוך בדפוסי תכנון מורכבים ותהליך רב שלבי, ולכן זה ידגים מספיק צעדים מיקרו-מפברקים יעזרו בהבנת הפרוטוקול. התחל הליך זה בעיצוב מערכים ופיתוח מסכות כמתואר בפרוטוקול הטקסט. טובל את רקיק הסיליקון בתספיר פיראניה טרי.לשמור בטמפרטורה של 388 קלווין במשך 10 דקות. שוטפים את הוופל במים דה-מיונים במשך שני מחזורים בספסל רטוב, ואז מייבשים את הוופל מתחת לסביבת חנקן במייבש הספין. חשוף את הוופל לאדים של HMDS כדי לשפר את ההיתוך של הפוטוגרסיסט עם משטח הסיליקה.מעבירים את הוופל על צ'אק ואקום של מעיל ספין כדי לסובב את הפוטורסיסט. השתמש AZ 5214 photoresist כמו טון שלילי כדי להשיג 1.6 מיקרון עבה הסרט של הפומריסט. אופים את הוופל מצופה הפוטורסיסט ב-105 מעלות צלזיוס על צלחת חמה במשך שתי דקות.זה מתייבש ומקשה על הסרט הפותריסטי, שאחרת נדבק למסכת הזכוכית וגורם לבעיות זיהום במהלך חשיפה לקרינת UV. זה גם משפר את ההיתוך של הפוטוגרסיסט למשטח הסיליקה. חשוף את הוופל תחת חשיפה לקרינת UV למשך 15 שניות באמצעות מסכת הכרום באמצעות מערכת יישור מסכה כדי להשיג את העיצוב הרצוי על הפפוטורסיסט.לאחר מכן, אופים את הוופל הבין ב 120 מעלות צלזיוס על צלחת חמה במשך שתי דקות. במהלך שלב זה, הסרט הפוטורסיסטי השלילי שנחשף חוצה עוד יותר קישורים. כתוצאה מכך, החלקים החשופים לקרינת UV של הפומריסט כבר אינם מסיסים בפתרון המפתחים, בעוד האזורים שלא נחשפו מסיסים.עוד לחשוף את הוופל תחת אור UV במשך 15 שניות במערכת ריפוי UV. במהלך שלב זה נחשפים אזורים פוטו-ניסטיים שלא נחשפו קודם לכן, ומאוחר יותר ניתן להמיסם ביזם. לאחר מכן, לטבול את הוופל באמבטיה 50 מ"ל של AZ 726 מפתח פוטורסיסט במשך 60 שניות כדי להשיג את הדפוס פוטורסיסטי הרצוי על רקיק הסיליקון.לאחר מכן לנקות את הוופל באמצעות מים deionized, ולפוצץ עוד יותר לייבש אותו עם גז חנקן. כרום Sputter על הוופל במשך 200 שניות כדי לקבל שכבת כרום בעובי 50 ננומטר. התצהיר מבוצע באמצעות sputter תגובתי DC מסוג מגנטרון עם מקור יעד עגול סטנדרטי של שני אינץ' בסביבת ארגון.Sonicate רקיק sputtered באמבטיה אצטון במשך חמש דקות כדי להרים את הפוטריסט הנותר מן הוופל, משאיר מאחור את התכונות הרצויות עם מסכה קשה כרום. לאחר שטיפה בצד האחורי של הוופל עם כמות גדולה של אצטון ואתנול, לפוצץ יבש עם אקדח חנקן. לאחר מכן, חזרו על שלבי ציפוי הספין, האפייה והחשיפה לקרינת UV בצד האחורי של הוופל.לחשיפה לקרינת UV, השתמש ביישור האחורי הידני עם מודול הצלבה במיישר המגע כדי ליישר את התכונות הרצויות בצד האחורי עם הצד הקדמי של הוופל באמצעות סימוני היישור במסכה. עבור הצד האחורי של הוופל, להמשיך עם sputter ו photoresist להרים את המדרגות כדי ליצור את העיצוב הנדרש עם מסכה קשה כרום משני צידי הוופל. המשטח המ מכוסה הכרום אינו עובר תחריט.לכן, כתמים שבהם כרום נעדר על הוופל מגדירים את הדירות והשקעים של המזיגה. עברו תחריט של שכבת הסיליקון הדו-חמצני החשופה משני צידי הוופל על ידי יון תגובתי פלזמה מצומצם המעסיק כימיית פלואור וחמצן. משך הזמן הוא 16 דקות לכל צד.מעבדים את הוופל עם חמישה מחזורים של תחריט אניסוטרופי באמצעות תהליך בוש כדי ליצור חרוט בשכבת הסיליקון. תהליך זה מאופיין בפרופיל קיר צד שטוח באמצעות תצהירים לסירוגין של גזים אוקטפלואורוצ'יקלובוטאן וגופרית. על ידי תחריט אניסוטרופי לסירוגין ותצהיר פולימר, הסיליקון אטים ישר למטה.שלב זה מבוצע בכל צד של הוופל. לאחר מכן, לטבול את הוופל באמבטיה של תווי פיראנה מתוחזק בטמפרטורה של 388 קלווין במשך 10 דקות. פעולה זו מסירה את הפולימרים שהופקדו בשלב האניסוטרופי.כדי ליצור את undercut, אשר מניב את הפרופיל reentrant, לעבור תחריט איזוטרופי באמצעות מתכון מבוסס hexafluoride גופרית למשך 165 שניות. שלב זה מבוצע בכל צד של הוופל. כדי לבצע תחריט סיליקון אניסוטרופי, להעביר את הוופל לתוך יון פלזמה-תגובתי עמוק מצומצם תחריט תחריט כדי תחריט 150 מיקרון של סיליקון.בצע 200 מחזורים של תחריט עמוק באמצעות תהליך בוש. חזור על שלב זה עם הצד האחורי של הוופל. עכשיו, לעבור ניקוי piranha של הוופל בספסל הרטוב במשך 10 דקות כדי להסיר מזהמים פולימריים שהופקד מתהליך התחריט, אשר מבטיח שיעורי תחריט אחיד.חזור על צעדים אלה תחריט וניקוי כדי לממש דרך נקבוביות בוופל שיש נכנסים שוב פנימה ושקעים. הסר את הכרום מן הוופל על ידי טבילה באמבטיה 100 מ"ל של תחריט כרום במשך 60 שניות. לאחר תהליך microfabrication, לנקות את הוופל עם 100 מ"ל של פתרון פיראנה מוכן טרי במיכל זכוכית במשך 10 דקות.לאחר מכן, מכה נוספת יבשה עם אקדח לחץ גז חנקן טהור 99%. מניחים את הדגימות בצלחת פטרי זכוכית בתוך תנור ואקום נקי ב 323 קלווין עד זווית המגע המהותית של מים על דו תחמוצת הסיליקון חלקה מתייצבת בזווית מגע פנימית תטא שווה ל 40 מעלות לאחר 48 שעות. לאחסן את הדגימות היבשות שהושגו, שהם GEMs סיליקה, בארון חנקן.סריקת מיקרוגרפים אלקטרונים של GEMs סיליקה להראות תצוגה חתך מוטה, תצוגה חתך מוגדל של נקבובית אחת, ונופים מוגדלים של קצוות reentrant ב inlets ושקעים של הנקבובית. הנקבוביות של GEMs אלה היו מיושרים אנכית. קוטר המשקע והשקע היה 100 מיקרון.מרחק מרכז למרכז בין הנקבוביות היה 400 מיקרון. ההפרדה בין הקצוות הנוהגים לקיר הנקבוביות הייתה 18 מיקרון, ואורך הנקבוביות היה 300 מיקרון. מוצגים כאן שחזורים תלת מימדיים משופרים במחשב של ממשק מי האוויר בבקתות של ג'י-אם סיליקה מתחת למים.כמו כן מוצגים תצוגות חתך לאורך הקווים המנוקדים הלבנים. במקרה של חללים שנכנסו מחדש, עיבוי אדי המים בתוך החללים החליף את האוויר הלכוד, מה שגרם לבליטה של ממשק מי האוויר כלפי מעלה וערער את יציבות המערכת. לעומת זאת, ג'י-אם-אם סיליקה נותרה חופשייה מבליטה לתקופה ארוכה הרבה יותר, למרות שקצב החימום היה דומה.תוצאות אלו היו רציונליות על בסיס עיבוי מועדף של אדי מים מהמאגר המחומם בלייזר בממשק מי האוויר המקורר של הצד השני. עם זאת, לא ניתן היה למדוד את קצב העברת ההמונים בתצורה ניסיונית זו. למנוע הסרה של מבנים חוזרים סיליקה במהלך תהליך בוש, הוא משמש להוספת סיליקון.זה מאוד חיוני יש מסכה קשה כרום. ממצאים אלה עשויים לממש את הפוטנציאל של חומרים נפוצים עבור יישומים הדורשים כיום ציפויים perfluorinated, כגון להפחתת גרירה או דיכוי וטיהור.

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

קצירת אנרגיה סולארית באמצעות תשלום פרדת Nanocrystals והמוצק שלהם

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

טכניקת ריבוב הזמן Super פתרון הדמיה מפלטפורמה נעה

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

הכנת גשרי Electrohydrodynamic מנוזלי דיאלקטרי פולאר

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

ויזואליזציה של High Speed ​​Liquid Jet Impaction על משטח העברה

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

איתור והשחזור של פלדיום, מתכות זהב וקובלט ממכרה העירונית באמצעות חיישנים / Adsorbents רומן יעודיים עם נקבוביות-בצורת גלגל עגלה ננומטריים

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

מערכת ליצור אירוסולים Nanoparticle יציבים מן ננו אבקות

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

יד מבוקרת מניפולציה של יחיד מולקולות באמצעות סריקת הבדיקה במיקרוסקופ עם ממשק מציאות 3D Virtual

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

סריקה אור מפזר Profiler (SLPS) מתודולוגיה מבוססת כדי להעריך כמותית קדימה ואחורה אור פיזור מ עדשות עדשות

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

מיקרו / ננו בקנה מידה זן הפצה מדידה מדגימה Moiré שוליים

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

ייצור של Nanostructures מגנטית על ממברנות הסיליקון ניטריד ללימודי מערבולת מגנטי באמצעות טכניקות במיקרוסקופ שידור

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