CN104349850A - 用于修改在表面上冷凝的物件和方法 - Google Patents

Abstract

本文中所述的物件和方法提供一种用于操控在表面上冷凝的方式，所述方式是通过使在所述表面上的纹理(102)微米/纳米工程化并且所述纹理特征(102)之间的空隙用稳定地保持在其间或在其内的浸渍液体(106)填充。所述物件和方法允许水或其它冷凝相的液滴(101)，即使在微米大小范围内都容易从所述表面流下，从而增强冷凝物质与冷凝表面之间的接触。已经发现，通过使用具有相对较高的表面张力的浸渍(次级)液体(106)，并且甚至更优选地，具有高表面张力和低粘度两者的浸渍液体，增强了滴状冷凝。

Description

用于修改在表面上冷凝的物件和方法

相关申请

本申请要求2012年2月29日提交的美国临时专利申请第61/605,133号的优先权和权益，并且将所述申请以其全文引用的方式并入本文中。

政府支持

本发明是在美国国家科学基金会授予的拨款号CBET 0952564下在政府支持下进行的。政府拥有本发明的某些权利。

技术领域

本发明大体上涉及增强或抑制液滴从表面流下的物件和方法。更具体地说，在某些实施例中，通过在表面的微米或纳米级纹理中封装或浸渍次级液体来提供用于操控在表面上冷凝的物件和方法。

背景技术

如果表面冷却到指定压力下的饱和温度以下，那么蒸气冷凝在表面上。冷凝相可以在表面上生长为液膜和/或液滴或液体岛状物。冷凝适用于许多工业应用，但是在某些应用中，通过促进液滴流下来抑制或防止冷凝液体在表面上的膜状累积是有用的。

关于希望冷凝的应用，膜的形成(即，膜状冷凝)可能是不利的，因为膜会充当冷凝表面与冷凝物质之间的热传递的热障碍。为了克服这种局限性，可以对表面加以改性以使得冷凝相在表面上以液滴或岛状物形式生长(即，滴状冷凝)。在滴状冷凝下，液滴凝聚并且周期性地流下，留下与冷凝物质接触的大的裸露表面，从而得到比膜状冷凝大两倍到十倍的热传递系数。在滴状冷凝机制下，可以实现170-300kW/m²的高热通量。

用于促进滴状冷凝的表面改性已经使用例如涂料(例如，二(十八烷基)二硫醚或油酸)、离子植入技术和具有微米/纳米结构的纹理化表面来实施。这类改性的常见目的是促进在冷凝表面上以大接触角形成液滴。举例来说，使用用纳米/微米结构纹理化的表面获得的超疏水表面可以使接触线阻塞(contact line pinning)降到最低。参看图1a，在附着力极小的情况下，开始与纹理化表面(例如，具有表面的峰或柱子顶部102)接触的毫米滴101可以容易地流下。然而，即使在展现大接触角的表面上，冷凝相(例如，水)也不会容易地流下，因为接触线会阻塞到所述表面。举例来说，参看图1b，冷凝液滴会形成温泽(Wenzel)状态(例如，冷凝相104围住在表面的峰形或柱子顶部102的下方)，在所述状态下，不容易实现液滴的脱阻塞，并且因此，液滴不容易流下。

存在对操控(例如，促进或抑制)在表面上冷凝的改良物件和的方法的需求。举例来说，存在对促进滴状冷凝并且液滴的阻塞极小的坚固表面的需求。

发明内容

本文中所述的物件和方法提供一种用于操控在表面上冷凝的方式，所述方式是通过在所述表面上微米/纳米工程化纹理并且所述纹理特征之间的空隙用稳定地保持在其间或在其内的浸渍液体填充。所述物件和方法允许水或其它冷凝相的液滴(例如，即使在微米大小范围内)容易从所述表面流下或流出，从而增强所述表面的热传递系数。已经发现，通过使用用微米和/或纳米结构纹理化并且具有表面张力相对较高的浸渍(次级)液体，并且甚至更优选地，具有高表面张力和低粘度两者的浸渍液体的表面，增强了滴状冷凝。

此外，在某些实施例中，可以通过在浸渍表面上或在封装次级液体中施加电场来操控发生冷凝的热力学条件。

所述物件和方法适用于涉及冷凝的各种装置，包括冷凝器、机翼、叶片、涡轮机、管道、加湿器、除湿器、雾水采集器和收集器等。

参看图1c，在某些实施例中，所述物件和方法通过包括浸渍在表面纹理内(即，封装)的次级液体106操控在表面上冷凝。次级液体封装表面纹理，从而防止冷凝相达到温泽状态。因为液体不同于气体，在大范围内的压力下是不可压缩的，所以甚至可以用相对较大的微纹理，而不需要如与先前非封装或非浸渍表面一起采用的纳米级纹理来防止冷凝相的围住。另外，次级层大大增加了冷凝相的液滴迁移率。冷凝液滴在次级液体上的迁移率增加允许液滴容易从表面流下。不同于先前需要高液滴接触角的超疏水表面，用本文中所述的表面实现的高液滴迁移率与液滴接触角无关。此外，在不同实施例中，可以在表面上形成冷凝相的温度通过在浸渍表面上或在封装次级液体中施加电场来操控。因此，可以在高于指定压力的饱和温度的温度下诱导滴状冷凝，并且可以大大提高在指定过冷温度下的滴状冷凝和/或液滴流下的速率。

在一个方面，本发明针对一种包括经配置以促进或抑制在上面冷凝和/或在上面流下冷凝液的液体浸渍表面的物件，所述表面包括特征矩阵和浸渍液体，所述特征间隔足够靠近以在其间或在其内稳定地含有浸渍液体。在一个实施例中，浸渍(次级)液体的表面张力使得浸渍液体在冷凝相(初级液体，即，冷凝液)上不扩散并且冷凝相在浸渍液体上不扩散并且不形成膜。热力学上，通过以下给出这个限制：

(γ_wa-γ_ow)＜γ_oa＜(γ_wa+γ_ow)      (1)

其中γ_wa是初级液体相对于空气的表面张力，γ_oa是浸渍液体相对于空气的表面张力，并且γ_ow是浸渍(次级)液体相对于初级液体的表面张力。

在某些实施例中，表面经配置以促进在其上冷凝和/或流下冷凝液，并且其中浸渍液体的表面张力是冷凝液的表面张力的约30％到约95％。在某些实施例中，浸渍液体的表面张力是冷凝液的表面张力的约33％到约67％。在某些实施例中，冷凝液是水。在某些实施例中，浸渍液体的表面张力是约24达因/厘米到约49达因/厘米。在某些实施例中，浸渍液体是(或含有)Krytox-1506、离子液体(例如，BMI-IM)、十四烷、十五烷、顺-十氢化萘、α-溴萘、α-氯萘、油酸乙酯、邻溴甲苯、二碘甲烷、三溴丙烷、苯基芥子油、四溴化乙炔和/或EMI-Im(C₈H₁₁F₆N₃O₄S₂)。在某些实施例中，浸渍液体的粘度不超过约500cP。在某些实施例中，浸渍液体的粘度不超过约100cP。在某些实施例中，浸渍液体的粘度不超过约50cP。在某些实施例中，特征矩阵包含分级结构。举例来说，在某些实施例中，分级结构是在上面包含纳米级特征的微米级特征。在此考虑了，在某些实施例中，在随附与此的附言中所述的液体浸渍表面的特征另外包括在以上物件的液体浸渍表面中。

在另一个方面，本发明针对一种用于增强在表面上冷凝和/或流下冷凝液的方法，所述方法包括用浸渍液体浸渍表面，所述表面包括特征矩阵和浸渍液体，所述特征间隔足够靠近以在其间或在其内稳定地含有浸渍液体。在某些实施例中，所述方法进一步包括向所述表面的至少一部分施加电场或电通量以增强冷凝和/或流下冷凝液。在某些实施例中，所述表面是上文所述的液体浸渍表面之一。

在另一个方面，本发明针对一种包括经配置以促进或抑制在上面冷凝和/或在上面流下冷凝液的液体浸渍表面的物件，所述表面包括在固体衬底上的特征矩阵和浸渍液体，所述特征在任何方向上都间隔足够靠近以在其间或在其内稳定地含有浸渍液体。在某些实施例中，浸渍液体具有相对于空气的表面张力γ_oa：(γ_wa-γ_ow)＜γ_oa＜(γ_wa+γ_ow)，其中γ_wa是冷凝液相对于空气或其它周围气体的表面张力，γ_oa是浸渍液体相对于空气或其它周围气体的表面张力，并且γ_ow是浸渍液体与冷凝液之间的界面张力。在某些实施例中，表达式(a)到(d)中的一或多者成立：

(a)(γ_wa-γ_ow)＜γ_oa＜(γ_wa+γ_ow)；

(b)γ_os/γ_ws＜[1+(γ_ow/γ_ws)((r-1)/(r-φ))]；

(c)γ_oa/γ_wa＞[1-γ_ow/γ_wa]；以及

(d)γ_oa/γ_wa＜[1+γ_ow/γ_wa]，

其中γ_wa是冷凝液相对于空气或其它周围气体的表面张力，γ_oa是浸渍液体相对于空气或其它周围气体的表面张力，γ_ow是浸渍液体与冷凝液之间的界面张力，γ_os是浸渍液体与固体衬底之间的界面张力，γ_ws是冷凝液与固体衬底之间的界面张力，r是固体衬底的实际表面积与固体衬底的投影面积的比率，并且φ是固体衬底的接触冷凝液的表面积的分数。在某些实施例中，(a)、(b)、(c)和(d)全部成立以使得浸渍液体在冷凝液上不扩散，冷凝液不移动浸渍液体，并且冷凝液在浸渍液体上不以膜状冷凝形式扩散。在某些实施例中，表面经配置以促进在其上冷凝和/或流下冷凝液，并且其中浸渍液体的表面张力是冷凝液的表面张力的约30％到约95％。在某些实施例中，浸渍液体的表面张力是冷凝液的表面张力的约33％到约67％。在某些实施例中，冷凝液是水。在某些实施例中，浸渍液体的表面张力是约24达因/厘米到约49达因/厘米。在某些实施例中，浸渍液体包含至少一个选自由以下组成的群组的成员：Krytox-1506、离子液体(例如，BMI-IM)、十四烷、十五烷、顺-十氢化萘、α-溴萘、α-氯萘、二碘甲烷、油酸乙酯、邻溴甲苯、二碘甲烷、三溴丙烷、苯基芥子油、四溴化乙炔和EMI-Im(C₈H₁₁F₆N₃O₄S₂)。在某些实施例中，浸渍液体的粘度不超过约500cP。在某些实施例中，浸渍液体的粘度不超过约100cP。在某些实施例中，浸渍液体的粘度不超过约50cP。在某些实施例中，浸渍液体在室温下的蒸气压不超过约20mm Hg。在某些实施例中，特征矩阵包含分级结构。在某些实施例中，分级结构是在上面包含纳米级特征的微米级特征。在某些实施例中，所述特征具有实质上均匀高度并且其中浸渍液体填充所述特征之间的空隙并且在所述特征的顶部上面用厚度至少约5nm的层涂布所述特征。在某些实施例中，所述特征定义孔隙或其它孔并且其中浸渍液体填充所述特征。在某些实施例中，浸渍液体在所述特征的顶部上形成稳定薄膜。在某些实施例中，矩阵具有约1微米到约100微米的特征到特征间距。在某些实施例中，特征包含至少一个选自由以下组成的群组的成员：柱子、粒子、纳米针、纳米草和无规几何形状特征。在某些实施例中，所述物件包含多个间隔开的电极，其经配置用于向液体浸渍表面施加电场或电通量。在某些实施例中，所述物件是冷凝器。在某些实施例中，固体衬底包含一或多个选自由以下组成的群组的成员：烃、聚合物、含氟聚合物、陶瓷、玻璃、玻璃纤维和金属。在某些实施例中，固体衬底是涂层。在某些实施例中，固体衬底本质上是疏水性的。

在另一个方面，本发明针对一种用于增强在表面上冷凝和/或流下冷凝液(初级液体)的方法，所述方法包括用浸渍液体(次级液体)浸渍表面，所述表面包括在固体衬底上的特征矩阵和浸渍液体，所述特征在任何方向上都间隔足够靠近以在其间或在其内稳定地含有浸渍液体。在某些实施例中，配置所述表面和/或选择所述浸渍液体以使得表达式(a)到(d)中的一或多者成立：

(a)(γ_wa-γ_ow)＜γ_oa＜(γ_wa+γ_ow)；

(b)γ_os/γ_ws＜[1+(γ_ow/γ_ws)((r-1)/(r-φ))]；

(c)γ_oa/γ_wa＞[1-γ_ow/γ_wa]；以及

(d)γ_oa/γ_wa＜[1+γ_ow/γ_wa]，

其中γ_wa是冷凝液相对于空气或其它周围气体的表面张力，γ_oa是浸渍液体相对于空气或其它周围气体的表面张力，γ_ow是浸渍液体与冷凝液之间的界面张力，γ_os是浸渍液体与固体衬底之间的界面张力，γ_ws是冷凝液与固体衬底之间的界面张力，r是固体衬底的实际表面积与固体衬底的投影面积的比率，并且φ是固体衬底的接触冷凝液的表面积的分数。在某些实施例中，(a)、(b)、(c)和(d)全部成立以使得次级液体在初级液体上不扩散，初级液体不移动次级液体，并且初级液体在次级液体上不以膜状冷凝形式扩散。在某些实施例中，选择次级液体以使得次级液体在初级液体上的扩散系数S是负的，其中S＝γ_wa-γ_oa-γ_ow，其中γ_wa是冷凝液相对于空气或其它周围气体的表面张力，γ_oa是浸渍液体相对于空气或其它周围气体的表面张力，并且γ_ow是浸渍液体与冷凝液之间的界面张力。在某些实施例中，选择次级液体以使得次级液体与初级液体具有部分混溶性，从而降低基本上由初级液体组成的初级相的表面张力并且扩散系数S是负的。在某些实施例中，所述方法进一步包括向所述表面的至少一部分施加电场或电通量。在某些实施例中，所述方法包括通过多个间隔开的电极施加电场或电通量，其中所述电极分散开以将电荷散布遍及浸渍液体中。在某些实施例中，所述表面是任一上述实施例的物件的液体浸渍表面。

关于本发明的指定方面描述的实施例的要素可以用于本发明另一个方面的各种实施例中。举例来说，在此考虑了，取决于一个独立权利要求的从属权利要求的特征可以用于其它独立权利要求中的任一者的设备和/或方法中。

附图说明

参考下文所述的图式和权利要求书，可以更好地理解本发明的目标和特征。

图1a是根据本发明的示意性实施例，初级液体(例如，冷凝相)在固体表面(例如，超疏水表面)上呈凯西(Cassie)状态的示意图，其中初级液体位于微米结构的顶部上。

图1b是根据本发明的示意性实施例，初级液体(例如，冷凝相)在固体表面(例如，超疏水表面)上呈温泽状态的示意图，其中液体可以在所述表面上的实质上每一个地方成核并且大液滴保持围住状态。

图1c是根据本发明的示意性实施例，初级液体(例如，冷凝相)在固体表面(例如，超疏水表面)上的示意图，其中次级液体浸渍到固体表面的表面纹理中，从而防止初级液体在微纹理内围住和阻塞。

图2是根据本发明的示意性实施例，具有干燥柱子顶部的经离子液体浸渍、经OTS处理的硅微柱阵列的SEM(扫描电子显微镜)图像，所述干燥柱子顶部如通过在柱子顶部上存在离子液体的非润湿液滴所指示。

图3包括根据本发明的示意性实施例，水蒸气在具有疏水性方柱阵列的超疏水表面上冷凝的一系列ESEM(环境扫描电子显微镜)图像，所述方柱的宽度、边缘到边缘间距和纵横比分别是10μm、10μm和1。

图4是用于选择针对特定固体表面与初级液体有关的次级液体的例示性向导。这个流型图涉及油、水和固体表面的表面能并且基于其比率预测初级液体的悬浮液滴将在封装表面上保持的状态。

图5包括描绘根据本发明的示意性实施例，在用两种类型的次级液体浸渍的表面上的滴状冷凝的一系列照片。

图6是根据本发明的示意性实施例，在50％相对湿度下不蒸发的水滴的ESEM图像，所述不蒸发可能是因为所述液滴被次级液体的薄膜覆盖。

图7a是比较根据本发明的示意性实施例，在用两种类型的次级液体浸渍的表面上被冷凝水滴覆盖的表面的分数的曲线。

图7b是比较根据本发明的示意性实施例，关于用两种类型次级液体浸渍的经OTS处理硅微柱阵列表面，每单位面积水滴数量的曲线。

图8是描绘根据本发明的示意性实施例，液滴在经离子液体浸渍、经OTS处理的硅微柱阵列上的冷凝的一系列图像。

图9a是根据本发明的示意性实施例，具有干燥柱子顶部的经离子液体浸渍、经OTS处理的硅微柱阵列的SEM图像，所述干燥柱子顶部如通过在柱子顶部上存在离子液体(BMI-IM)的非润湿液滴所指示。

图9b是根据本发明的示意性实施例，用离子液体完全封装的经OTS处理、经纳米纹理化微柱表面的SEM图像。

图10是描绘根据本发明的示意性实施例，液滴在用离子液体完全封装的经纳米纹理化微柱阵列上冷凝的一系列图像。

图11a是根据本发明的示意性实施例，针对以下三种不同样品，液滴速度相对于液滴大小的曲线：纯金样品；用形成悬浮滴状的次级液体浸渍的方形微柱(SMP)阵列表面；以及用形成悬浮滴状的次级液体浸渍的纳米纹理化微柱(NG-SMP)阵列。

图11b是显示根据本发明的示意性实施例，不同大小的液滴在用形成悬浮滴状的次级液体浸渍的纳米纹理化微柱(NG-SMP)阵列上如何移动的曲线。主Y轴显示不同大小的液滴所采用的角度，其中0度表示沿着重力并且180度表示与重力方向相反的液滴移动。副轴显示位移时间(液滴直径/液滴速度)，给出每一个液滴相对于其大小移动一定距离所耗费的时间。较短的位移时间表示液滴具有较高的迁移率。

图12包括根据本发明的示意性实施例，液滴在通过离子液体浸渍并且暴露于电子通量或电流的微米纹理化表面上的优选冷凝的图像。

图13包括描绘根据本发明的示意性实施例，液滴在经离子液体浸渍、经OTS处理的硅微柱阵列上的冷凝的一系列图像。

图14包括描绘根据本发明的示意性实施例，液滴在暴露于电子束的经离子液体浸渍、经OTS处理的硅微柱阵列上冷凝的两个系列的图像。

图15a是显示根据本发明的示意性实施例，针对不同电子束电压液滴，在经离子液体浸渍、经OTS处理的硅微柱阵列上形成冷凝液滴的影响区域的曲线。

图15b是显示根据本发明的示意性实施例，在暴露于电子束(15kV和1.7nA)的经离子液体浸渍、经OTS处理的硅微柱阵列上，沿着距离电子束聚焦点的径向距离，冷凝液滴的大小变化的曲线。

具体实施方式

在此考虑了，所要求的发明的设备、物件、方法和工艺涵盖使用本文中所述的实施例的信息所进行的变化和调适。相关领域的一般技术者可以执行本文中所述的设备、物件、方法和工艺的调适和/或修改。

在整份说明书中，其中将设备和物件描述为具有、包括或包含特定组件，或其中将工艺和方法描述为具有、包括或包含特定步骤，在此另外考虑了存在基本上由所述组件组成，或由所述组件组成的本发明的设备和物件，并且存在基本上由所述加工步骤组成，或由所述加工步骤组成的根据本发明的工艺和方法。

应该理解，步骤顺序或用于执行某些动作的顺序是不重要的，只要本发明保持可操作即可。另外，两个或两个以上步骤或动作可以同时进行。

本文中对任何出版物的提及(例如，在背景部分中)不是承认所述出版物充当关于本文中所存在的权利要求书中的任一项的现有技术。背景部分是出于清楚的目的而存在，并且不意味是关于任一请求项的现有技术的说明。

在名称为“液体浸渍表面、其制造方法和并有所述液体浸渍表面的装置(Liquid-Impregnated Surfaces，Methods of Making，and Devices Incorporating the Same)”的美国专利申请第13/302,356号中描述了液体浸渍表面，所述专利的揭示内容特此以其全文引用的方式并入本文中。

在某些实施例中，使用微米级特征(例如，特性尺寸是1微米到约100微米)。在某些实施例中，使用纳米级特征(例如，小于1微米，例如，1纳米到1微米)。

参看图2，在一个实验性实例中，用离子液体封装或浸渍微纹理化表面。所述表面由硅制成并且包括以10μm间隔开的10μm柱方形图案202，并且用十八烷基三氯硅烷(OTS)预处理。通过沉积并且扩散离子液体液滴并且然后允许过量的离子液体通过重力从表面流掉来进行封装。如所描绘，离子液体的弯月面轮廓204清晰可见。所述封装是非常坚固的，因为所述液体强烈附着在表面并且即使在水龙头下用喷水口喷射之后也不会泄漏。在其它实施例中，可以使用例如浸涂、旋涂、喷涂等其它方法将次级液体封装在微纹理化表面中。

如所提到的，用于促进滴状冷凝的先前方法利用超疏水表面，其降低了冷凝相与超疏水表面之间的接触面积。具体来说，冷凝相可以位于微米/纳米表面纹理的顶部上，将空气截留在冷凝液滴下方，从而降低液滴与冷凝表面之间的附着力。然而，在实际应用中，超疏水表面具有许多限制。

举例来说，在成核期间，液相或气相在下层表面上转换成冷凝相(液体或固体)。这种转换涉及分子从一个相到另一个的转变，并且因此成核的起始可以在纳米级开始。在某些实施例中，在表面上成核的液滴通常比超疏水表面的纳米/微米结构的特征大小(例如，表面上的柱子或孔隙的长度尺度)小得多。在进一步冷凝之后，液滴以它们可以变成或保持相对于表面结构围住状态的状态生长。因此，参看图3，展现凯西-巴克斯特(Cassie-Baxter)流态的表面在将预先存在的液滴引入到其表面上时可以在冷凝期间展现呈温泽流态的液滴。在不同实施例中，在超疏水表面上冷凝期间达到温泽流态的结果是这类液滴的滞后作用显著增加并且因此其从表面流下的能力下降。用氟硅烷处理图3中所描绘的表面以使其具有疏水性。然而，可以看出，液滴302呈‘围住状态’，其中它们存在或驻留在方柱304之间的区域中，而不是位于方柱的顶部上。

在某些实施例中，具有用次级液体封装或浸渍的微米结构的表面显示使与次级液体不可混溶的液滴流下的能力明显增强。发现粘度(例如，次级液体的粘度)是影响液滴从这些表面流下的能力的关键因素。在不同实施例中，用次级液体封装或浸渍表面显著提高了冷凝相从冷凝表面流下的速率。这种增强可以通过恰当选择次级液体和/或针对指定次级液体设计表面纹理来实现。

在某些实施例中，选择次级液体以提供冷凝特性增强的表面。在一个实施例中，次级液体的选择取决于初级冷凝相的材料特性。举例来说，次级液体相对于冷凝相的所希望的特点包括不可混溶性或部分混溶性(小于其重量的5％)、非反应性和/或较低的表面张力。在某些实施例中，较高的表面张力是优选的。在某些实施例中，次级液体与初级液体的部分混溶性引起初级液体的表面张力改变，使得次级液体在初级液体上的扩散系数S变成负的并且因此，次级液体在初级相上面不扩散，其中S根据方程式2定义。

S＝γ_wa-γ_oa-γ_ow         (2)

扩散系数根据部分混溶性改变并且可以用作相对于水的次级液体的这类液体的一些实例包括1，1-二苯基-乙烷、苯、离子液体(1-丁基-3-甲基咪唑鎓双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺)等。举例来说，纯水具有72达因/厘米的表面张力并且具有关于离子液体(1-丁基-3-甲基咪唑鎓双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺)的正扩散系数(22达因/厘米)。然而，添加1.3％wt/vol所述离子液体使水的表面张力变为42达因/厘米并且离子液体(1-丁基-3-甲基咪唑鎓双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺)在水上的扩散系数变为-8达因/厘米并且因此冷凝水以滴状方式形成于所述离子液体的表面上而不是被其遮盖。

现在发现用低粘度次级液体浸渍的表面比那些用高粘度次级液体浸渍的表面快得多地流下水滴。举例来说，在一个实验中，沉积在用具有低粘度(10cSt)的次级液体浸渍的表面上的10μl液滴流下液滴的速度是用具有高粘度(1000cSt)的次级液体浸渍的表面的液滴流下速度的约100倍。在这个实例中，两个表面以相同的角度(距离水平面约30°)倾斜。在某些实施例中，次级液体的粘度是约10cSt到约1000cSt。然而，关于在表面上冷凝生长，次级液体的选择还会需要考虑次级液体的其它参数，例如表面张力。

参看图4，在某些实施例中，已经开发出用于指导选择用于在指定固体表面上与特定初级液体一起使用的次级液体的数学图。当封装液体相对于固体表面的表面能(γ_os)与冷凝相相对于固体表面的表面能(γ_ws)的比率如下时：

γ_os/γ_ws＜[1+(γ_ow/γ_ws)((r-1)/(r-φ))]，      (3)

发现当引入到封装表面时，初级液体保持悬浮在封装表面的顶部上并且不移动次级(封装)液体。在方程式(3)中，r是实际面积与投影面积的比率，并且φ是固体的接触冷凝液的面积分数。然而，当以下成立时：

γ_os/γ_ws＞[1+(γ_ow/γ_ws)((r-1)/(r-φ))]，      (4)

发现初级液体移动次级液体并且阻塞在固体表面上。类似地，如果次级液体和初级液体的表面能使得：

γ_oa/γ_wa＜[1-γ_ow/γ_wa]，      (5)

那么发现次级液体将在冷凝初级液体上扩散，从而遮盖它。此外，当以下成立时：

γ_oa/γ_wa＞[1-γ_ow/γ_wa]，      (6)

次级液体不能遮盖初级液体。另外，初级相在次级膜的顶部上不以膜状冷凝形式扩散也是有利的。关于这一点，应该选择次级液体以使得次级液体和初级液体的表面能满足以下：

γ_oa/γ_wa＜[1+γ_ow/γ_wa]。         (7)

参看图5，冷凝工艺在用具有不同表面张力和类似粘度的次级液体封装或浸渍的表面上可以显著不同。在图5的顶行图像中，用真空油(KRYTOX 1506)浸渍所示表面，所述真空油在25℃的表面张力是17达因/厘米，同时其扩散系数(方程式(2)中的S)是6达因/厘米。在底行图像中，用离子液体(1-丁基-3-甲基咪唑鎓双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺)浸渍所示表面，所述离子液体在25℃的表面张力是37达因/厘米，同时如上文所提及，其在水中的扩散系数是-8达因/厘米。图像中所示的亮白色方形点是10μm柱子，以10μm间隔开。图中所示的深黑色点是冷凝在表面上的水滴。这些图像中的每一个是在相同放大倍数下和在相同条件(即，压力约800Pa，并且温度约3.7℃)下在ESEM内获得的。如所描绘，在用具有相对于水的负扩散系数的液体浸渍的表面上比在用具有相对于水的正扩散系数的液体浸渍的表面上观察到显著更多的冷凝。

在某些实施例中，通过使用具有相对较高的表面张力的次级液体使滴状冷凝达到最大。在一个实施例中，相比于冷凝相的表面张力，次级液体的表面张力是冷凝相的表面张力的约30％到约95％，或优选地是冷凝相的表面张力的约33％到约67％。举例来说，当冷凝相是水(表面张力是约73达因/厘米)时，次级液体的表面张力优选地是约24达因/厘米到约49达因/厘米。在某些实施例中，选择具有比初级冷凝相低得多的表面张力的次级液体可以使由冷凝相的液滴所产生的肉眼可见的接触角变大，从而提高液滴迁移率。然而，参看图6，次级液体的低得多的表面张力会引起次级液体602上升到冷凝相604之上并且覆盖它，因为次级液体在初级相上的扩散系数(方程式(2)中的S)可能是正的，从而充当对抗冷凝工艺的障碍。在一个实施例中，通过选择具有较高表面张力的次级液体来克服这个障碍或使其最小化。换句话说，具有较高表面张力的次级液体较不太可能覆盖冷凝相以充当冷凝和/或冷凝热传递的障碍。在另一个实施例中，通过选择与初级相具有部分混溶性以使得这种部分混溶性降低初级相的表面张力并且因此扩散系数变负的次级液体来克服这个障碍或使其最小化。

参看图7a和图7b，进行实验来研究冷凝相(例如，水)在用具有不同表面张力的次级液体浸渍的表面上的液滴生长。次级液体中的一种是对于水具有负扩散系数的离子液体(-8达因/厘米)。另一种次级液体是具有低表面张力并且对于水具有正扩散系数(6达因/厘米)的真空油。这两种次级液体具有几乎相同的粘度并且还具有比冷凝相(即，水，在25℃的表面张力＝72达因/厘米)的表面张力低的表面张力。然而，负扩散系数液体的水滴生长速率远大于在正扩散系数液体上的水滴生长速率，如通过液滴占有面积所示(图7a)。在真空油的情况下所观察到的冷凝减少可以归因于在冷凝工艺期间在冷凝相(水滴)周围形成膜。根据流型图(图4)中所用的名称，这在曲线中归结为遮盖悬浮滴状冷凝。在一个实施例中，遮盖悬浮滴状冷凝通过减少用于冷凝水的新成核位置的形成也是显著的并且还抑制了水滴之间的聚结，导致冷凝速率大大降低，如图7b中以每单位面积液滴数量与时间的形式所描绘。

虽然次级液体可以替换在微结构下方的空气并且从而通过防止液滴到达温泽流态而增强流下，但是通过冷凝形成的大液滴仍然会在微米纹理化表面上显示低迁移率。举例来说，图8包括根据本发明的一个实施例，液滴802在用平面微柱804纹理化的表面上的一系列图像。虽然次级液体的使用减小了固体表面与冷凝相之间的接触区域(例如，液滴不是处于完全温泽流态)，但是大液滴仍然可以在表面上保持阻塞状态。

参看图9a，在某些实施例中，冷凝液滴在液体浸渍表面上的低迁移率是由液滴阻塞在不存在次级液体的微米结构902上所造成的。然而，目前发现这种阻塞行为可以通过在表面上的预先存在的微米结构上引入另一层分级结构而显著减少。举例来说，参看图9b，在平面方柱904上添加纳米纹理可以由于极大毛细管压力而使次级液体润湿整个柱子。

图10包括一系列照片，所述照片显示根据某些实施例，通过在微米纹理化表面上引入另一层分级结构对冷凝所产生的影响。在所描绘的实例中，在方形微柱上引入纳米纹理使得微柱完全被离子液体封装，从而消除先前在初级冷凝相(水)与冷凝表面之间充当附着点的区域。所描绘的液滴显示出极高的迁移率并且即使微小的液滴仍沿着所述表面迅速移动。

参看图11a和图11b，在一个实验中，测量冷凝水滴在纳米纹理化微柱上的迁移率，并且观察到极高的流下速率。据发现，大小小于水的毛细管长度(约2.7mm)的液滴可以在这些表面上以约0.2mm/s到2mm/s的速度移动。从图11a所示，在金表面上的液滴迁移率是约0μm/s，并且在用对于水具有负扩散系数的液体封装的微米纹理化表面上，液滴迁移率是约20-50μm/s。然而，在方形微柱上添加纳米纹理并且用对于水具有负扩散系数的液体封装所述表面之后，即使30微米大小的液滴都能够以约200μm/s的速度移动。此外，液滴在经封装纳米纹理化微柱上的迁移率不受重力影响，因为它们可以沿着与重力方向相反的方向移动(图11b)。

在某些实施例中，通过针对指定柱大小，增加微柱阵列之间的柱间距；和/或通过针对指定阵列面积，减小柱大小，来放大或改良这种流下效应。举例来说，减小封装流体的暴露纹理表面积与暴露表面积的比率可以增加液滴的流下速度。在不同柱间距的情况下，在用离子液体完全封装的纳米纹理化微柱上观察到了对冷凝液滴的流下行为的类似作用。

在某些实施例中，关于固体表面和次级液体的各种标准提供最佳液滴流下。举例来说，固体表面和次级液体两者优选地具有比冷凝液体的表面能低的表面能。此外，固体表面优选地包括间隔足够靠近的特征矩阵，从而在其间或在其内稳定含有或浸渍液体。此外，在一个实施例中，用于稳定含有液体所需的粗糙度的量取决于所述液体在化学性质相同的平滑表面上的润湿性。举例来说，如果液体在平滑表面上形成零接触角，那么所述液体可以形成稳定的膜，即使在无纹理的情况下。然而，纹理仍然可以向所述膜提供额外的稳定性。此外，正如前面所论述的，次级液体表面张力优选地相对于冷凝相足够低，以使得次级液体在冷凝相上面不扩散。

在某些实施例中，当冷凝相是水时，合适的次级液体包括KRYTOX-1506、离子液体(例如，BMI-IM)、十四烷(γ＝26.86达因/厘米)、十五烷(γ＝27.07达因/厘米)、顺-十氢化萘(γ＝32.2达因/厘米)、α-溴萘(γ＝44.4达因/厘米)、二碘甲烷(γ＝50.8达因/厘米)、EMI-Im(C₈H₁₁F₆N₃O₄S₂)(γ＝41.6达因/厘米)、α-氯萘(γ＝41.8达因/厘米)、油酸乙酯(γ＝31.0达因/厘米)、邻溴甲苯(γ＝41.5达因/厘米)、苯基芥子油(γ＝36.16达因/厘米)等。冷凝相可以是能够在表面上冷凝的任何材料。举例来说，冷凝相可以是水、醇、汞、镓、制冷剂和其混合物。

在某些实施例中，包括通过异相成核冷凝生长的系统的自由能ΔG给出如下：

$\mathrm{\ΔG}=[-\frac{4\mathrm{\π}{r}^3{n}_L\mathrm{kT}}{3}\ln \left(\frac{p}{p_{\∞}}\right)+4\mathrm{\π}{r}^2{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{LV}}]f\left(m\right),$ 其中 $f\left(m\right)=\frac{(m^3-3m+2)}{4}---\left(8\right)$

其中r是液滴半径，n_L是每单位液体体积在衬底(固体表面)上的冷凝液滴的数量，p是蒸汽压(分压)，p_∞是在温度T的饱和蒸气压，σ_L，V是液体-蒸气界面能，并且k是波尔兹曼常数(Boltzmann′s constant)。参数m是通过m＝(σ_SV-σ_SL)/σ_LV给出的界面能的比率，其中σ_SV、σ_SL分别是衬底-蒸气界面能和衬底-液体界面能。

关于这些系统，在无规热运动下聚集在一起的水分子簇可能需要达到临界大小以维持生长。具有临界大小的晶芽在平坦表面上的异相成核的自由能垒ΔG^*和相应成核速率表示为

$\mathrm{\ΔG}*=\frac{\mathrm{\π}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{LV}}r{*}^2}{3}(2-3m+m^3);J=J_o\exp (-\mathrm{\ΔG}*/\mathrm{kT})$

其中r*以下是方程式(10)中所给出的临界半径，J是成核速率(#/(sec*m³))，并且J_o是成核速率常数(#/(sec*m³))。

参数m是通过m＝(σ_SV-σ_SL)/σ_LV给出的界面能的比率，其中σ_SV、σ_SL分别是衬底-蒸气和衬底-液体界面能。临界半径然后可以通过以下开尔文方程式(Kelvin equation)定义：

$\ln \left(\frac{p}{p_{\∞}}\right)=\frac{2{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{LV}}}{n_L\mathrm{kT}{r}^{*}}.---\left(10\right)$

参看方程式(9)，能垒会随着接触角增加而增加。因此，在指定压力下，可能需要较高的过冷度来克服超疏水表面上的这个能垒。

在各种情况下，在固体上的成核实验已经证明成核能垒远低于通过方程式(9)所预测的那些能垒。虽然不希望受特定理论束缚，但是这可能是由于纳米级不均匀性和粗糙度所致，因为表面的高表面能斑块和纳米级凹度可以充当成核位置。然而，对于在固体衬底上冷凝的起始的控制会非常低下。在一个实施例中，空间控制表面能是控制优选成核方法中的一种。

相比于固体衬底，液体表面通常是非常平滑并且均匀的，并且因此水在液体上的成核会非常符合经典理论。因此，在缺乏成核位置的情况下，疏水性液体所呈现的霜冻成核或冷凝的能垒会远高于固体所呈现的能垒。因此，在超疏水表面的纹理内浸渍液体可以防止在这些区域中成核。

在某些实施例中，通过电流的通过来控制在封装液体中成核。关于在气溶胶上冷凝，如果气溶胶粒子上面具有电荷，那么可以显著降低自由能垒。在离子或带电粒子的情况下，如方程式(8)中所给出的自由能可以表示为

$\mathrm{\ΔG}=[-\frac{4\mathrm{\π}{r}^3{n}_L\mathrm{kT}}{3}\ln \left(\frac{p}{p_{\∞}}\right)+4\mathrm{\π}{r}^2{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{LV}}]f\left(m\right)+\frac{q^2}{2}(1-\frac{1}{\mathrm{\ϵ}})(\frac{1}{r}-\frac{1}{r_o}).---\left(11\right)$

其中q是单位电荷，ε是介电常数，并且r_o是核心离子的半径。

在一个实施例中，通过使液体遭受电荷来控制在封装液体中成核。举例来说，参看图12，当电流通过用封装或次级液体微米纹理化的表面时，可以优先仅在电流所通过的区域下产生成核位置。在所描绘的实验中，电流集中在ESEM内部的极小区域1202(约40×40μm²)上。当减小放大倍数时，观察到仅在暴露于电子束的区域下发生冷凝。

此外，可以在远低于通过理论估算所预测的那些热力学条件的热力学条件下，在通过电子通量的区域中实现冷凝。举例来说，在800Pa压力下的饱和温度是约3.6℃。然而，在一个实验中，在暴露于电子通量的区域中，发现甚至在5.4℃下也发生了冷凝。在不存在电子通量的情况下，实验显示，在具有纳米纹理化微柱阵列的表面上不起始冷凝，即使当样品温度是约0℃时也不冷凝。

参看图13，在另一个实验中，水在零下温度下仍然是液体，说明水到冰的成核在浸渍表面上受到抑制。虽然实验中的样品温度是-4℃，但是液滴没有显示出冰的特征。实际上，所观察到的生长和聚结行为具有与在较高温度下冷凝的液态水所观察到的相同属性。

在一些实施例中，通过控制(i)电子通量通过样品的深度和/或(ii)电子通量的量来显著改变成核位置。举例来说，在一组实验中，通过增加ESEM中的电子枪的射束电压来增加电子通量在样品中的深度，并且通过增加电子枪的射束电流来增加电子通量。参看图14a，当冷凝表面(含次级液体)暴露于在样品中产生较深电荷穿透的条件时，在存在或不存在纳米纹理的情况下，冷凝优先发生在微柱附近。参看图14b，然而，当样品暴露于促使电荷较分散在较接近于次级液体与冷凝物质之间的界面的条件时，成核位置的数量显著增加并且这进一步增强了冷凝。在图14a和图14b中，“EHT”是指电子高压，其控制施加在扫描电子显微镜内部的电压的量。在某些实施例中，成核起始和冷凝速率的控制是在较宽范围的施加电压(例如，1-300kV)和射束电流(例如，至少10微微安)下进行的，所述施加电压和射束电流可以取决于用于产生电学条件的工具。施加电压和射束电流的最大值由可以发生次级液体的电介质分解的极限所决定。

在一些实施例中，所施加的电通量对指定区域的作用扩散到大得多的区域中并且可以在这些更大的区域中观察到冷凝。参看图15a，聚焦射束在某一点的效应根据表示实际上受所施加的电通量影响的区域的影响圈来给出。举例来说，在一组实验中，增加ESEM中的电子枪的射束电压同时电子束集中在极小区域(约10×10μm²)上，并且在暴露10分钟之后记录其效应。参看图15a，观察到水的冷凝发生在大得多的部分(约400×400μm²，在30kV的射束电压下)中。在某些实施例中，所施加的电通量可以引起电荷在封装液体内分散，这可以取决于时间。参看图15b，电子束集中在极小区域(约10×10μm²)上持续五分钟时间并且射束电压是15kV同时射束电流是1.7nA。观察到冷凝发生在更大部分(约70×70μm²)中并且发现冷凝液滴的大小远离电子束所聚焦的点几乎线性减小。这表示电荷随着时间分散在封装液体内。在某些实施例中，这种现象可以用于设计冷凝器，其中电极可以放置在彼此相距已知距离处并且每一个电极可以供应电以引起电荷人工散布在封装液体中。

本文中所述的设备、物件、方法和工艺提供优于先前超疏水表面的若干个优点。举例来说，所述方法产生的表面可以通过防止新鲜成核的液滴达到温泽状态而使液滴的阻塞降到最低并且消除。所述方法还能够提高冷凝相的流下速率，并且大小小于毛细管长度的液滴可以容易地流下。此外，先前超疏水表面由于易碎的高纵横比纳米结构而遭受耐久性问题。在用次级液体浸渍表面的方法的情况下，然而，即使低纵横比微米级特征对于许多应用来说也已经足够了，并且因此可以比先前超疏水表面在机械上更耐用得多，并且液滴流下特性类似。此外，在本文中所述的方法的情况下，即使是正常的或典型的表面纹理(即，不是通过专业制造方法制备的纹理)都可以转化成可以容易地流下水的表面。

本文中所述的方法还能够通过使用电荷或电通量来有利地控制引起冷凝的热力学条件。因此，成核起始温度、冷凝速率等可以通过使样品经历电子通量或电荷来加以控制。可以使用电通量或电场以增强聚结和流下的方式引导液滴。举例来说，可以通过使用电场迫使极小的液滴(例如，＜1mm)流下。

本文中所述的设备、物件、方法和工艺可以用于希望控制液滴冷凝的各种应用中。举例来说，使用本文中所述的方法，蒸汽涡轮机的制造者可以降低由蒸汽中所夹带的、撞击在涡轮机叶片上并且形成膜的水滴所引起的水分诱导的效率损失，从而降低功率输出。类似地，在发电厂和淡化厂中的冷凝器可以使用所述方法来促进滴状冷凝热传递。在一些实施例中，可以将防冰和防雾装置并入本文中所述的表面以抑制在其表面上冷凝。关于飞机和风力涡轮机，可以使用这些方法来减少水滴撞击在表面上的接触时间。这对于防止液滴冷冻并且例如防止使空气动力性能降级来说可能是所希望的。在制造或利用雾化器的行业中，本文中所述的表面分裂液滴的能力可以用于产生用于在引擎、农业和药物行业中应用的新雾化器。在不同实施例中，可以在建筑物或其它结构中采用这些方法来防止在表面、内部面板等的上面形成水分，从而使真菌或孢子形成降到最低。

在本文中所述的实施例中，固体衬底可以包括例如任何本质上疏水性、疏油性和/或疏金属性材料或涂层。举例来说，所述固体可以包括：烃，例如烷烃；和含氟聚合物，例如铁氟龙(teflon)、三氯(1H，1H，2H，2H-全氟辛基)硅烷(TCS)、十八烷基三氯硅烷(OTS)、十七氟-1，1，2，2-四氢癸基三氯硅烷、含氟POSS和/或其它含氟聚合物。用于所述固体的其它可能的材料或涂料包括：陶瓷、聚合材料、氟化材料、金属间化合物和复合材料。聚合材料可以包括例如聚四氟乙烯、含氟丙烯酸酯、氟尿烷(fluoroeurathane)、氟硅酮、氟硅烷、改性碳酸酯、氯硅烷、硅酮、聚二甲基硅氧烷(PDMS)和/或其组合。陶瓷可以包括例如碳化钛、氮化钛、氮化铬、氮化硼、碳化铬、碳化钼、碳氮化钛、无电镍、氮化锆、氟化二氧化硅、二氧化钛、氧化钽、氮化钽、类金刚石碳、氟化类金刚石碳和/或其组合。金属间化合物可以包括例如铝化镍、铝化钛和/或其组合。

本文中所述的特征矩阵是物理纹理或表面粗糙度。所述特征可以是无规的，包括不规则碎片形或经图案化。在某些实施例中，所述特征是微米级或纳米级特征。举例来说，所述特征的长度尺度L(例如，平均孔隙直径或平均突起部高度)可以是小于约100微米、小于约10微米、小于约1微米、小于约0.1微米或小于约0.01微米。在某些实施例中，所述特征包括柱子或其它突起部，例如球形或半球形突起部。圆形突起部可以优选用于避免尖锐的固体边缘并且将液体边缘的阻塞降到最低。举例来说，可以使用任何常规方法将所述特征引入到表面，所述方法包括机械和/或化学方法，例如光刻法、自组装和沉积。

在本文中所述的实施例中，浸渍液体可以例如基于油或基于水(即，水性)。在某些实施例中，浸渍液体是离子液体(例如，BMI-IM)。可能的浸渍液体的其它实例包括十六烷、真空泵油(例如，06/6、1506)、硅油(例如，10cSt或1000cSt)、碳氟化合物(例如，全氟三戊胺、FC-70)、剪切稀化流体、剪切增稠流体、液体聚合物、溶解聚合物、粘弹性流体和/或液体含氟POSS。在某些实施例中，浸渍液体是(或包含)液体金属、介电流体、含铁流体、磁流变(MR)流体、电流变(ER)流体、离子流体、烃液和/或碳氟化合物液体。在一个实施例中，通过引入纳米粒子使浸渍液体剪切增稠。剪切增稠浸渍液体对于例如防止围住并且抵抗撞击液体的冲击来说可以是所希望的。

为了使浸渍液体从表面蒸发降到最低，通常希望使用具有低蒸气压(例如，小于20mmHg、小于10mmHg、小于5mmHg、小于1mmHg、小于0.1mmHg、小于0.001mmHg、小于0.00001mmHg或小于0.000001mmHg)的浸渍液体。在某些实施例中，浸渍液体的凝固点低于-20℃、低于-40℃或约-60℃。在某些实施例中，浸渍液体的表面张力是约15mN/m、约20mN/m或约40mN/m。在某些实施例中，浸渍液体的粘度是约10cSt到约1000cSt。

可以使用将液体涂覆到固体的任何常规技术将浸渍液体引入到表面。在某些实施例中，使用例如浸涂、刮涂或滚涂等涂布工艺来涂覆浸渍液体。在其它实施例中，可以通过使液体材料流过表面(例如，在管道中)来引入和/或补充浸渍液体。在已经涂覆浸渍液体之后，毛细管力将液体保持在适当的位置。毛细管力大致按特征到特征的距离或孔隙半径相反地按比例缩放，并且可以设计所述特征以使得不管表面的移动并且不管空气或其它流体在表面上面的移动(例如，其中所述表面是在空气在上面冲击的飞机的外表面上，或在油和/或其它流体在其中流动的管道中)，液体都保持在适当的位置。在某些实施例中，使用纳米级特征(例如，1纳米到1微米)，其中高动力、体力、重力和/或剪切力可以迫使去除液膜，例如针对在快速流动管道中、在飞机上、在风力涡轮机叶片上等所用的表面。小型特征还可以适用于提供对冲击的坚固性和抗性。

2011年11月22日提交的代理人案号MIT-206的名称为“液体浸渍表面、其制造方法和并有所述液体浸渍表面的装置”的美国专利申请第13/302,356号以其全文引用的方式并入本文中。2011年8月5日提交的美国临时专利申请第61/515,395号也以其全文引用的方式并入本文中。

等效物

虽然已经参考特定的优选实施例特定地展示并且描述本发明，但是所属领域的技术人员应该理解，在不偏离由所附权利要求书所界定的本发明精神和范围的情况下，可以在本文中进行形式和细节的各种变化。

Claims (33)

1.一种物件，其包含经配置以促进或抑制在上面冷凝和/或在上面流下冷凝液的液体浸渍表面，所述表面包含在固体衬底上的特征矩阵和浸渍液体，所述特征间隔足够靠近以在其间或在其内稳定含有浸渍液体。

2.根据权利要求1所述的物件，其中所述浸渍液体具有相对于空气的表面张力γ_oa，其使得：

(γ_wa-γ_ow)＜γ_oa＜(γ_wa+γ_ow)

其中γ_wa是所述冷凝液相对于空气或其它周围气体的表面张力，γ_oa是所述浸渍液体相对于空气或其它周围气体的表面张力，并且γ_ow是所述浸渍液体与所述冷凝液之间的界面张力。

3.根据权利要求1或2所述的物件，其中表达式(a)到(d)中的一或多者成立：

(a)(γ_wa-γ_ow)＜γ_oa＜(γ_wa+γ_ow)；

(b)γ_os/γ_ws＜[1+(γ_ow/γ_ws)((r-1)/(r-φ))]；

(c)γ_oa/γ_wa＞[1-γ_ow/γ_wa]；以及

(d)γ_oa/γ_wa＜[1+γ_ow/γ_wa]，

其中γ_wa是所述冷凝液相对于空气或其它周围气体的表面张力，γ_oa是所述浸渍液体相对于空气或其它周围气体的表面张力，γ_ow是所述浸渍液体与所述冷凝液之间的界面张力，γ_os是所述浸渍液体与所述固体衬底之间的界面张力，γ_ws是所述冷凝液与所述固体衬底之间的界面张力，r是所述固体衬底的实际表面积与所述固体衬底的投影面积的比率，并且φ是所述固体衬底的接触所述冷凝液的表面积的分数。

4.根据前述权利要求中任一权利要求所述的物件，其中(a)、(b)、(c)和(d)全部成立以使得所述浸渍液体在所述冷凝液上不扩散，所述冷凝液不移动所述浸渍液体，并且所述冷凝液在所述浸渍液体上不以膜状冷凝形式扩散。

5.根据前述权利要求中任一权利要求所述的物件，其中所述表面经配置以促进在其上冷凝和/或流下冷凝液，并且其中所述浸渍液体的表面张力是所述冷凝液的表面张力的约30％到约95％。

6.根据权利要求5所述的物件，其中所述浸渍液体的表面张力是所述冷凝液的表面张力的约33％到约67％。

7.根据前述权利要求中任一权利要求所述的物件，其中所述冷凝液是水。

8.根据权利要求7所述的物件，其中所述浸渍液体的表面张力是约24达因/厘米到约49达因/厘米。

9.根据前述权利要求中任一权利要求所述的物件，其中所述浸渍液体包含至少一个选自由以下组成的群组的成员：Krytox-1506、离子液体(例如，BMI-IM)、十四烷、十五烷、顺-十氢化萘、α-溴萘、α-氯萘、二碘甲烷、油酸乙酯、邻溴甲苯、二碘甲烷、三溴丙烷、苯基芥子油、四溴化乙炔和EMI-Im(C₈H₁₁F₆N₃O₄S₂)。

10.根据前述权利要求中任一权利要求所述的物件，其中所述浸渍液体的粘度不超过约500cP。

11.根据权利要求10所述的物件，其中所述浸渍液体的粘度不超过约100cP。

12.根据权利要求11所述的物件，其中所述浸渍液体的粘度不超过约50cP。

13.根据前述权利要求中任一权利要求所述的物件，其中所述浸渍液体在室温下的蒸气压不超过约20mm Hg。

14.根据前述权利要求中任一权利要求所述的物件，其中所述特征矩阵包含分级结构。

15.根据权利要求14所述的物件，其中所述分级结构是在上面包含纳米级特征的微米级特征。

16.根据前述权利要求中任一权利要求所述的物件，其中所述特征具有实质上均匀高度并且其中所述浸渍液体填充所述特征之间的空隙并且在所述特征的顶部上面用厚度至少约5nm的层涂布所述特征。

17.根据前述权利要求中任一权利要求所述的物件，其中所述特征定义孔隙或其它孔并且其中所述浸渍液体填充所述特征。

18.根据前述权利要求中任一权利要求所述的物件，其中所述浸渍液体在所述特征的顶部上形成稳定薄膜。

19.根据前述权利要求中任一权利要求所述的物件，其中所述矩阵具有约1微米到约100微米的特征到特征间距。

20.根据前述权利要求中任一权利要求所述的物件，其中所述特征包含至少一个选自由以下组成的群组的成员：柱子、粒子、纳米针、纳米草和无规几何形状特征。

21.根据前述权利要求中任一权利要求所述的物件，其中所述物件包含多个间隔开的电极，所述电极经配置用于向所述液体浸渍表面施加电场或电通量。

22.根据权利要求21所述的物件，其中所述物件是冷凝器。

23.根据前述权利要求中任一权利要求所述的物件，其中所述固体衬底包含一或多个选自由以下组成的群组的成员：烃、聚合物、含氟聚合物、陶瓷、玻璃、玻璃纤维和金属。

24.根据前述权利要求中任一权利要求所述的物件，其中所述固体衬底是涂层。

25.根据前述权利要求中任一权利要求所述的物件，其中所述固体衬底本质上是疏水性的。

26.一种用于增强在表面上冷凝和/或流下冷凝液(初级液体)的方法，所述方法包含用浸渍液体(次级液体)浸渍所述表面，所述表面包含在固体衬底上的特征矩阵和所述浸渍液体，所述特征间隔足够靠近以在其间或在其内稳定含有所述浸渍液体。

27.根据权利要求26所述的方法，其中配置所述表面和/或选择所述浸渍液体以使得表达式(a)到(d)中的一或多者成立：

(a)(γ_wa-γ_ow)＜γ_oa＜(γ_wa+γ_ow)；

(b)γ_os/γ_ws＜[1+(γ_ow/γ_ws)((r-1)/(r-φ))]；

(c)γ_oa/r_wa＞[1-γ_ow/γ_wa]；以及

(d)γ_oa/γ_wa＜[1+γ_ow/γ_wa]，

其中γ_wa是所述冷凝液相对于空气或其它周围气体的表面张力，γ_oa是所述浸渍液体相对于空气或其它周围气体的表面张力，γ_ow是所述浸渍液体与所述冷凝液之间的界面张力，γ_os是所述浸渍液体与所述固体衬底之间的界面张力，γ_ws是所述冷凝液与所述固体衬底之间的界面张力，r是所述固体衬底的实际表面积与所述固体衬底的投影面积的比率，并且φ是所述固体衬底的接触所述冷凝液的表面积的分数。

28.根据权利要求27所述的方法，其中(a)、(b)、(c)和(d)全部成立以使得所述次级液体在所述初级液体上不扩散，所述初级液体不移动所述次级液体，并且所述初级液体在所述次级液体上不以膜状冷凝形式扩散。

29.根据权利要求26到28中任一权利要求所述的方法，其中选择所述次级液体以使得所述次级液体在所述初级液体上的扩散系数S是负的，其中S＝γ_wa-γ_oa-γ_ow，其中γ_wa是所述冷凝液相对于空气或其它周围气体的表面张力，γ_oa是所述浸渍液体相对于空气或其它周围气体的表面张力，并且γ_ow是所述浸渍液体与所述冷凝液之间的界面张力。

30.根据权利要求29所述的方法，其中选择所述次级液体以使得所述次级液体与所述初级液体具有部分混溶性，从而降低基本上由所述初级液体组成的初级相的表面张力并且所述扩散系数S是负的。

31.根据权利要求26到30中任一权利要求所述的方法，其进一步包含向所述表面的至少一部分施加电场或电通量。

32.根据权利要求31所述的方法，其包含通过多个间隔开的电极施加所述电场或电通量，其中所述电极分散开以将电荷散布遍及所述浸渍液体中。

33.根据权利要求26到32中任一权利要求所述的方法，其中所述表面是根据权利要求1到25中任一权利要求所述的物件的液体浸渍表面。