專利名稱：流體在納米或微米結(jié)構(gòu)表面上流動(dòng)阻力的控制方法和裝置的制作方法
發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域從總體而言，本發(fā)明涉及位于具有特別細(xì)小的預(yù)定表面特征的表面上的液體運(yùn)動(dòng)，更具體地說(shuō)，涉及位于具有預(yù)定納米結(jié)構(gòu)或微米結(jié)構(gòu)特征的表面上的液體所經(jīng)受的流動(dòng)阻力的控制。
發(fā)明的背景在數(shù)以萬(wàn)計(jì)的應(yīng)用中，許多有用的裝置的特征是至少部分具有液體，且該液體至少接觸一個(gè)固體表面。近代的應(yīng)用已聚焦于位于納米結(jié)構(gòu)或微米結(jié)構(gòu)表面上的小液滴的運(yùn)動(dòng)，這種表面可由諸如石印術(shù)或蝕刻等各種方法進(jìn)行生產(chǎn)。這樣一些表面可用于顯著降低位于表面上的液滴所經(jīng)受的流動(dòng)阻力。
一種這樣的應(yīng)用披露于文章“用于驚人地降低以液滴為基礎(chǔ)的微射流技術(shù)中流動(dòng)阻力的納米結(jié)構(gòu)表面”中，J.Kim和C.J.Kim，IEEEConf.MEMS，Las Vegas，NV，2002年1月，pp.479-482，其整個(gè)內(nèi)容已通過(guò)參考包含于本文中。該文獻(xiàn)一般地描述了如何通過(guò)應(yīng)用具有預(yù)定納米結(jié)構(gòu)特征的表面能大大降低液體接觸表面時(shí)的流動(dòng)阻力。Kim的文獻(xiàn)指出，通過(guò)對(duì)接觸液體的表面精細(xì)地進(jìn)行構(gòu)型，并應(yīng)用前述液體表面張力原理，可大大降低表面與液體之間的接觸面積。由此，液體在表面上的流動(dòng)阻力相應(yīng)地降低。但是，如Kim文獻(xiàn)中舉例指出的，對(duì)液體的流動(dòng)阻力降低至如此的程度，以致難于或不可能控制液體的流動(dòng)。因此，必須將液滴位于狹窄的通道或其它容器中，以控制液滴在預(yù)定區(qū)域內(nèi)自由流動(dòng)。
為了更好地控制位于構(gòu)型有納米結(jié)構(gòu)或微米結(jié)構(gòu)的表面上的液滴運(yùn)動(dòng)，最近已試圖依靠液滴的特征，或替而代之，依靠納米結(jié)構(gòu)或微米結(jié)構(gòu)的內(nèi)構(gòu)型特征，以控制液滴的橫向運(yùn)動(dòng)。這一控制是于2003年3月31日遞交，名為“液體在納米結(jié)構(gòu)表面上運(yùn)動(dòng)的可變控制方法和裝置”的共同擁有的未審定美國(guó)專利申請(qǐng)系列號(hào)10/403159的主題，其全部?jī)?nèi)容已通過(guò)參考包含于本文中。在該申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施例中說(shuō)明，液滴的橫向運(yùn)動(dòng)是通過(guò)對(duì)納米結(jié)構(gòu)或微米結(jié)構(gòu)的大小、形狀、密度或電性能進(jìn)行設(shè)計(jì)，以使液滴導(dǎo)向邊緣的接觸角小于液滴曳尾邊緣的接觸角而獲得的。合力的不平衡引起液滴向?qū)蜻吘壍姆较蜻\(yùn)動(dòng)。在另一實(shí)施例中，使液滴滲入要求區(qū)域的特征構(gòu)型中，以致它成為基本是靜止的。此滲透性可通過(guò)以下方法而變化，例如改變液滴的表面張力、改變液滴或構(gòu)型的溫度、改變液滴與特征構(gòu)型之間的電壓差。
如在10/403159申請(qǐng)中描述的，上述實(shí)施例中的一個(gè)或全部?jī)蓚€(gè)可能在各種應(yīng)用中有用，諸如直觀的有，生物或微化學(xué)檢測(cè)器、化學(xué)反應(yīng)器、構(gòu)型的應(yīng)用、可調(diào)衍射光柵、總體內(nèi)反射鏡、微射流技術(shù)混合器、微射流技術(shù)泵或熱耗散裝置。
這樣，上述此前的努力集中在減少液滴經(jīng)受的流動(dòng)阻力，或控制水滴橫越一個(gè)表面的運(yùn)動(dòng)。在另一最近試驗(yàn)中，納米結(jié)構(gòu)或微米結(jié)構(gòu)被用于減少物體運(yùn)動(dòng)通過(guò)流體所經(jīng)受的流動(dòng)阻力。此試驗(yàn)披露于2003年8月27日存檔的名為“減少流體與物體之間摩擦的方法和裝置”的共同擁有的未審定美國(guó)專利申請(qǐng)系列號(hào)10/649285中，其全部?jī)?nèi)容已通過(guò)參考而包含于本文中。根據(jù)在該申請(qǐng)中披露的發(fā)明的實(shí)施例，通過(guò)流體的一個(gè)機(jī)動(dòng)車，其表面至少有一部分被構(gòu)型為納米結(jié)構(gòu)或微米結(jié)構(gòu)。這樣，根據(jù)上述原理，橫越構(gòu)型表面的流動(dòng)阻力降低。還如上述一樣，通過(guò)使流體滲入構(gòu)型表面，橫越構(gòu)型表面的流動(dòng)阻力能增加。

發(fā)明內(nèi)容
雖然在先用以降低流體接觸表面的流動(dòng)阻力的試圖在許多方面是有益的，但我們意識(shí)到，如果能控制位于納米結(jié)構(gòu)或微米結(jié)構(gòu)表面上的流體的滲透程度則就更為優(yōu)異。因此，我們發(fā)明了一種方法和裝置，其中，在第一示例性實(shí)施例中，封閉單元的納米結(jié)構(gòu)或微米結(jié)構(gòu)表面以這樣的方式加以應(yīng)用，以致當(dāng)所述表面的一個(gè)或多個(gè)單元內(nèi)的至少第一流體的壓力降低至或低于要求水平時(shí)，引起位于該表面上的液滴至少部分滲入表面。在另一示例性實(shí)施例中，當(dāng)一個(gè)或多個(gè)單元內(nèi)的壓力增加至或高于要求水平時(shí)，液滴至少部分回復(fù)至其原始的、不滲入位置。這樣，液滴進(jìn)入表面的滲透可加以改變，用以獲得液滴經(jīng)受要求水平的流動(dòng)阻力。
在又另一實(shí)施例中，封閉單元結(jié)構(gòu)特征構(gòu)型用于即使當(dāng)位于表面上的流體壓力較高時(shí)，得以阻止納米結(jié)構(gòu)或微米結(jié)構(gòu)表面的滲透。
附圖概述

圖1A、1B、1C、1D和1E表示現(xiàn)有技術(shù)中各種預(yù)定納米結(jié)構(gòu)的納米結(jié)構(gòu)特征構(gòu)型，它們適用于本發(fā)明；圖2表示現(xiàn)有技術(shù)的示例裝置，其中液滴位于納米結(jié)構(gòu)或微米結(jié)構(gòu)的特征構(gòu)型上。
圖3A表示圖2A的液滴懸浮在圖3的納米結(jié)構(gòu)特征構(gòu)型上；圖3B表示圖4A的液滴滲入圖3的納米結(jié)構(gòu)特征構(gòu)型時(shí)的情況；圖4A和4B表示現(xiàn)有技術(shù)的示例裝置，此處應(yīng)用了電濕潤(rùn)原理使液滴滲入納米結(jié)構(gòu)特征構(gòu)型；圖5A、5B和5C表示按本發(fā)明原理提出的裝置，其中液滴處于懸浮在納米結(jié)構(gòu)特征構(gòu)型頂部的初始位置(圖5A)，使此液滴滲入特征構(gòu)型(圖5B)，以及隨后使液滴回復(fù)至懸浮在特征構(gòu)型頂部的位置(圖5C)；圖6A和6B表示按本發(fā)明原理提出的示例性封閉單元結(jié)構(gòu)；圖7A和7B表示圖6A和6B的示例性結(jié)構(gòu)中一個(gè)單元的細(xì)節(jié)；圖8A、8B和8C表示按本發(fā)明原理提出的裝置，其中液滴處于懸浮在納米結(jié)構(gòu)特征構(gòu)型頂部的初始位置(圖8A)，使此液滴滲入特征構(gòu)型(圖8B)，以及隨后使液滴回復(fù)至懸浮在特征構(gòu)型頂部的位置(圖8C)；圖9表示為獲得從圖5A中裝置轉(zhuǎn)變至圖5B中裝置所必須的封閉單元中流體溫度隨單元中初始溫度和單元尺寸d而變化的圖形；圖10表示為獲得從圖5B中裝置轉(zhuǎn)變至圖5C中裝置所必須的封閉單元中流體溫度隨單元中初始溫度和單元尺寸d而變化的圖形；圖11A和11B表示按本發(fā)明原理提出的封閉單元結(jié)構(gòu)的另一實(shí)施例；圖12表示壓力隨圖11A和11B的實(shí)施例中單元尺寸而變化的圖形；圖13A和13B表示按本發(fā)明原理提出的封閉單元結(jié)構(gòu)的又一實(shí)施例；圖14表示壓力隨圖13A和13B的實(shí)施例中單元尺寸而變化的圖形。
詳細(xì)說(shuō)明如上所述，近來(lái)微米結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)已被用于，當(dāng)液體橫越表面運(yùn)動(dòng)時(shí)，減少其經(jīng)受的流動(dòng)阻力。這樣的在先微米或納米結(jié)構(gòu)可具有許多形狀。例如，圖1A-1E表示現(xiàn)有技術(shù)中應(yīng)用各種方法生產(chǎn)的不同示例性的納米柱布置，還表示這些不同直徑的納米柱能成形成具有不同的規(guī)律度。這些附圖表示可能生產(chǎn)各種直徑的納米柱，且它們由各種距離加以分隔。一種生產(chǎn)納米柱的示例性方法可見于Tonucci等的各為“納米柱矩陣及其制作過(guò)程”于2001年2月13日頒布的美國(guó)專利6185961，其全部?jī)?nèi)容已通過(guò)參考包含于此文中。納米柱已由各種方法加以生產(chǎn)，諸如通過(guò)應(yīng)用樣板以形成柱，借助各種石印術(shù)方法，以及通過(guò)各種蝕刻方法。如文中所應(yīng)用的，如另有說(shuō)明外，名詞納米結(jié)構(gòu)/納米柱和微米結(jié)構(gòu)/微米柱可互換使用。通觀其說(shuō)明書全文，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將意識(shí)到，應(yīng)用于納米柱或納米結(jié)構(gòu)的同一原理可等同地運(yùn)用于微米柱或特征構(gòu)型中其它較大的特征。
如前述Kim的文獻(xiàn)指出的，在先將液滴位于具有納米結(jié)構(gòu)或微米結(jié)構(gòu)的試圖是有問題的，因?yàn)橐旱谓?jīng)受的流動(dòng)阻力太低，以致幾乎不可能使水滴靜止在相應(yīng)表面上。如圖2所示，此低流動(dòng)阻力的原因是，適當(dāng)液體的液滴201的表面張力(與表面結(jié)構(gòu)有關(guān))將使液滴201懸浮在納米結(jié)構(gòu)特征構(gòu)型202的頂部，使液滴與在下面的固體表面203之間沒有接觸。雖然納米結(jié)構(gòu)202在圖2中示例地為圓柱形柱，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員將意識(shí)到，許多適當(dāng)?shù)膸缀涡螤?，諸如圓錐形柱也同樣優(yōu)異。如圖2中示例地所示，將液滴懸浮在納米結(jié)構(gòu)的頂部造成液滴與納米結(jié)構(gòu)表面204之間的接觸面積十分小(即液滴只接觸每個(gè)柱202的頂部)，因此，流動(dòng)阻力十分低。
圖3A表示當(dāng)圖2中的液滴201懸浮在納米結(jié)構(gòu)特征構(gòu)型202的頂部時(shí)的宏視圖。如圖2一樣，圖3A中的液滴沒有滲入特征構(gòu)型202，因此，經(jīng)受低的流動(dòng)阻力。而圖3B示例地表示圖中的液滴201確實(shí)滲入特征構(gòu)型202。當(dāng)液滴201滲入特征構(gòu)型202時(shí)，液滴變成相對(duì)地靜止，即它經(jīng)受較高程度的流動(dòng)阻力。一般講，例如當(dāng)液滴的表面張力相當(dāng)?shù)蜁r(shí)，液滴將滲入特征構(gòu)型。因此，根據(jù)特征構(gòu)型202的不同特征，本領(lǐng)域的技術(shù)人員能選擇一種液體，使其液滴201具有適當(dāng)表面張力以促進(jìn)這樣構(gòu)型202的滲入?；蛱娑绻餐瑩碛械奈磳彾绹?guó)專利申請(qǐng)系列號(hào)10/403159披露的，此文內(nèi)容已通過(guò)討論包含于本文中，可應(yīng)用各種方法減少如圖3A所示的懸浮在特征構(gòu)型頂部的液滴201的表面張力。
圖4A和4B表示現(xiàn)有技術(shù)中這樣一種方法的實(shí)施例，它可用于使液滴201滲入納米結(jié)構(gòu)特征構(gòu)型。例如，圖4A展示了圖3中液滴201與特征構(gòu)型202接觸的面積301。根據(jù)圖4A，液滴201示例性地是一種導(dǎo)電液體，并被位于圓錐形納米柱的納米結(jié)構(gòu)特征構(gòu)型202上。如上所述及如圖3A所示的，液滴201的表面張力是這樣的，以致液滴201懸浮在特征構(gòu)型202的上部。在此布置中，液滴只覆蓋每一納米柱的表面面積f1。特征構(gòu)型202的納米柱被導(dǎo)電基底203的表面所支承。液滴201在通過(guò)引線402由電源401施加的相對(duì)基底203的電壓差下示例性地加以保持。
圖4B表示，通過(guò)對(duì)液體201的導(dǎo)電液滴施加低電壓(如10-20伏)，在液體201與特征構(gòu)型202的納米柱之間形成壓差。結(jié)果，液滴201的接觸角減小，液滴201在y方向沿著納米柱的表面移動(dòng)向下，滲入納米結(jié)構(gòu)特征構(gòu)型202，直至它完全圍繞每個(gè)納米柱，接觸基底203的上表面。在此圖形中，液滴覆蓋每個(gè)納米柱的表面面積f2。由于f2＞＞f1，液滴201與特征構(gòu)型202的納米柱之間的總接觸面積相當(dāng)大，因此，液滴201經(jīng)受的流動(dòng)阻力大于圖4A的實(shí)施例。這樣，如圖4B所示，在不存在其它足以將液滴201從特征構(gòu)型202上移開的力時(shí)，液滴201就有效地變成相對(duì)納米結(jié)構(gòu)特征構(gòu)型而靜止。
本發(fā)明人已認(rèn)識(shí)到，最好能有選擇地使液滴滲入特征構(gòu)型，然后，能有選擇地逆轉(zhuǎn)這一滲入。圖5A、5B和5C展示了這樣一種液滴501的可選擇的/可逆轉(zhuǎn)的對(duì)構(gòu)型504的滲入。圖5A表示示例性液滴501位于由基底505支承的納米結(jié)構(gòu)或微米結(jié)構(gòu)特征構(gòu)型504上。液滴與特征構(gòu)型之間的接觸角用θ1表示。接著，如圖5B所示和以上討論的，使液滴501滲入特征構(gòu)型504。此時(shí)當(dāng)液滴沿著單個(gè)單元(如納米柱)向著基底505移動(dòng)向下時(shí)，液滴與特征構(gòu)型之間的接觸角增加至θ2。最后，如圖5C所示，希望逆轉(zhuǎn)液滴501在構(gòu)型504中的滲入。這時(shí)，液滴與特征構(gòu)型之間的接觸角如θ1一樣小或小于θ1。這里，液滴501與特征構(gòu)型504之間的接觸角示例性地用θ3表示，這是一個(gè)比θ1小的角。
圖6A和6B分別表示根據(jù)本發(fā)明原理提出的示例性特征構(gòu)型的三維視圖和頂視圖，它能完成圖5A-5C所示的可逆滲透。特別是，在圖6A和6B代表的本示例性實(shí)施例中，特征構(gòu)型不包括多個(gè)相互隔開的柱。替而代之，使用了多個(gè)封閉單元，此處示例性單元具有六角形橫截面。如本文應(yīng)用的，名詞封閉單元定義為這樣的單元，除了液體放置或可放置于其上的側(cè)邊外，它在所有側(cè)邊上是封閉的。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將意識(shí)到，可能有其它同樣優(yōu)異的單元圖形和幾何形狀以獲得同樣有效的封閉單元的布置。圖7A和7B表示圖6A和6B的特征構(gòu)型中單個(gè)示例性單元的頂視圖和側(cè)視圖。特別是，根據(jù)圖7A，每一單個(gè)單元701的特征是最大寬度702為寬度d，單個(gè)側(cè)邊長(zhǎng)度703為長(zhǎng)度d/2，和壁厚704為厚度t。根據(jù)圖7B，單元701的高度705為高度h。
圖8A、8B和8C以橫截面表示與圖6A和6B的特征構(gòu)型相類似的示例性封閉單元特征構(gòu)型是如何可示例性地用于使液滴801可逆地滲入特征構(gòu)型。特別是，特征構(gòu)型804內(nèi)的每一單元，諸如具有六角形橫截面的單元701，一旦液滴覆蓋單元的開口時(shí)，是完全封閉的單元。這樣，根據(jù)圖8A，液滴放置于其上的每一這樣的封閉單元包含一種流體，其初始溫度T＝T0，初始?jí)毫＝P0。如文中所應(yīng)用的，名詞流體用于既包含氣體(諸如，示例性地為空氣)，又包含液體，它們能位于特征構(gòu)型的單元內(nèi)。本發(fā)明人已認(rèn)識(shí)到，通過(guò)改變單個(gè)單元，諸如單元701內(nèi)的壓力，液滴801或可被曳入單元，或替而代之，被推出單元。特別是，根據(jù)圖8B，如果使單元701內(nèi)的壓力低于初始?jí)毫?即P＜P0)，則液滴與特征構(gòu)型的接觸角將從θ1增加至θ2，在單元之上的液滴將被曳入單元一個(gè)距離，該距離與壓力P減少的量有關(guān)。這樣的壓力減少可例如通過(guò)降低單元內(nèi)流體的溫度，即T＜T0，而達(dá)到，而這樣的溫度降低可例如通過(guò)降低基底805和/或特征構(gòu)型804的溫度而達(dá)到。在此實(shí)例中，流體溫度可通過(guò)熟知的傳導(dǎo)/對(duì)流原理而降低，從而單元內(nèi)的壓力也將降低。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將意識(shí)到，任何減少單元內(nèi)壓力的方法，包括任何降低單元內(nèi)流體溫度的方法都具有相同效果。
圖8C表示通過(guò)將壓力增加至初始?jí)毫0或高于初始?jí)毫0，可能逆轉(zhuǎn)液滴801的滲入。同樣，這樣的壓力增加可通過(guò)將單元內(nèi)，例如在圖8C的單元內(nèi)的流體溫度增加至大于初始溫度T0而達(dá)到。溫度的增加將使單元內(nèi)的壓力增加至初始?jí)毫0之上。液滴與特征構(gòu)型單元之間的接觸角將從而改變至θ3，它小于θ1，液體將流出單元，從而將液滴801回復(fù)至與特征構(gòu)型804具有十分低的流動(dòng)阻力接觸。同樣，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將意識(shí)到，任何增加單元內(nèi)壓力以逆轉(zhuǎn)液滴801的滲透的方法，包括任何其它增加單元內(nèi)流體溫度的方法都具有相同效果。
圖9表示為獲得液滴滲入特征構(gòu)型所必須的用以獲得120度前移接觸角(圖8B中的θ2)的溫度Ttrans的圖形904。圖9設(shè)定的單元高度h為160微米，而液滴界面張力為62mN/m。在這些條件下，圖9表示對(duì)于單元內(nèi)流體的初始溫度(Ttrans)和代表性寬度d(用曲線901、902和903表示，而在圖7A和7B中用尺寸702表示)，存在一個(gè)給定溫度(Ttrans)，在此溫度或低于此溫度，液滴將滲入特征構(gòu)型。例如，如果單元寬度是15微米，在圖形904上用曲線902表示，單元內(nèi)流體的初始溫度T0是60℃，在轉(zhuǎn)變溫度Ttrans為15℃或以下時(shí)，在曲線902中用點(diǎn)905表示，壓力將降低至足以引起液滴滲入的特征構(gòu)型。
圖10表示的圖形1004具有曲線1001、1002和1003，它們代表不同的上述單元寬度d。同樣，液滴的界面張力設(shè)定為62mN/m，而單元高度h設(shè)定為160微米。圖10表示為獲得0度接觸角(圖8中的θ2)所必須的溫度改變，0度接觸角是理論上可獲得的在液滴滲入特征構(gòu)型之后用以逆轉(zhuǎn)液滴滲透的最小接觸角。例如，同樣，對(duì)由曲線1002代表的15微米的單元寬度，對(duì)40℃的初始溫度T0(先于特征構(gòu)型的任何滲透)，曲線1002上的點(diǎn)1005表示大致為110℃的轉(zhuǎn)變溫度Ttrans是為增加單元內(nèi)壓力，將液滴的接觸角逆轉(zhuǎn)至0度從而獲得滲透的完全逆轉(zhuǎn)所必須的。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將意識(shí)到，可獲得不同的接觸角，而在逆轉(zhuǎn)滲透時(shí)，較低的轉(zhuǎn)變溫度一般將造成較大的接觸角，所有其它的均相同。這樣，許多不同的溫度(低于T0)可用于使液體滲入特征構(gòu)型，同樣，許多不同的溫度(高于T0)可用于逆轉(zhuǎn)此滲透。
這樣，前述討論展現(xiàn)了如何可獲得特征構(gòu)型的滲透，以及如何可有選擇地逆轉(zhuǎn)滲透。但是，除了加速滲透逆轉(zhuǎn)外，本發(fā)明人意識(shí)到，諸如前述的封閉單元特征構(gòu)型對(duì)其它目的也有用。例如，這樣的特征構(gòu)型即使存在液滴對(duì)特征構(gòu)型作用增高的壓力時(shí)，也可起基本阻止任何對(duì)特征構(gòu)型進(jìn)行滲透的作用。這樣的作用例如對(duì)水下運(yùn)載裝置是有用的。將上述開口單元的納米結(jié)構(gòu)特征構(gòu)型應(yīng)用至水下運(yùn)載裝置上是存檔于2003年8月27日，名為“減少流體與物體間摩擦的方法和裝置”的共同擁有的未審定美國(guó)專利申請(qǐng)系列號(hào)10/649285的主題，其全部?jī)?nèi)容已通過(guò)參考包含于本文中。
‘285申請(qǐng)披露了當(dāng)開口單元的納米結(jié)構(gòu)特征構(gòu)型應(yīng)用于諸如潛艇或魚雷的水下運(yùn)載裝置時(shí)，它們將驚人地降低例如由于水橫越通過(guò)水下運(yùn)載裝置表面的流動(dòng)阻力引起的摩擦(阻力)。但是，雖然這樣的摩擦降低在許多情況是優(yōu)異的，但本發(fā)明人已意識(shí)到，當(dāng)水壓超過(guò)某一閾值(與特征構(gòu)型的特征有關(guān))，水將滲入特征構(gòu)型，從而可能驚人地增加在水下運(yùn)載裝置上的阻力。因此，本發(fā)明人進(jìn)一步意識(shí)到，即使存在較高壓力時(shí)，也最好能阻止水滲入特征構(gòu)型。
圖11A和11B表示根據(jù)本發(fā)明原理提出的一個(gè)示例性實(shí)施例，即使液體處于較高的壓力下時(shí)，液體也被阻止?jié)B入特征構(gòu)型。圖11A表示了一種納米結(jié)構(gòu)或微米結(jié)構(gòu)特征構(gòu)型的頂視圖，其中每一單元具有矩形橫截面。每一單元具有長(zhǎng)度l，壁厚t和寬度r。根據(jù)圖11B，每一單元還具有高度h。例如l＝10微米，t＝0.3微米，r＝4微米，而h＝0.25微米。最初，在圖11A中每一單元內(nèi)的壓力是四周壓力P0。這樣，例如在圖11A和11B的特征構(gòu)型位于潛水艇的表面上的情況，當(dāng)潛水艇航行在水表面上時(shí)，至少部分單元將具有圍繞潛水艇的空氣的初始?jí)毫?。但是，?dāng)潛水艇潛入水中時(shí)，如圖11B示例地表示，水開始在特征構(gòu)型上作用壓力P2，從而在液體與構(gòu)型之間造成接觸角θ。最終增大的接觸角將相應(yīng)地將單元內(nèi)的流體(如空氣)壓力從P0增大至P1。當(dāng)潛水艇的深度增加時(shí)，P2增加，接觸角θ將增加，結(jié)果，單元內(nèi)壓力P1將相似地增加。在由特征構(gòu)型1103的特征(如單元的長(zhǎng)度、高度和寬度)確定的閾值，壓力P2，因而接觸角θ將變得太大了，以致水1102將滲入特征構(gòu)型1103，直至它接觸基底1101。因此，對(duì)于圖11A和11B的特征構(gòu)型，在某一壓力極限之前將存在一個(gè)壓力范圍(對(duì)于潛水艇實(shí)例來(lái)說(shuō)，它對(duì)應(yīng)水中深度)，在此范圍水將不滲入特征構(gòu)型。這樣，在潛水艇情況，在不存在特征構(gòu)型滲透時(shí)，水下運(yùn)載裝置能潛下的深度要遠(yuǎn)大于應(yīng)用例如納米柱的開口單元特征構(gòu)型時(shí)的深度。結(jié)果，低流動(dòng)阻力可保持的深度將遠(yuǎn)大于應(yīng)用這種開口構(gòu)型的情況。
圖12表示的圖形1204具有曲線1201、1202和1203，它們展示當(dāng)單元由特定的高寬比(h/r)確定時(shí)，圖11A和11B的特征構(gòu)型的單元內(nèi)的不同壓力將形成特定的接觸角。例如，曲線1201表示，對(duì)h/r＝0.18的單元，兩倍于初始?jí)毫0的壓力P1將形成120度的接觸角。曲線1202和1203表示壓力P1的變化對(duì)于給定的單元尺寸，將形成不同的接觸角。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將很容易地開發(fā)不同于圖12所示的對(duì)于不同接觸角的不同曲線。
圖12還表示，對(duì)于落入圖形1204中區(qū)域1205的壓力和單元尺寸的組合，將沒有解，這將導(dǎo)至特征構(gòu)型的不滲透表面。這樣，例如，對(duì)任何單元尺寸，當(dāng)壓力P1達(dá)到5倍于初始四周壓力P0時(shí)，將導(dǎo)至特征構(gòu)型的滲透。但是，由于這樣的壓力由水下運(yùn)載裝置，諸如潛水艇，日常所經(jīng)受，因此，十分希望能在高得多的壓力下阻止特征構(gòu)型的滲透。
圖13A和13B表示了一個(gè)示例性單元構(gòu)型，它將在顯著高得多的壓力下阻止水滲入特征構(gòu)型。如圖13A所示，能承受高得多壓力的特征構(gòu)型的頂視圖顯示與圖11A中的相同，確實(shí)，它與該圖中實(shí)施例具有相同的長(zhǎng)度(l＝10微米)，壁厚(t＝0.3微米)和寬度(r＝4微米)。同樣，根據(jù)圖13B，單個(gè)單元的高度h也與圖11B的單元高度相同(0.25微米)。但是，圖13B表示，替代圖11B中單元是矩形的側(cè)向截面，圖13B的單元在底部是圓的，這樣，每一單元只能保持少一些流體(如空氣)。結(jié)果，當(dāng)壓力P2升高，壓縮單元內(nèi)的流體時(shí)，壓力P1的上升要比圖11A和11B的實(shí)施例的情況快很多。這樣，單元在液體將滲入特征構(gòu)型的單元之前，能承受高得多的水壓。
圖14表示的圖形1404具有曲線1401、1402和1403，它們展示當(dāng)單元由特定的高寬比(h/r)確定時(shí)，圖13A和13B的特征構(gòu)型的單元內(nèi)的不同壓力將形成特定的接觸角。如在點(diǎn)1405可見，對(duì)高寬比約為0.12時(shí)，5倍于初始四周壓力P0的壓力P1將造成約110度的接觸角。同樣，點(diǎn)1406表示，對(duì)于稍高的單元，其高寬比為0.18，則6倍于初始四周壓力P0的壓力P1將造成120度的接觸角。事實(shí)上，120度的接觸角相對(duì)在沒有特征構(gòu)型的滲透而能承受的壓力P1是實(shí)際無(wú)限制的。因此，表面的低流動(dòng)性能仍舊是完整的，在潛水艇情況，即使在大的水壓/深度下，將繼續(xù)經(jīng)受低的摩擦(阻力)。
前述僅展示了發(fā)明的原理。因而可理解，本發(fā)明的技術(shù)人員將能設(shè)計(jì)出各種裝置，雖然它們未曾在本文中明顯說(shuō)明，用以實(shí)施發(fā)明的原理，并位于其精神和范圍內(nèi)。此外，根據(jù)本文各種實(shí)施例的說(shuō)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將意識(shí)到，本發(fā)明的原理可應(yīng)用于廣泛不同的領(lǐng)域和應(yīng)用。例如，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將意識(shí)到，雖然以上沒有清楚地說(shuō)明，生產(chǎn)納米結(jié)構(gòu)或微米結(jié)構(gòu)的其它熟知方法，諸如壓花、模壓、印刷等也可應(yīng)用。
文中敘述方面的所有論點(diǎn)和發(fā)明的實(shí)施例，以及其特定實(shí)例均試圖包含其功能的等同物。此外，本文所敘述的所有實(shí)例和附有條件的語(yǔ)言均是為了教學(xué)目的，試圖快速幫助讀者了解發(fā)明的原理，并不受特定敘述的實(shí)例和條件的限制而加以分析。例如，雖然以上實(shí)施例的說(shuō)明僅限于討論位于納米結(jié)構(gòu)或微米結(jié)構(gòu)表面上的液滴，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員將很容易意識(shí)到，上述實(shí)施例試圖包含任何液體橫越表面的流動(dòng)，或表面通過(guò)液體的運(yùn)動(dòng)。此外，雖然所討論的改變壓力是用于使液體滲入特征構(gòu)型，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員將意識(shí)到，在先的產(chǎn)生滲透的方法，如降低液滴的表面張力，也將同樣優(yōu)異。
還有，根據(jù)前述原理，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將能設(shè)計(jì)出許多不同的應(yīng)用，這些應(yīng)用得益于能阻止特征構(gòu)型的滲透，或得益于逆轉(zhuǎn)這樣的滲透。最后，液體滲透進(jìn)入特征構(gòu)型和此滲透的逆轉(zhuǎn)也可通過(guò)不同于增加或減小封閉單元內(nèi)的流體的溫度的其它方法加以完成。例如，可將空氣吹入/吸出單元，從而分別增加/減小這些單元內(nèi)的壓力。
權(quán)利要求
1.一種裝置，這種裝置包括基底，具有至少一個(gè)第一表面；和多個(gè)單元，按預(yù)定的特征構(gòu)型位于所述至少一個(gè)第一表面上，用于改變位于所述多個(gè)單元內(nèi)至少一個(gè)第一流體的壓力的機(jī)構(gòu)，以便使一所選液體改變所述特征構(gòu)型的滲透程度。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述多個(gè)單元中的每一單元具有小于1毫米的至少一個(gè)第一尺寸。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述多個(gè)單元中的每一單元具有小于1微米的至少一個(gè)第一尺寸。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，改變至少第一流體的壓力的所述機(jī)構(gòu)包括改變所述至少第一流體的溫度的機(jī)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，改變至少第一流體的壓力的所述機(jī)構(gòu)包括將不等量的所述流體分別注入和取出所述單元的機(jī)構(gòu)。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，改變至少第一流體的壓力的機(jī)構(gòu)包括在所述特征構(gòu)型上放置一種液體，使得在所述液體的壓力改變時(shí)，所述流體的壓力改變。
7.一種方法，用于控制基底的至少第一表面上的摩擦，所述表面包括多個(gè)按預(yù)定特征構(gòu)型設(shè)置的單元，所述方法包括以如下方式改變所述多個(gè)單元中至少一個(gè)單元中的至少第一流體的壓力，即，使接觸所述單元的液體可變量地進(jìn)入和流出單元。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述壓力通過(guò)改變所述至少一個(gè)單元內(nèi)流體的溫度而改變。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述多個(gè)單元中的每一單元具有小于1毫米的至少一個(gè)第一尺寸。
10.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述多個(gè)單元中的每一單元具有小于1微米的至少一個(gè)第一尺寸。
全文摘要
披露了一種方法和裝置，其中位于納米結(jié)構(gòu)或微米結(jié)構(gòu)表面上的液滴的流動(dòng)阻力受到控制。封閉單元特征以這樣的方式加以應(yīng)用，以致當(dāng)所述表面的一個(gè)或多個(gè)單元內(nèi)的至少第一流體的壓力降低至或低于要求水平時(shí)，引起位于該表面上的液滴至少部分滲入表面。在另一示例性實(shí)施例中，在一個(gè)或多個(gè)單元內(nèi)的壓力增加至或高于要求的水平時(shí)，從而液滴至少部分回復(fù)至其原始的、不滲入的位置。在又另一實(shí)施例中，封閉單元結(jié)構(gòu)特征構(gòu)型用于即使當(dāng)位于表面上的流體壓力較高時(shí)，得以阻止納米結(jié)構(gòu)或微米結(jié)構(gòu)的表面的滲透。
文檔編號(hào)B81B1/00GK1603226SQ20041001207
公開日2005年4月6日 申請(qǐng)日期2004年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月30日
發(fā)明者馬克·S·霍茲, 保羅·R·科洛德納, 季莫費(fèi)·N·克勞潘基納, 阿倫·M·萊昂斯, 瑪麗·L·曼迪奇, 約瑟夫·A·泰勒 申請(qǐng)人:朗迅科技公司