流体在纳米或微米结构表面上流动阻力的控制方法和装置

摘要

披露了一种方法和装置，其中位于纳米结构或微米结构表面上的液滴的流动阻力受到控制。封闭单元特征以这样的方式加以应用，以致当所述表面的一个或多个单元内的至少第一流体的压力降低至或低于要求水平时，引起位于该表面上的液滴至少部分渗入表面。在另一示例性实施例中，在一个或多个单元内的压力增加至或高于要求的水平时，从而液滴至少部分回复至其原始的、不渗入的位置。在又另一实施例中，封闭单元结构特征构型用于即使当位于表面上的流体压力较高时，得以阻止纳米结构或微米结构的表面的渗透。

说明书

发明的技术领域

从总体而言，本发明涉及位于具有特别细小的预定表面特征的表面上的液体运动，更具体地说，涉及位于具有预定纳米结构或微米结构特征的表面上的液体所经受的流动阻力的控制。

发明的背景

在数以万计的应用中，许多有用的装置的特征是至少部分具有液体，且该液体至少接触一个固体表面。近代的应用已聚焦于位于纳米结构或微米结构表面上的小液滴的运动，这种表面可由诸如石印术或蚀刻等各种方法进行生产。这样一些表面可用于显著降低位于表面上的液滴所经受的流动阻力。

一种这样的应用披露于文章“用于惊人地降低以液滴为基础的微射流技术中流动阻力的纳米结构表面”中，J.Kim和C.J.Kim，IEEEConf.MEMS，Las Vegas，NV，2002年1月，pp.479-482，其整个内容已通过参考包含于本文中。该文献一般地描述了如何通过应用具有预定纳米结构特征的表面能大大降低液体接触表面时的流动阻力。Kim的文献指出，通过对接触液体的表面精细地进行构型，并应用前述液体表面张力原理，可大大降低表面与液体之间的接触面积。由此，液体在表面上的流动阻力相应地降低。但是，如Kim文献中举例指出的，对液体的流动阻力降低至如此的程度，以致难于或不可能控制液体的流动。因此，必须将液滴位于狭窄的通道或其它容器中，以控制液滴在预定区域内自由流动。

为了更好地控制位于构型有纳米结构或微米结构的表面上的液滴运动，最近已试图依靠液滴的特征，或替而代之，依靠纳米结构或微米结构的内构型特征，以控制液滴的横向运动。这一控制是于2003年3月31日递交，名为“液体在纳米结构表面上运动的可变控制方法和装置”的共同拥有的未审定美国专利申请系列号10/403159的主题，其全部内容已通过参考包含于本文中。在该申请的一个实施例中说明，液滴的横向运动是通过对纳米结构或微米结构的大小、形状、密度或电性能进行设计，以使液滴导向边缘的接触角小于液滴曳尾边缘的接触角而获得的。合力的不平衡引起液滴向导向边缘的方向运动。在另一实施例中，使液滴渗入要求区域的特征构型中，以致它成为基本是静止的。此渗透性可通过以下方法而变化，例如改变液滴的表面张力、改变液滴或构型的温度、改变液滴与特征构型之间的电压差。

如在10/403159申请中描述的，上述实施例中的一个或全部两个可能在各种应用中有用，诸如直观的有，生物或微化学检测器、化学反应器、构型的应用、可调衍射光栅、总体内反射镜、微射流技术混合器、微射流技术泵或热耗散装置。

这样，上述此前的努力集中在减少液滴经受的流动阻力，或控制水滴横越一个表面的运动。在另一最近试验中，纳米结构或微米结构被用于减少物体运动通过流体所经受的流动阻力。此试验披露于2003年8月27日存档的名为“减少流体与物体之间摩擦的方法和装置”的共同拥有的未审定美国专利申请系列号10/649285中，其全部内容已通过参考而包含于本文中。根据在该申请中披露的发明的实施例，通过流体的一个机动车，其表面至少有一部分被构型为纳米结构或微米结构。这样，根据上述原理，横越构型表面的流动阻力降低。还如上述一样，通过使流体渗入构型表面，横越构型表面的流动阻力能增加。

发明内容

虽然在先用以降低流体接触表面的流动阻力的试图在许多方面是有益的，但我们意识到，如果能控制位于纳米结构或微米结构表面上的流体的渗透程度则就更为优异。因此，我们发明了一种方法和装置，其中，在第一示例性实施例中，封闭单元的纳米结构或微米结构表面以这样的方式加以应用，以致当所述表面的一个或多个单元内的至少第一流体的压力降低至或低于要求水平时，引起位于该表面上的液滴至少部分渗入表面。在另一示例性实施例中，当一个或多个单元内的压力增加至或高于要求水平时，液滴至少部分回复至其原始的、不渗入位置。这样，液滴进入表面的渗透可加以改变，用以获得液滴经受要求水平的流动阻力。

在又另一实施例中，封闭单元结构特征构型用于即使当位于表面上的流体压力较高时，得以阻止纳米结构或微米结构表面的渗透。

附图概述

图1A、1B、1C、1D和1E表示现有技术中各种预定纳米结构的纳米结构特征构型，它们适用于本发明；

图2表示现有技术的示例装置，其中液滴位于纳米结构或微米结构的特征构型上。

图3A表示图2A的液滴悬浮在图3的纳米结构特征构型上；

图3B表示图4A的液滴渗入图3的纳米结构特征构型时的情况；

图4A和4B表示现有技术的示例装置，此处应用了电湿润原理使液滴渗入纳米结构特征构型；

图5A、5B和5C表示按本发明原理提出的装置，其中液滴处于悬浮在纳米结构特征构型顶部的初始位置(图5A)，使此液滴渗入特征构型(图5B)，以及随后使液滴回复至悬浮在特征构型顶部的位置(图5C)；

图6A和6B表示按本发明原理提出的示例性封闭单元结构；

图7A和7B表示图6A和6B的示例性结构中一个单元的细节；

图8A、8B和8C表示按本发明原理提出的装置，其中液滴处于悬浮在纳米结构特征构型顶部的初始位置(图8A)，使此液滴渗入特征构型(图8B)，以及随后使液滴回复至悬浮在特征构型顶部的位置(图8C)；

图9表示为获得从图5A中装置转变至图5B中装置所必须的封闭单元中流体温度随单元中初始温度和单元尺寸d而变化的图形；

图10表示为获得从图5B中装置转变至图5C中装置所必须的封闭单元中流体温度随单元中初始温度和单元尺寸d而变化的图形；

图11A和11B表示按本发明原理提出的封闭单元结构的另一实施例；

图12表示压力随图11A和11B的实施例中单元尺寸而变化的图形；

图13A和13B表示按本发明原理提出的封闭单元结构的又一实施例；

图14表示压力随图13A和13B的实施例中单元尺寸而变化的图形。

详细说明

如上所述，近来微米结构和纳米结构已被用于，当液体横越表面运动时，减少其经受的流动阻力。这样的在先微米或纳米结构可具有许多形状。例如，图1A-1E表示现有技术中应用各种方法生产的不同示例性的纳米柱布置，还表示这些不同直径的纳米柱能成形成具有不同的规律度。这些附图表示可能生产各种直径的纳米柱，且它们由各种距离加以分隔。一种生产纳米柱的示例性方法可见于Tonucci等的各为“纳米柱矩阵及其制作过程”于2001年2月13日颁布的美国专利6185961，其全部内容已通过参考包含于此文中。纳米柱已由各种方法加以生产，诸如通过应用样板以形成柱，借助各种石印术方法，以及通过各种蚀刻方法。如文中所应用的，如另有说明外，名词纳米结构/纳米柱和微米结构/微米柱可互换使用。通观其说明书全文，本领域的技术人员将意识到，应用于纳米柱或纳米结构的同一原理可等同地运用于微米柱或特征构型中其它较大的特征。

如前述Kim的文献指出的，在先将液滴位于具有纳米结构或微米结构的试图是有问题的，因为液滴经受的流动阻力太低，以致几乎不可能使水滴静止在相应表面上。如图2所示，此低流动阻力的原因是，适当液体的液滴201的表面张力(与表面结构有关)将使液滴201悬浮在纳米结构特征构型202的顶部，使液滴与在下面的固体表面203之间没有接触。虽然纳米结构202在图2中示例地为圆柱形柱，但本领域的技术人员将意识到，许多适当的几何形状，诸如圆锥形柱也同样优异。如图2中示例地所示，将液滴悬浮在纳米结构的顶部造成液滴与纳米结构表面204之间的接触面积十分小(即液滴只接触每个柱202的顶部)，因此，流动阻力十分低。

图3A表示当图2中的液滴201悬浮在纳米结构特征构型202的顶部时的宏视图。如图2一样，图3A中的液滴没有渗入特征构型202，因此，经受低的流动阻力。而图3B示例地表示图中的液滴201确实渗入特征构型202。当液滴201渗入特征构型202时，液滴变成相对地静止，即它经受较高程度的流动阻力。一般讲，例如当液滴的表面张力相当低时，液滴将渗入特征构型。因此，根据特征构型202的不同特征，本领域的技术人员能选择一种液体，使其液滴201具有适当表面张力以促进这样构型202的渗入。或替而代之，如共同拥有的未审定美国专利申请系列号10/403159披露的，此文内容已通过讨论包含于本文中，可应用各种方法减少如图3A所示的悬浮在特征构型顶部的液滴201的表面张力。

图4A和4B表示现有技术中这样一种方法的实施例，它可用于使液滴201渗入纳米结构特征构型。例如，图4A展示了图3中液滴201与特征构型202接触的面积301。根据图4A，液滴201示例性地是一种导电液体，并被位于圆锥形纳米柱的纳米结构特征构型202上。如上所述及如图3A所示的，液滴201的表面张力是这样的，以致液滴201悬浮在特征构型202的上部。在此布置中，液滴只覆盖每一纳米柱的表面面积f₁。特征构型202的纳米柱被导电基底203的表面所支承。液滴201在通过引线402由电源401施加的相对基底203的电压差下示例性地加以保持。

图4B表示，通过对液体201的导电液滴施加低电压(如10-20伏)，在液体201与特征构型202的纳米柱之间形成压差。结果，液滴201的接触角减小，液滴201在y方向沿着纳米柱的表面移动向下，渗入纳米结构特征构型202，直至它完全围绕每个纳米柱，接触基底203的上表面。在此图形中，液滴覆盖每个纳米柱的表面面积f₂。由于f₂＞＞f₁，液滴201与特征构型202的纳米柱之间的总接触面积相当大，因此，液滴201经受的流动阻力大于图4A的实施例。这样，如图4B所示，在不存在其它足以将液滴201从特征构型202上移开的力时，液滴201就有效地变成相对纳米结构特征构型而静止。

本发明人已认识到，最好能有选择地使液滴渗入特征构型，然后，能有选择地逆转这一渗入。图5A、5B和5C展示了这样一种液滴501的可选择的/可逆转的对构型504的渗入。图5A表示示例性液滴501位于由基底505支承的纳米结构或微米结构特征构型504上。液滴与特征构型之间的接触角用θ₁表示。接着，如图5B所示和以上讨论的，使液滴501渗入特征构型504。此时当液滴沿着单个单元(如纳米柱)向着基底505移动向下时，液滴与特征构型之间的接触角增加至θ₂。最后，如图5C所示，希望逆转液滴501在构型504中的渗入。这时，液滴与特征构型之间的接触角如θ₁一样小或小于θ₁。这里，液滴501与特征构型504之间的接触角示例性地用θ₃表示，这是一个比θ₁小的角。

图6A和6B分别表示根据本发明原理提出的示例性特征构型的三维视图和顶视图，它能完成图5A-5C所示的可逆渗透。特别是，在图6A和6B代表的本示例性实施例中，特征构型不包括多个相互隔开的柱。替而代之，使用了多个封闭单元，此处示例性单元具有六角形横截面。如本文应用的，名词封闭单元定义为这样的单元，除了液体放置或可放置于其上的侧边外，它在所有侧边上是封闭的。本领域的技术人员将意识到，可能有其它同样优异的单元图形和几何形状以获得同样有效的封闭单元的布置。图7A和7B表示图6A和6B的特征构型中单个示例性单元的顶视图和侧视图。特别是，根据图7A，每一单个单元701的特征是最大宽度702为宽度d，单个侧边长度703为长度d/2，和壁厚704为厚度t。根据图7B，单元701的高度705为高度h。

图8A、8B和8C以横截面表示与图6A和6B的特征构型相类似的示例性封闭单元特征构型是如何可示例性地用于使液滴801可逆地渗入特征构型。特别是，特征构型804内的每一单元，诸如具有六角形横截面的单元701，一旦液滴覆盖单元的开口时，是完全封闭的单元。这样，根据图8A，液滴放置于其上的每一这样的封闭单元包含一种流体，其初始温度T＝T₀，初始压力P＝P₀。如文中所应用的，名词流体用于既包含气体(诸如，示例性地为空气)，又包含液体，它们能位于特征构型的单元内。本发明人已认识到，通过改变单个单元，诸如单元701内的压力，液滴801或可被曳入单元，或替而代之，被推出单元。特别是，根据图8B，如果使单元701内的压力低于初始压力(即P＜P₀)，则液滴与特征构型的接触角将从θ₁增加至θ₂，在单元之上的液滴将被曳入单元一个距离，该距离与压力P减少的量有关。这样的压力减少可例如通过降低单元内流体的温度，即T＜T₀，而达到，而这样的温度降低可例如通过降低基底805和/或特征构型804的温度而达到。在此实例中，流体温度可通过熟知的传导/对流原理而降低，从而单元内的压力也将降低。本领域的技术人员将意识到，任何减少单元内压力的方法，包括任何降低单元内流体温度的方法都具有相同效果。

图8C表示通过将压力增加至初始压力P₀或高于初始压力P₀，可能逆转液滴801的渗入。同样，这样的压力增加可通过将单元内，例如在图8C的单元内的流体温度增加至大于初始温度T₀而达到。温度的增加将使单元内的压力增加至初始压力P₀之上。液滴与特征构型单元之间的接触角将从而改变至θ₃，它小于θ₁，液体将流出单元，从而将液滴801回复至与特征构型804具有十分低的流动阻力接触。同样，本领域的技术人员将意识到，任何增加单元内压力以逆转液滴801的渗透的方法，包括任何其它增加单元内流体温度的方法都具有相同效果。

图9表示为获得液滴渗入特征构型所必须的用以获得120度前移接触角(图8B中的θ₂)的温度T_trans的图形904。图9设定的单元高度h为160微米，而液滴界面张力为62mN/m。在这些条件下，图9表示对于单元内流体的初始温度(T_trans)和代表性宽度d(用曲线901、902和903表示，而在图7A和7B中用尺寸702表示)，存在一个给定温度(T_trans)，在此温度或低于此温度，液滴将渗入特征构型。例如，如果单元宽度是15微米，在图形904上用曲线902表示，单元内流体的初始温度T₀是60℃，在转变温度T_trans为15℃或以下时，在曲线902中用点905表示，压力将降低至足以引起液滴渗入的特征构型。

图10表示的图形1004具有曲线1001、1002和1003，它们代表不同的上述单元宽度d。同样，液滴的界面张力设定为62mN/m，而单元高度h设定为160微米。图10表示为获得0度接触角(图8中的θ₂)所必须的温度改变，0度接触角是理论上可获得的在液滴渗入特征构型之后用以逆转液滴渗透的最小接触角。例如，同样，对由曲线1002代表的15微米的单元宽度，对40℃的初始温度T₀(先于特征构型的任何渗透)，曲线1002上的点1005表示大致为110℃的转变温度T_trans是为增加单元内压力，将液滴的接触角逆转至0度从而获得渗透的完全逆转所必须的。本领域的技术人员将意识到，可获得不同的接触角，而在逆转渗透时，较低的转变温度一般将造成较大的接触角，所有其它的均相同。这样，许多不同的温度(低于T₀)可用于使液体渗入特征构型，同样，许多不同的温度(高于T₀)可用于逆转此渗透。

这样，前述讨论展现了如何可获得特征构型的渗透，以及如何可有选择地逆转渗透。但是，除了加速渗透逆转外，本发明人意识到，诸如前述的封闭单元特征构型对其它目的也有用。例如，这样的特征构型即使存在液滴对特征构型作用增高的压力时，也可起基本阻止任何对特征构型进行渗透的作用。这样的作用例如对水下运载装置是有用的。将上述开口单元的纳米结构特征构型应用至水下运载装置上是存档于2003年8月27日，名为“减少流体与物体间摩擦的方法和装置”的共同拥有的未审定美国专利申请系列号10/649285的主题，其全部内容已通过参考包含于本文中。

‘285申请披露了当开口单元的纳米结构特征构型应用于诸如潜艇或鱼雷的水下运载装置时，它们将惊人地降低例如由于水横越通过水下运载装置表面的流动阻力引起的摩擦(阻力)。但是，虽然这样的摩擦降低在许多情况是优异的，但本发明人已意识到，当水压超过某一阈值(与特征构型的特征有关)，水将渗入特征构型，从而可能惊人地增加在水下运载装置上的阻力。因此，本发明人进一步意识到，即使存在较高压力时，也最好能阻止水渗入特征构型。

图11A和11B表示根据本发明原理提出的一个示例性实施例，即使液体处于较高的压力下时，液体也被阻止渗入特征构型。图11A表示了一种纳米结构或微米结构特征构型的顶视图，其中每一单元具有矩形横截面。每一单元具有长度l，壁厚t和宽度r。根据图11B，每一单元还具有高度h。例如l＝10微米，t＝0.3微米，r＝4微米，而h＝0.25微米。最初，在图11A中每一单元内的压力是四周压力P₀。这样，例如在图11A和11B的特征构型位于潜水艇的表面上的情况，当潜水艇航行在水表面上时，至少部分单元将具有围绕潜水艇的空气的初始压力。但是，当潜水艇潜入水中时，如图11B示例地表示，水开始在特征构型上作用压力P₂，从而在液体与构型之间造成接触角θ。最终增大的接触角将相应地将单元内的流体(如空气)压力从P₀增大至P₁。当潜水艇的深度增加时，P₂增加，接触角θ将增加，结果，单元内压力P₁将相似地增加。在由特征构型1103的特征(如单元的长度、高度和宽度)确定的阈值，压力P₂，因而接触角θ将变得太大了，以致水1102将渗入特征构型1103，直至它接触基底1101。因此，对于图11A和11B的特征构型，在某一压力极限之前将存在一个压力范围(对于潜水艇实例来说，它对应水中深度)，在此范围水将不渗入特征构型。这样，在潜水艇情况，在不存在特征构型渗透时，水下运载装置能潜下的深度要远大于应用例如纳米柱的开口单元特征构型时的深度。结果，低流动阻力可保持的深度将远大于应用这种开口构型的情况。

图12表示的图形1204具有曲线1201、1202和1203，它们展示当单元由特定的高宽比(h/r)确定时，图11A和11B的特征构型的单元内的不同压力将形成特定的接触角。例如，曲线1201表示，对h/r＝0.18的单元，两倍于初始压力P₀的压力P₁将形成120度的接触角。曲线1202和1203表示压力P₁的变化对于给定的单元尺寸，将形成不同的接触角。本领域的技术人员将很容易地开发不同于图12所示的对于不同接触角的不同曲线。

图12还表示，对于落入图形1204中区域1205的压力和单元尺寸的组合，将没有解，这将导至特征构型的不渗透表面。这样，例如，对任何单元尺寸，当压力P₁达到5倍于初始四周压力P₀时，将导至特征构型的渗透。但是，由于这样的压力由水下运载装置，诸如潜水艇，日常所经受，因此，十分希望能在高得多的压力下阻止特征构型的渗透。

图13A和13B表示了一个示例性单元构型，它将在显著高得多的压力下阻止水渗入特征构型。如图13A所示，能承受高得多压力的特征构型的顶视图显示与图11A中的相同，确实，它与该图中实施例具有相同的长度(l＝10微米)，壁厚(t＝0.3微米)和宽度(r＝4微米)。同样，根据图13B，单个单元的高度h也与图11B的单元高度相同(0.25微米)。但是，图13B表示，替代图11B中单元是矩形的侧向截面，图13B的单元在底部是圆的，这样，每一单元只能保持少一些流体(如空气)。结果，当压力P₂升高，压缩单元内的流体时，压力P₁的上升要比图11A和11B的实施例的情况快很多。这样，单元在液体将渗入特征构型的单元之前，能承受高得多的水压。

图14表示的图形1404具有曲线1401、1402和1403，它们展示当单元由特定的高宽比(h/r)确定时，图13A和13B的特征构型的单元内的不同压力将形成特定的接触角。如在点1405可见，对高宽比约为0.12时，5倍于初始四周压力P₀的压力P₁将造成约110度的接触角。同样，点1406表示，对于稍高的单元，其高宽比为0.18，则6倍于初始四周压力P₀的压力P₁将造成120度的接触角。事实上，120度的接触角相对在没有特征构型的渗透而能承受的压力P₁是实际无限制的。因此，表面的低流动性能仍旧是完整的，在潜水艇情况，即使在大的水压/深度下，将继续经受低的摩擦(阻力)。

前述仅展示了发明的原理。因而可理解，本发明的技术人员将能设计出各种装置，虽然它们未曾在本文中明显说明，用以实施发明的原理，并位于其精神和范围内。此外，根据本文各种实施例的说明，本领域的技术人员将意识到，本发明的原理可应用于广泛不同的领域和应用。例如，本领域的技术人员将意识到，虽然以上没有清楚地说明，生产纳米结构或微米结构的其它熟知方法，诸如压花、模压、印刷等也可应用。

文中叙述方面的所有论点和发明的实施例，以及其特定实例均试图包含其功能的等同物。此外，本文所叙述的所有实例和附有条件的语言均是为了教学目的，试图快速帮助读者了解发明的原理，并不受特定叙述的实例和条件的限制而加以分析。例如，虽然以上实施例的说明仅限于讨论位于纳米结构或微米结构表面上的液滴，但本领域的技术人员将很容易意识到，上述实施例试图包含任何液体横越表面的流动，或表面通过液体的运动。此外，虽然所讨论的改变压力是用于使液体渗入特征构型，但本领域的技术人员将意识到，在先的产生渗透的方法，如降低液滴的表面张力，也将同样优异。

还有，根据前述原理，本领域的技术人员将能设计出许多不同的应用，这些应用得益于能阻止特征构型的渗透，或得益于逆转这样的渗透。最后，液体渗透进入特征构型和此渗透的逆转也可通过不同于增加或减小封闭单元内的流体的温度的其它方法加以完成。例如，可将空气吹入/吸出单元，从而分别增加/减小这些单元内的压力。