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

H.M. признает финансирование от Университета науки и техники короля Абдаллы в рамках BAS/1/1070-01-01 и KAUST доступ к нанофабриканы основных лабораторных объектов.

R.D., S.A. и H.M. подали международный патент, Приложение No. PCT/IB2019/054548.

Эта работа представляет собой проектирование и изготовление кремнезема-GEMs, первый в истории DCMD мембраны, полученные из гидрофильных материалов. Микрофабрикация с системой SiO2/Si обеспечивает огромную гибкость для создания микрофактур для тестирования творческих идей. Конечно, сфера охвата этой работы ограничивается доказательством концепции для ГЭС, потому что SiO2/Si/SiO2 и протоколы микрофабрикации очистки непрактичны для опреснительных мембран.
Следует отметить, что, даже если архитектура GEMs может предотвратить вторжение воды при погружении, когда внутренний угол контакта составляет около 40 евро, эта стратегия терпит неудачу, если поверхность сделана супергидрофильной. Например, после воздействия кислородной плазмы поверхности кремнезема демонстрируют 5 евро, и эти кремнезема-ГЭМ теряют воздух, который заманивается внутри пор спонтанно, как пузыри, потому что жидкий мениск больше не прижимается к речам рецентрации. Тем не менее, общие пластмассы, такие как поливиниловый спирт(о 51 ") и поли (этилен терефталат)(o 72 "), должны поддаются этому подходу. Таким образом, принципы проектирования, извлеченные из кремнезема-GEMs могут быть масштабированы с помощью 3-D печати44, аддитивного производства45, лазерного микромашинив46, и CNC фрезерования37и т.д.
Далее обсуждаются некоторые важнейшие аспекты микрофабрикации кремнезема-ГЭМ, которые требуют особого внимания. Ручное выравнивание спинки (раздел 8) функций должно выполняться с максимальной осторожностью для достижения вертикально выровненных пор. Смещения могут привести к пор-горло, и в худшем случае, несоответствие может привести только полости с обеих сторон (без пор). Таким образом, предлагается использовать многомасштабные знаки выравнивания, при этом наименьший знак выравнивания не менее чем в четыре раза меньше диаметра поры.
Во время травления слоя кремнезема с C4F8 и O2 (шаг 10.1), предварительное использование (т.е. чистота) реакционной камеры может влиять на скорость травления. Это объясняется наличием загрязняющих веществ в реакционной камере, что является обычным явлением в общих пользовательских учреждениях, таких как университеты. Таким образом, рекомендуется, чтобы этот шаг выполняется сначала на манекен пластины, чтобы убедиться, что система является чистой и стабильной. Также рекомендуется использовать короткие периоды для травления (например, не более 5 мин при мониторинге толщины слоя кремнезема с помощью отражательной отражаи). Например, если требуется 16 минут, чтобы полностью удалить слой 2 мкм SiO2 из SiO2/Si/SiO2 пластины, то процесс травления следует разделить на четыре этапа, состоящие из трех циклов 5 мин с последующей отражательной, и один 1 мин (необязательный) этап травления, основанный на результатах отражательной работы.
Для сохранения кремнезема reentrant особенности во время процесса Bosch, который используется для травления кремниевого слоя (шаг 10.4), очень важно, чтобы хром жесткий маска используется. Процесс Bosch влечет за собой осаждение C4F8 для обеспечения анизотропного профиля. Однако, в течение длительных циклов травления, этот слой может стать очень толстым и трудно удалить. Таким образом, рекомендуется, чтобы процесс Bosch не запускался более чем на 200 циклов, и за ним следует очистка пираньи. Было также отмечено, что длительные циклы глубокого травления также уменьшают толщину слоя кремнезема, несмотря на наличие хромовой твердой маски.
Большинство сухих инструментов травления не в состоянии достичь пространственной однородности с точки зрения офорта ставок. Таким образом, функции, полученные в центре SiO2/Si/SiO2 , могут быть не такими же, как на границе. Здесь в центре 4"вафель были реализованы высококачественные функции, а образцы периодически наблюдались под микроскопом. В случае, если некоторые регионы выгравированы больше, чем другие, пластины должны быть разбиты на куски, которые должны быть выгравированы отдельно.
Этот протокол изготовления может быть применен к SiO2/Si/SiO2 любой толщины; однако, более толстый слой означает, что требуется большее количество циклов травления. Предлагается использовать кремниевые пластины толщины 300 мкм, если это не ставит под угрозу механическую целостность при обработке и характеристике.

По мере того как усилие на воде/еде/энергии/экологических ресурсах escalates, более зеленые технологии и материалы для опреснения необходимы1,2. В этом контексте, прямой контакт мембраны дистилляции (DCMD) процесс может использовать солнечно-тепловой энергии или отходов промышленного тепла для опреснения воды3,4. DCMD использует водоотталкивающие мембраны для разделения противоотетких потоков горячей морской воды и холодной деионизированной воды, позволяя только чистый водяной пар транспортировать через от горячей до холодной стороны5,6,8,9. Коммерческие мембраны DCMD почти исключительно эксплуатировать перфторуглероды из-за их водоотталкивания, характеризуется внутренней угол контакта воды, o 110"10. Тем не менее, перфторуглероды стоят дорого, и они получают повреждения при повышенной температуре11 и при суровой химической очистки12,13. Их небиоразлагаемость также вызывает экологические проблемы14. Таким образом, были изучены новые материалы для DCMD, например, полипропилен15, углеродные нанотрубки16и органозилика17, наряду с вариациями процесса, например, межфаментальное отопление18 и фотоэлектрические-MD19. Тем не менее, все материалы, исследованные для мембран DCMD до сих пор были внутренне водоотталкивающим, характеризуется йо 90 "для воды).
Здесь описывается протокол для использования водолюбивых (гидрофильных) материалов для достижения функции водоотталкивающих мембран DCMD, т.е. разделения воды с обеих сторон путем надежного захвата воздуха внутри мембранных пор. К демонстрации доказательства концепции используются двусторонние полированные кремниевые пластины с слоями кремнезема (толщина 2 мкм) с обеих сторон (SiO2/Si/SiO2;2 мкм/300 мкм/2 мкм соответственно). Процессы микрофабрикации применяются для достижения газовых захватов мембран (ГЭМ), которые используют определенную архитектуру для предотвращения попадания жидкостей в поры независимо от поверхностной химии.
Вдохновение для GEMs архитектуры возникла из springtails (Collembola), почво-обитающие гексаподы, чьи кутикулы содержат грибовидные узоры20,21, и морских конькобежцев (Halobates germanus), насекомых, живущих в открытом океане, которые имеют грибообразные волосы на их теле22,23. Архитектура поверхности, наряду с естественным и выделяется воска, дает этим насекомым с "супер" отталкивания воды, характеризуется очевидными углами контакта для воды(r 150 "24. В результате, в состоянии отдыха, морские конькобежцы по существу плавают в воздухе на морском воздухе интерфейс22,25. При погружении в воду, они мгновенно ловушки слой воздуха вокруг их тела (также известный как пластрон), который облегчает дыхание и плавучесть20,23. Вдохновленный пружинами, Ким и его коллеги показали, что поверхностные поверхности кремнезема с массивами грибообразных столбов могут отражать капли жидкостей с низкой поверхностной наносимоцей26. Это было замечательное открытие; хотя, было установлено, что жидкость отражения этих поверхностей могут быть потеряны катастрофически через локализованные дефекты или границы27,28. Чтобы решить эту проблему, исследователи microfabricica поверхностей с полости, диаметры которых на входы были резко меньше (т.е., с 90 "поворот), чем остальная часть полости27. Эти функции также известны как "реантентантные" края, и полости в дальнейшем называются "реантентировать полости".
Реантрантные полости надежно заманивают воздух при контакте с жидкими каплями или при погружении27. Производительность полостей разных форм (круговых, квадратных и шестиугольных), профилей (повторного и вдвойне реантентантного), а также резкость углов по отношению к стабильности захваченного воздуха с течением времени сравнивается29. Было установлено, что круговые полости реванттрина являются наиболее оптимальными с точки зрения их надежности для захвата воздуха под смачивающих жидкостей и сложности, связанной с производством. Кроме того, было продемонстрировано, что внутренне смачивания материалов с рецентральными полости могут заманивать воздух при погружении в смачивания жидкостей, и, таким образом, достичь функции омофобных поверхностей. Основываясь на этом теле работы27,28,29,30 и предыдущий опыт работы с DCMD31, мы решили создать мембраны, которые имеют поры с ретенциозными входами и розетками. Предполагалось, что такая мембрана может заманить воздух при погружении в смачивающие жидкости из-за своей микрофактуры, что породило идею ГЭМ.
Рассмотрим мембрану из гидрофильных материалов, состоящий из простых цилиндрических пор: при погружении в воду, эта мембрана будет впитывать воду спонтанно(Рисунок 1A,B) достижения полностью заполнены, или состояние Венцель32. С другой стороны, если входы и розетки пор имеют реатриантные профили (например, "T"-образный), они могут предотвратить смачивания жидкости от проникновения поры и заманить воздух внутри, что приводит к Cassie государств33 (Рисунок 1C, D). После того, как воздух в ловушке внутри поры, это будет способствовать дальнейшему предотвращению вторжения жидкости из-за его сжатия и низкой растворимости в воде с течением времени34,35.
Такая система будет медленно переход от Cassie к Wenzel состоянии, и кинетика этого процесса могут быть настроены по форме поры, размер, и профиль, давление пара жидкости, и растворимость захваченных воздуха в жидкости29,34,36. Исследователи смогли реализовать GEMs с использованием кремниевых пластин и полиметилметакрилат листов в качестве тестовых субстратов, и доказательство концепции приложений для DCMD в конфигурации перекрестного потока были продемонстрированы37. Здесь представлен подробный протокол микрофабрикации для генерации кремнезема-ГЭМ, начиная с двухсторонних полированных кремниевых пластин с слоями кремнезема (2 мкм толщиной) с обеих сторон (SiO2/Si/SiO2; 2 мкм/300 мкм/2 мкм, соответственно). Кроме того, способность кремнезема-GEM заманивать воздух под водой оценивается с помощью специально построенной клетки давления и конфокальной микроскопии.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60583/60583fig1.jpg">
Рисунок 1: Схематическое представление мембраны с простыми цилиндрическими порами (A,B) и с порами ретенции (C,D). В отличие от простых цилиндрических пор, поры реантентанта становятся резко более широкими после входов/розеток, и именно этот разрыв (или реантентальные края) предотвращает проникновение жидкостей в поры. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60583/60583fig1large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.</a>
В частности, в этом разделе описывается протокол микрофабрикации для резьбы массивов пор с ретрансляторными входами и розетками с использованием двусторонних полированных кремниевых пластин толщиной 300 мкм (p-doped, lt;100-gt; ориентация, 4"диаметр, 2 мкм густо выращенных слоев оксида с обеих сторон). Это называется в дальнейшем как SiO2(2 мкм)/Си (300 мкм) / SiO2(2 мкм) (Рисунок 2).
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60583/60583fig2.jpg">
Рисунок 2: Flowchart перечисляет ключевые шаги, связанные с микрофабрикацией кремнезема-GEM. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60583/60583fig2alarge.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.</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

Опреснение через дистилляцию непосредственной контактной мембраны (DCMD) использует водоотталкивающие мембраны для надежного разделения противопопадающих потоков горячей и соленой морской воды из холодной и чистой воды, позволяя таким образом пролететь только чистый водяной пар. Для достижения этого подвига, коммерческие мембраны DCMD являются производными от или покрыты водоотталкивающими перфтоуглеродами, такими как политетрафторэтилен (ПТФЕ) и поливилиденовый дифлуорид (PVDF). Однако использование перфторуглеродов ограничивается их высокой стоимостью, небиоразлагаемостью и уязвимостью к суровым эксплуатационным условиям. Здесь представлен новый класс мембран, именуемых газовыми оболочками (ГЭС), которые могут надежно заманивать воздух при погружении в воду. ГЭМ достигают этой функции, не схожим с химическим составом, а с помощью микроструктуры. Эта работа демонстрирует доказательство концепции для GEM, используя внутренне смачивания SiO2/Si / SiO2 пластины в качестве модели системы; угол контакта воды на SiO2 составляет 40 евро. Силика-GEMs имели 300 мкм длиной цилиндрических пор, диаметры которых в (2 мкм длиной) входе и розетках были значительно меньше; эта геометрически прерывистая структура, с поворотами 90 "на входах и выходах, известна как "реантентантная микротекстура". Протокол микрофабрикации для кремнезема-ГЭМ предполагает проектирование, фотолитографию, распыление хрома, изотропное и анизотропное травление. Несмотря на воду любящей природы кремнезема, вода не вторгается кремнезема-GEMs на погружение. В самом деле, они надежно заманить воздух под водой и сохранить его нетронутыми даже после шести недель (106 секунд). С другой стороны, кремнеземные мембраны с простыми цилиндрическими порами спонтанно впитываем воду (Злт; 1 с). Эти выводы подчеркивают потенциал архитектуры GEMs для процессов разделения. В то время как выбор SiO2/Si/SiO2 пластины для GEMs ограничивается демонстрацией доказательства концепции, ожидается, что протоколы и концепции, представленные здесь будет способствовать рациональной разработки масштабируемых GEMs с использованием недорогих общих материалов для опреснения и за его пределами.

В этом разделе представлены подводные характеристики кремнезема-GEMs микрофабриканных с использованием вышеупомянутого протокола. Поры этих GEM были вертикально выровнены, диаметры входе/выхода были D й 100 мкм, расстояние от центра к центру между порами (шаг) было L й 400 мкм, разделение между ретенантными краями и стеной было w 18 мкм, и длина пор ы был h й 300 мкм (Рисунок 5). Из-за неоднородности, понесенной во время офорта шаги и незначительные несоответствия во время микрофабрикации, средняя часть пор была немного уже по сравнению с частью ниже входов и выходов пор, однако, это не влияет на массовый поток значительно.
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60583/60583fig5.jpg">
Рисунок 5: Сканирование электронных микрографов кремнезема-ГЭМ. Показаны (A) наклонный поперечный вид кремнезема-GEMs, (B) увеличенный поперечный вид одной поры, и (C,D) увеличенные виды реантентантных краев на входах и выходах пор. Панели (C) и (D) перепечатываются из Das et al.37. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60583/60583fig5alarge.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.</a>
Погружение кремнезема-GEM в воду Силика (SiO2) является гидрофильной, как характеризуется внутренней угол контакта капель воды на нем под насыщенным водяным паром,о 40 ". Таким образом, если цилиндрические поры создаются на листе кремнезема, вода будет впитывать их, достигнув полностью заполнены, или состояние Венцеля32. Чтобы проверить это, был использован специально созданный модуль, который может обеспечить тест-мембрану между резервуаром окрашенной соленой воды (0,6 М NaCl с пищевым красительным цветом) и деионизированной водой(T 293 K и p q 1 атм). Он также регистрирует электрическую проводимость деионизированного водохранилища в компьютер для мониторинга пор заполнения situ (Рисунок 6A). Здесь кремнеземные мембраны с простыми цилиндрическими отверстиями не смогли предотвратить смешение двух резервуаров, так как вода мгновенно проникла, как это отражено в освобождении красителя(Дополнительный фильм). В резком контрасте, когда кремнезем-ГЭМ тестировались в тех же условиях, они надежно захватывали воздух и удерживали его нетронутым в течение более 6 недель, что подтверждается измерениями электрической проводимости (ограничение обнаружения - 0,01 зС/см), после чего эксперимент был прекращен(рисунок 6В). Эти выводы свидетельствуют о том, что архитектура GEM может позволить гидрофильных материалов надежно заманить воздух при погружении в воду. Кроме того, был представлен сценарий уровня пор, в котором низкая растворимость захваченного воздуха в воде и кривизна воздушно-водного интерфейса помешали жидкому мениску вторгнуться дальше в пору(рисунок 6C).
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60583/60583fig6.jpg">
Рисунок 6: Тестирование на прочность Мембраны. (A) Схема 3D-печати настроенной ячейки для проверки надежности мембран при разделении окрашенной соленой воды (0,6 М NaCl с пищевым красителем) из чистой деионизированной воды(T No 293 K, р- 1 атм), одновременно регистрируя электрическую проводимость водохранилища DI в компьютер. (B) Полулогарифический участок электрической проводимости DI водохранилища сверхурочно, когда кремнезем-GEMs были использованы для разделения двух резервуаров. Примечательно, что кремнезем-GEM надежно захватывают воздух в каждой поре, так что вода не может проникнуть даже в одну пору в течение более 6 недель, о чем свидетельствуют данные электрической проводимости. (C) Схема уровня Поре, показывающая интерфейс воздушно-водяного на обоих концах. Панели (A) и (B) перепечатываются из Das et al.37. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60583/60583fig6alarge.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.</a>
Чтобы глубже понять закрепление и перемещение интерфейса воздушной воды в заливах и выходах скрема-ГЭМ под водой (колонка 5 мм), была использована конфокальная микроскопия. Известно, что лазер, используемый для освещения в конфокальной микроскопии, также нагревает систему39,которая может ускорить процесс смачивания. Тем не менее, высокое пространственное разрешение может дать полезную информацию. Для сравнения, поведение поверхностных поверхностей с рецентральными полости также исследовано29,40. В обоих сценариях дополнительное тепло, поставляемое в резервуар воды выше, усиливает капиллярный конденсации водяного пара внутри микрофактуры. В случае ретенантных полостей конденсация водяного пара вытеснила захваченный воздух, что вызвало выпуклость интерфейса воздушной воды вверх и дестабилизировало систему(рисунок 7A,C). В этих экспериментальных условиях вода вторглась во все полости менее чем за 2 ч. В отличие от этого, кремнезем-ГЭМ оставался свободным от выпуклости в течение гораздо более длительного периода, даже несмотря на то, что скорость нагрева была аналогичной. Эти результаты были рационализированы на основе преференциального конденсации водяного пара из лазерного резервуара с подогревом на более прохладный воздуховодный интерфейс на противоположной стороне поры(рисунок 7B,D). Однако измерить скорость передачи массы в этой экспериментальной конфигурации не удалось.
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60583/60583fig7.jpg">
Рисунок 7: Интерфейсы воздуха и воды. (A) Компьютер-улучшенные 3D-реконструкции воздушно-водного интерфейса на входах кремнезема-GEM под водой (высота колонны, z q 5 мм; лазерная мощность 0,6 мВт) вместе с поперечными видами вдоль белых пунктирных линий (на левой и правой сторонах центрального изображения). Из-за нагрева лазера на верхней стороне водяного пара конденсируется внутри полостей, вытесняя захваченный воздух. Это вызвало воздух-вода мениска выпуклость вверх и стать нестабильной. После 1,5 ч большая часть полостей была впугнута водой. (B) Конфокальные микрографы кремнезема-GEMs в аналогичных условиях, как в (A). (C) Схема выпуклости мениска воздушной воды в случае репунктальных полостей под водой. (D) Схема для поры в кремнезема-GEMs в аналогичных условиях. Горячий водяной пар конденсируется повсюду, особенно на более прохладном воздушно-водном интерфейсе на стороне дальше от лазера. В результате этого массового переноса, есть минимальное наращивание давления в поре. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60583/60583fig7large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.</a>
Прямая контактная мембранная дистилляция с помощью ГЭМ Установив, что кремнезем-GEM может надежно отделить два резервуара воды с обеих сторон, статической конфигурации DCMD был протестирован, в котором соленая сторона корма (0,6 M NaCl на T 333 K) и деионизированных пронизывающих стороны (T No 288 K) были статические резервуары. Несмотря на то, что кремнезем-ГЭС предотвращал вторжение воды, измеримых потоков не наблюдалось. Это было связано с тем, что теплопроводность кремния(k 149 W-m-1 K-1)41 является на порядок выше, чем у типичных мембран DCMD (т.е., k qlt; 1 W-m-1-K-1)2. Таким образом, экспериментальная установка с кремнезема-GEMs пострадали от того, что известно как поляризация температуры, в которой горячая сторона теряет тепло на холодную сторону, снижение потока31.
Возможно, можно снизить теплопроводность кремния путем наноструктуры42 (например, для повышения его термоэлектрических свойств43),но эти пути не были изучены. Вместо этого, принципы проектирования от кремнезема-GEMs были переведены на полиметилметакрилат (PMMA) листов(о 70 " для воды, k 0,19 W-m-1-K-1)40 для создания PMMA-GEMs37. Действительно, первая (доказательство концепции) партия PMMA-GEMs с низкой пористостью (0,08) продемонстрировала надежное разделение кормовой стороны и пронизывает и дала поток 1 L-m2-h-1 над 90 h. Таким образом, можно перевести эти исследования на основе кремнезема-ГЭМ с использованием более распространенных материалов для генерации более экологичных, более дешевых мембран для опреснения.
Дополнительное кино. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60583/Movie_S1.mp4" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть этот файл (Право нажмите, чтобы скачать).</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

Представлено здесь пошаговый протокол для реализации газовых мембран (GEM) от SiO2/Si пластин с использованием технологии микрофабрикации интегральных схем. Когда кремнезем-ГЭМ погружаются в воду, вторжение воды предотвращается, несмотря на водолюбинный состав кремнезема.

Доказательство концепции для газо-захватирующих Мембраны, полученные из водолюбия SiO2/Si/SiO2 для зеленого опреснения

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

Газовые мембраны, или ГЭМ, могут надежно заманить воздух в ловушку при погружении в смачивание жидкостей. В результате они достигают этой функции благодаря своей структуре, которая может быть использована, например, при опреснении мембранной дистилляцией. Фотолитография позволила нам создать сложные нависающие архитектуры по обе стороны кремниевой пластины, в результате чего GEMS.Она обеспечила путь к изготовлению GEMS с использованием обычных методов микро-изготовления. Правильные знаки выравнивания должны быть размещены на фотомой маске для достижения вертикально выровненных сообщений. Мы предлагаем использовать многомасштабные знаки выравнивания с наименьшим размером не менее четырех раз диаметр полюса.Изготовление кремнезема GEMS включает в себя сложные шаблоны дизайна и многоступенчатый процесс, и поэтому это продемонстрирует достаточно микро-изготовление шаги помогут в понимании протокола. Начните эту процедуру с проектирования массивов и разработки масок, как описано в текстовом протоколе. Погрузите кремниевую пластину в свежеприготовленный раствор пираньи.Поддержание при температуре 388 Кельвин в течение 10 минут. Промыть деионизированной водой в течение двух циклов во влажной скамейке, а затем высушить под азотной среды в спин сушилке. Выставить пластину на пар HMDS для улучшения адгезии фоторезист с поверхностью кремнезема.Передача на вакуумный патрон спина пальто спина пальто спина пальто фоторезист. Используйте фоторезистастр АЗ 5214 в качестве отрицательного тона для достижения 1,6 микрона толщиной пленки фоторезистаста. Выпекать фоторезистскую пластину при температуре 105 градусов по Цельсию на горячей тарелке в течение двух минут.Это сушит и затвердевает фоторезистерную пленку, которая в противном случае прилипает к стеклянной маске и вызывает проблемы с загрязнением во время воздействия УФ-излучения. Это также улучшает притон фоторезист к поверхности кремнезема. Выставить пластины под УФ-экспозиции в течение 15 секунд через хромированную маску с помощью маски выравнивания системы для достижения желаемого дизайна на фоторезистер.Затем выпекайте реализованную пластину при температуре 120 градусов по Цельсию на горячей тарелке в течение двух минут. Во время этого шага, подвергаются негативные фоторезистер фильм дальнейшего перекрестных ссылок. В результате, УФ-облученные части фоторезистаста больше не растворимы в решении разработчика, в то время как неэкспонированные области растворимы.Далее подвергать под ультрафиолетовым светом в течение 15 секунд в системе УФ-лечения. Во время этого шага, фоторезистерские области, которые ранее не были выставлены подвергаются, а затем могут быть распущены в разработчике. Затем погрузите пластину в ванну с 50 мл разработчика фоторесурсов АЗ 726 в течение 60 секунд, чтобы достичь желаемого фоторезистерного узора на кремниевой пластине.Впоследствии очистить с помощью деионизированной воды, и далее высушить его азотным газом. Распыление хрома на пластине в течение 200 секунд, чтобы получить 50 нанометров толщиной хрома слоя. Осаждение выполняется с помощью реактивного распыления DC типа магнетрона со стандартным двухдюймовым круглым целевым источником в аргоной среде.Sonicate распыляется в ванне ацетона в течение пяти минут, чтобы снять оставшиеся фоторезист из, оставив после себя желаемые функции с хромом жесткой маской. После полоскания задней стороны пластины с большим количеством ацетона и этанола, высушить азотной пушкой. Затем повторите спиновое покрытие, выпечку и уф-экспозицию на задней стороне пластины.Для УФ-облучения используйте ручную переднюю выравнивание с перекрестием модуля в контактном выравнивании, чтобы выровнять желаемые функции на задней стороне с передней стороной пластины, используя знаки выравнивания в маске. Для задней стороны пластины, продолжать с распыления и фоторезист снять шаги для создания необходимого дизайна с хромом жесткой маски по обе стороны от. Поверхность, покрытая хромом, не подвергается травлению.Таким образом, пятна, в которых хром отсутствует на пластине, определяют входы и розетки залива. Undergo травления подвергаются диоксида кремния слой по обе стороны от пластины индуктивно-связанных плазменных реактивных ионов и т.д., который использует фтора и кислорода химии. Продолжительность составляет 16 минут для каждой стороны.Обработать пластину с пятью циклами анисотропного травления с использованием процесса Bosch, чтобы создать выемку в силиконовом слое. Этот процесс характеризуется плоским профилем боковой стенки с использованием чередующихся отложений октагторокотутановых и гексафторидных газов серы. Чередуя анисотропное травление и полимерное осаждение, кремниевые вытравливания прямо вниз.Этот шаг выполняется с каждой стороны пластины. Затем погрузите пластину в ванну из раствора пираньи при температуре 388 Кельвин в течение 10 минут. Это удаляет полимеры, депонированы в анисотропной шаг.Чтобы создать подрез, который дает reentrant профиль, пройти изотропные etch использованием серы гексафторид основе рецепта в течение 165 секунд. Этот шаг выполняется с каждой стороны пластины. Для выполнения анисотропного офорта кремния перенесите пластину в глубокий индуктивно-связанный плазмо-реактивный ион и т.д. в etch 150 микрон кремния.Выполните 200 циклов глубокого офорта с помощью процесса Bosch. Повторите этот шаг с задней стороны пластины. Теперь, пройти пираньи очистки во влажной скамейке в течение 10 минут, чтобы удалить полимерных загрязняющих веществ, депонированы из процесса травления, что обеспечивает единообразные ставки травления.Повторите эти офорты и очистки шаги для реализации через поры в пластине, имеющих повторные входы и розетки. Снимите хром с, погрузив в ванну 100 мл хрома травления в течение 60 секунд. После процесса микрофабрики очистите пластину 100 мл свежеприготовленного раствора пираньи в стеклянной таре в течение 10 минут.Затем, дальнейший удар сухой с 99%чистый азотное давление пушки. Поместите образцы в стеклянную чашку Петри в чистую вакуумную печь на 323 Кельвина до тех пор, пока внутренний угол контакта воды на гладком диоксиде кремния не стабилизируется под внутренним контактным углом, равным 40 градусам после 48 часов. Храните полученные сухие образцы, которые являются кремнезема ГЭМ, в азотной шкафу.Сканирование электронных микрографов кремнезема GEMs показывают наклонный поперечный вид, увеличенный поперечный вид одной поры, и увеличенные виды хранимых краев на входах и выходах поры. Поры этих ГЕМ были вертикально выровнены. Диаметр входов и торговых точек составил 100 микрон.Расстояние между порами от центра до центра составило 400 микрон. Разделение между реантентантными краями и порной стеной составило 18 микрон, а длина пор составила 300 микрон. Здесь показаны компьютерные 3D-реконструкции воздушно-водяного интерфейса на заливе кремнезема GEMs под водой.Также показаны поперечные виды вдоль белых пунктирных линий. В случае повторного вентрации полостей конденсация водяного пара внутри полостей вытеснила в ловушку воздух, что привело к выпуклости воздушно-водяного интерфейса вверх и дестабилизировало систему. В отличие от этого, кремнезем GEMs остается свободным от выпуклых в течение гораздо более длительного периода, хотя скорость нагрева была аналогичной.Эти результаты были рационализированы на основе преференциального конденсации водяного пара из лазерного нагреваемого резервуара на охлажденом воздушно-водном интерфейсе другой стороны. Однако измерить скорость массового переноса в этой экспериментальной конфигурации не удалось. Предотвратить удаление структур кремнезема reentrant во время процесса Bosch, он используется для добавления кремния.Очень важно иметь хромовую маску. Эти выводы могут раскрыть потенциал общих материалов для приложений, которые в настоящее время требуют перфторированных покрытий, таких как для сокращения сопротивления или для подавления и очистки.

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

Уборочная солнечной энергии с помощью Charge-Разделение нанокристаллы и их твердых

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

Мультиплексора с временным Супер Решение Техника для работы с изображениями от движущейся платформе

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

Подготовка Электрогидродинамические Мосты от полярных диэлектрических жидкостей

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

Визуализация Высокоскоростной струи жидкости столкновение на движущейся поверхности

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

Обнаружение и восстановление палладия, золота и кобальта металлов из рудника городской использующие новые Датчики / адсорбенты Места с наноразмерных Wagon колеса в форме порах

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

Система для создания стабильных наночастицу Аэрозоли из нанопорошков

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

Ручным управлением Манипуляции одиночных молекул с помощью сканирующего зондового микроскопа с 3D-интерфейсом виртуальной реальности

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

Методика сканирования сканирующего рассеивателя света (SLPS) для количественной оценки рассеяния вперед и назад с помощью интраокулярных линз

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

Измерение распределения микро / наномасштабных деформаций по выборке Муаровые обводки

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

Изготовление магнитных наноструктур на мембраны нитрида кремния магнитный вихревой исследований с использованием методов передачи микроскопии

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