ختم قابلة الطباعة وتصنيع الأسطح هيميويكينج
Summary
وينص بروتوكول بسيط تصنيع هياكل هيميويكينج متفاوتة الأحجام والأشكال والمواد. البروتوكول يستخدم مزيجاً من ختم المادية، PDMS صب، وغشاء رقيق التعديلات السطحية عن طريق مواد ترسب التقنيات الشائعة.
Abstract
هيميويكينج هو عملية حيث ويتس سائل على سطح منقوشة يتجاوز طوله ترطيب طبيعية نتيجة لمزيج من الإجراءات الشعرية وإيمبيبيتيون. المهم هذه الظاهرة التبول في العديد من الميادين التقنية التي تتراوح بين علم وظائف الأعضاء للهندسة الفضائية. حاليا، توجد عدة تقنيات مختلفة لاختلاق الهياكل هيميويكينج. هذه الأساليب التقليدية، بيد غالباً ما تستغرق وقتاً طويلاً ويصعب الصعود لمناطق كبيرة أو من الصعب تخصيص للهندسات الزخرفة نونهوموجينيوس ومحددة. ويوفر البروتوكول قدم الباحثين مع بسيطة وقابلة للتطوير، وطريقة فعالة من حيث التكلفة لاختلاق الأسطح الصغيرة المنقوشة هيميويكينج. الأسلوب تلفيق فتل الهياكل من خلال استخدام طباعة الطوابع وبولي دايمثيل سيلوكسان (PDMS) صب وطلاء السطح غشاء رقيق. ويتجلى البروتوكول هيميويكينج مع الإيثانول على صفائف ميكروبيلار PDMS مغطاة بطبقة 70 نانومتر سميكة ألومنيوم غشاء رقيق.
Introduction
وقد حدث مؤخرا زيادة الاهتمام بالقدرة على التحكم بنشاط وسلبية على حد سواء التبول، التبخر، وخلط السوائل. هيميويكينج فريد محكم أسطح توفر حلاً رواية للتبريد تقنيات لأن هذه الأسطح مزخرفة بمثابة مضخة السوائل (و/أو الحرارة) دون أجزاء متحركة. هذا حركة السوائل محكوم بسلسلة أحداث عمل الشعرية المرتبطة بدينامية انحناء غشاء رقيق السائل. وبصفة عامة، عندما ويتس سائل سطح صلب، منحنى سائل غشاء رقيق (أي سائل غضروف) سرعة أشكال. سمك السائل وانحناء الشخصية تتطور حتى يتم التوصل إلى حد أدنى من الطاقة مجاناً. للإشارة، هذه الشخصية ديناميكية التبول يمكن سرعة تسوس عشرات نانومتر في سمك داخل الامتداد (السوائل-ترطيب) طول-مقياس فقط عشرات ميكرومتر. وهكذا، يمكن الخضوع لهذه المنطقة الانتقالية (سائل-فيلم) تغييرات كبيرة في واجهة السائل انحناء. المنطقة الانتقالية (غشاء رقيق) التي ينشأ فيها ما يقرب من جميع الفيزياء الحيوية والكيمياء. على وجه الخصوص، المنطقة الانتقالية (غشاء رقيق) حيث توجد معدلات التبخر كحد أقصى (1)، (2) ديس الانضمام الضغط التدرجات والتدرجات الضغط الهيدروليكي (3)1،2. نتيجة لذلك منحنى السائل-الأفلام تلعب دوراً حيويا في النقل الحراري، وانفصال، والقلاقل السوائل وخلط السوائل المتعددة العناصر. على سبيل المثال، فيما يتعلق بنقل الحرارة، لوحظت تدفقات الحرارة الجدار أعلى في هذه المنطقة غشاء رقيق منحنى عاليا، والانتقالية4،3،5،،من67.
وقد أظهرت الدراسات هيميويكينج الحديثة أن الهندسة (مثلاً، الارتفاع، القطر، إلخ) ووضع دعائم تحديد الشخصية الجبهة التبول وسرعة السائل قيد التشغيل من خلال هياكل8. كما يتم التبخر الجبهة السائل قبالة نهاية هيكل آخر في صفيف، يتم الاحتفاظ الجبهة السوائل في مسافة ثابتة وانحناء، كما هو يجري استبدال السوائل المتبخرة من السوائل المخزنة في هياكل فتل9. هياكل هيميويكينج أيضا قد استخدمت في أنابيب الحرارة وعلى أسطح المغلي لتحليل وتحسين آليات نقل الحرارة المختلفة. 10 , 11 , 12.
هو أسلوب واحد المستخدمة حاليا لإنشاء هياكل فتل البصمة الحرارية الطباعة الحجرية13. يتم تنفيذ هذا الأسلوب بختم على التخطيط المطلوب إلى طبقة مقاومة في عينة قالب سليكون مع طابع بوليمر حرارية، ثم إزالة الطابع الاحتفاظ المجهرية. بمجرد إزالة، يتم وضع العينة عن طريق أيون رد الفعل النقش عملية لإزالة أي من ال14،طبقة مقاومة الزائدة15. هذه العملية، ومع ذلك، يمكن أن تكون حساسة لدرجة الحرارة لتصنيع هياكل فتل ويتضمن العديد من الخطوات التي تستخدم الطلاء المختلفة ضمان دقة هياكل فتل16. كما أنها الحالة التي لا تكون تقنيات الطباعة الحجرية عمليا بالنسبة للحجم الكلي الزخرفة؛ وفي حين أنها لا تزال توفر طريقة لإنشاء نمط من المجهرية على سطح، الإنتاجية من هذا الإجراء أقل بكثير من مثالي للاستنساخ على نطاق واسع. ونظرا للتركيب على نطاق واسع، واستنساخه، مثل الطلاء تدور أو تراجع، هناك غياب الأصيل للزخرفة يمكن السيطرة عليها. هذه الطرق إنشاء مجموعة عشوائية من المجهرية على سطح الهدف ولكن يمكن قياسه لتغطية مناطق أوسع إلى حد كبير من تقنيات الطباعة الحجرية التقليدية17.
البروتوكول المبينة في هذا التقرير يحاول الجمع بين نقاط قوة أساليب التركيب التقليدي بينما في الوقت نفسه القضاء على نقاط الضعف المحددة لكل منها؛ أنه يعرف طريقة اصطناع هياكل هيميويكينج مخصصة لمختلف مرتفعات والأشكال والتوجهات والمواد على نطاق ماكرو ومع الإنتاجية المرتفعة المحتملة. يمكن بسرعة إنشاء مختلف أنماط فتل غرض الاستغلال الأمثل فتل الخصائص، مثل التحكم الاتجاهي سرعة السوائل، ونشر، وخلط السوائل المختلفة. يمكن أيضا توفير استخدام مختلف الهياكل فتل متفاوتة غشاء رقيق السمك وانحناء الملامح، والتي يمكن أن تستخدم بصورة منهجية دراسة اقتران بين الحرارة والنقل الجماعي مع سمك مختلفة وملامح انحناء السائل غضروف.
Protocol
Representative Results
Discussion
وقد أدخلت أسلوب لإنشاء صفائف الدعامة منقوشة للهياكل هيميويكينج؛ يتم ذلك عن طريق ولﻷخذ تجاويف على رقاقة بلاستيكية مع جهاز حفر الذي يلي الزخرفة من صورة نقطية تم إنشاؤها بواسطة المستخدم. ثم يسكب خليط PDMS، شُفي ومغطاة بطبقة رقيقة من الألمنيوم عن طريق الترسيب. يمكن تخصيص خصائص صفيف الأعمد…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
هذه المواد هو استناداً إلى الأبحاث جزئيا تحت رعاية “مكتب الولايات المتحدة للبحوث البحرية” تحت “رقم المنحة” N00014-15-1-2481 ومؤسسة العلوم الوطنية تحت رقم المنحة 1653396. الآراء والاستنتاجات الواردة في هذا التقرير هي آراء المؤلفين ولا ينبغي أن يفسر بالضرورة تمثل السياسات الرسمية أو موافقات، سواء كانت صريحة أو ضمنية، من “مكتب الولايات المتحدة للبحوث البحرية”، المؤسسة الوطنية للعلوم، أو أن حكومة الولايات المتحدة.
Materials
| NI-DAQ 9403 | National Instruments | 370466AE-01 | The communication interface between the camera and the control switch for the laser. |
| Control Switch | Crouzet | GN84134750 | A controller to use for the laser that activates the laser based on the voltage sent by the DAQ. |
| Flea Camera | FLIR | FL3-U3-120S3C-C | A flea camera used for imaging the drill bit on the plastic mold. |
| Flea Imaging Camera | Point Grey | FL3-U3-20E4M-C | A flea camera used for obtaining the side images of the pillars. |
| 200 Steps/rev, 12V-350mA Stepper Motor (x2) | AdaFruit | 324 | The stepper motors are used to control the depth and angle of the end mill. |
| 10x Infinity Corrected Long Working Distance Objective | Mitutoyo | #46-144 | The objective used to get the image of the side of the pillars. |
| 15x Infinite Conjugate, UV Coated, ReflX Objective | TechSpec | #58-417 | The objective used to get the image of the top of the pillars. |
| 72002 0.002D X 0.006 LOC Carbide SQ 2FL Miniature End Mill | Harvey Tools | 72002 | The drill bit that was used to create holes in the plastic mold. |
| DC Power Delivery at 1 kW | Advanced Energy | MDX-1K | Used to power the deposition sputterer. |
| Turbo-V 70LP Nacro Torr Pump | Varian | 9699336 | Turbo Pump used to reduce pressure inside deposition chamber. |
| 2000mw, 405nm High-Power Blue Light Focus Laser | WDLasers | KREE | Sample Heating Laser |
| 5.875" I.D. Dessicator w/ 0.25" Tube Connections | McMaster-Carr | 2204K5 | PDMS Dessicator |
| SYLGARD 184 Silicone Elastomer, 0.5kg Kit | Dow-Corning | 4019862 | The PDMS Kit used to make the base. |
| Diaphragm Air Compressor / Vacuum Pump | Gast | DOL-701-AA | Dessicator Vacuum Pump |
| Motorized Linear Stages (2x) | Standa | 8MT175 | The stepper motors used to control the sample plate in the x- and y- direction. |
| 2" Diameter Unmounted Poistive Achromatic Doublets, AR Coated: 400-700 nm | ThorLabs | AC508-150-A | The achromat was ued in order to obtain the images of the side of the pillars. |
| Flea 3 Mono Camera, 2448 X 2048 Pixels | Point Grey | FL3-GE-50S5M-C | A flea camera used for imiaging the top of the pillars. |
| Digital Vacuum Transducer | Thyrcont Vacuum Instruments | 4940-CF-212734 | Used for monitoring pressure inside deposition chamber. |
| Pressurized Argon Tank Resovoir | Airgas | AR RP300 | Gas used in deposition process. |
| 1-D Translation Stage | Newport Corporation | TSX-1D | A translation stage used to move the camera to focus on the end mill. |
| Cylindrical Laser Mount (x2) | Newport Corporation | ULM-TILT-M | The laser mount was used to move the camera to focus on the end mill. |
| Benchtop Chiller with Centrifugal Pump, 120V, 60Hz | Polyscience | LS51MX1A110C | A chiller used for the deposition assembly. |
| Alcatel Adixen 2010SD XP, Explosion Proof Motor, Rotary Vane Vacuum Pump, 1-Phase | Ideal Vacuum Products | 210SDMLAM-XP | A vacuum pump used for the deposition assembly. |
| Fan, 105 CFM, 115 V (x2) | Comair Rotron | MU2A1 | A fan used for cooling certain aspects of the deposition assembly. |
References
- Plawsky, J. L., et al. Nano- and Micro-structures for Thin Film Evaporation – A Review. Nanoscale and Microscale Thermophysical Engineering. 18, 251-269 (2014).
- Derjaguin, B. V., Churaev, N. V. On the question of determining the concept of disjoining pressure and its role in the equilibrium and flow of thin films. Journal of Colloid and Interface Science. 66, 389 (1978).
- Ma, H. B., Cheng, P., Borgmeyer, B., Wang, Y. X. Fluid flow and heat transfer in the evaporating thin film region. Microfluidics and Nanofluidics. 4 (3), 237-243 (2008).
- Hohmann, C., Stephan, P. Microscale temperature measurement at an evaporating liquid meniscus. Experimental Thermal and Fluid Science. 26 (2-4), 157-162 (2002).
- Potask, M., Wayner, P. C. Evaporation from a two-dimensional extended meniscus. International Journal of Heat Mass Transfer. 15 (10), 1851-1863 (1972).
- Panchamgam, S. S., Plawsky, J. L., Wayner, P. C. Microscale heat transfer in an evaporating moving extended meniscus. Experimental Thermal and Fluid Science. 30 (8), 745-754 (2006).
- Arends, A. A., Germain, T. M., Owens, J. F., Putnam, S. A. Simultaneous Reflectometry and Interferometry for Measuring Thin-film Thickness and Curvature. Review of Scientific Instruments. 89 (5), (2018).
- Zhu, Y., Antao, D. S., Lu, Z., Somasundaram, S., Zhang, T., Wang, E. N. Prediction and characterization of dry out heat flux in micropillar wick structures. Langmuir. 32 (7), 1920-1927 (2016).
- Kim, J., Moon, M. W., Kim, H. Y. Dynamics of hemiwicking. Journal of Fluid Mechanics. 800, 57-71 (2016).
- Ding, C., Soni, G., Bozorgi, P., Meinhart, C. D., MacDonald, N. C. Wicking Study of Nanostructured Titania Surfaces for Flat Heat Pipes. Nanotech Conference & Expo. , (2009).
- Chen, R., Lu, M. C., Srinivasan, V., Wang, Z., Cho, H. H., Majumdar, A. Nanowires for Enhanced Boiling Heat Transfer. Nano Letters. 9 (2), 548-553 (2009).
- Kim, B. S., Choi, G., Shim, D., Kim, K. M., Cho, H. H. Surface roughening for hemi-wicking and its impact on convective boiling heat transfer. International Journal of Heat and Mass Transfer. 102, 1100-1107 (2016).
- Mikkelsen, M. B., et al. Controlled deposition of sol-gel sensor material using hemiwicking. Journal of Micromechanics and Microengineering. 21 (11), (2011).
- Haatainen, T., Ahopelto, J. Pattern Transfer using Step&Stamp Imprint Lithography. Physica Scripta. 67 (4), 357-360 (2003).
- Chou, S. Y., Krauss, P. R., Renstrom, P. J. Nanoimprint lithography. Journal of vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena. 14 (6), 4129 (1996).
- Pozzato, A., et al. Superhydrophobic surfaces fabricated by nanoprint lithography. Microelectronic Engineering. 83 (4-9), 884-888 (2006).
- Nair, R. P., Zou, M. Surface-nano-texturing by aluminum-induced crystallization of amorphous silicon. Surface and Coatings Technology. 203 (5-7), 675-679 (2008).
- Ashby, P. D., Lieber, C. M. Ultra-sensitive Imaging and Interfacial Analysis of Patterned Hydrophilic SAM Surfaces Using Energy Dissipation Chemical Force Microscopy. Journal of the American Chemical Society. 127 (18), 6814-6818 (2005).
