Fabrication et visualisation de ponts capillaires en géométrie des pores fendus
Summary
Un procédé pour créer et imager des ponts capillaires dans la géométrie de fente-pore est présenté. La création de ponts capillaires repose sur la formation de piliers pour fournir une hétérogénéité physique et chimique directionnelle pour épingler le fluide. Les ponts capillaires sont formés et manipulés à l’aide de micro-scènes et visualisés à l’aide d’une caméra CCD.
Abstract
Un procédé pour créer et imager des ponts capillaires dans la géométrie de fente-pore est présenté. Les piliers hydrophobes à rapport d’aspect élevé sont fabriqués et fonctionnalisés pour rendre leurs surfaces supérieures hydrophiles. La combinaison d’une caractéristique physique (le pilier) avec une limite chimique (le film hydrophile sur le dessus du pilier) fournit à la fois une hétérogénéité physique et chimique qui épingle la triple ligne de contact, une caractéristique nécessaire pour créer des ponts capillaires longs mais étroits stables. Les substrats avec les piliers sont attachés à des lames de verre et fixés dans des supports personnalisés. Les supports sont ensuite montés sur quatre micro-étages d’axe et positionnés de manière à ce que les piliers soient parallèles et se font face. Les ponts capillaires se forment en introduisant un fluide dans l’espace entre les deux substrats une fois que la séparation entre les piliers de parement a été réduite à quelques centaines de micromètres. La micro-scène personnalisée est ensuite utilisée pour faire varier la hauteur du pont capillaire. Une caméra CCD est positionnée pour imager la longueur ou la largeur du pont capillaire afin de caractériser la morphologie de l’interface fluide. Des piliers d’une largeur allant jusqu’à 250 μm et de longueurs allant jusqu’à 70 mm ont été fabriqués avec cette méthode, ce qui a conduit à des ponts capillaires avec des rapports d’aspect (longueur/ largeur) supérieurs à 1001.
Introduction
L’étude de la forme et des forces résultantes causées par les ponts capillaires a fait l’objet d’études approfondies2-7. Initialement, la plupart des efforts ont été concentrés, en raison de leur simplicité, sur les ponts capillaires axisymétriques. Souvent, les ponts capillaires présents dans les systèmes naturels, tels que ceux que l’on trouve dans les milieux granulaires et poreux8,9 et les ponts utilisés dans les applications technologiques, telles que pour l’auto-assemblage capillaire dans les technologies de puces à bascule10-15 sont asymétriques avec des propriétés de mouillage non uniformes sur les surfaces en interaction. La combinaison de techniques de lithographie améliorées et de l’accessibilité d’outils numériques simples pour modéliser des interfaces fluides permet la création et la modélisation de ponts capillaires avec une complexité croissante.
Les ponts capillaires en géométrie à pores fendus offrent un compromis intéressant: les propriétés de mouillage directionnel conduisent à des ponts nonaxisymétriques qui conservent certains plans de symétrie (ce qui simplifie l’analyse). Ils ont été étudiés théoriquement et numériquement comme une étude de cas pour les milieux poreux. Les études expérimentales systématiques des ponts capillaires en géométrie des pores fendus ont cependant été limitées. Nous présentons ici une méthode pour créer et caractériser des ponts capillaires en géométrie des pores fendus. En bref, la méthode consiste en 1) la fabrication de piliers pour créer une hétérogénéité chimique et physique, 2) la conception d’une micro-scène pour aligner et manipuler les ponts, et 3) l’imagerie des ponts capillaires soit de l’avant, soit des côtés pour caractériser leur morphologie. La caractérisation de la morphologie du pont, ainsi que les comparaisons avec les simulations d’évolution de surface sont fournies dans une publication distincte1.
Protocol
Representative Results
Discussion
La méthode présentée ici fournit un moyen de créer des ponts capillaires en géométrie des pores fendus, ainsi qu’une méthode d’imagerie de ces ponts afin que leur morphologie puisse être analysée et comparée à la simulation et à la théorie.
Cette méthode intègre un relief physique ainsi qu’un modelage chimique sélectif pour créer des propriétés de mouillage asymétriques. Si seule une hétérogénéité chimique est présente, une goutte liquide restera épinglée sur …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs sont reconnaissants du soutien de la National Science Foundation dans le cadre de la subvention no. CMMI-00748094 et l’ONR N000141110629.
Materials
| 99.999% Gold wire | Kurt J. Lesker | EVMAU40040 | |
| Acetone | Pharmco-AAPER | C1107283 | |
| Dimethyl sulfoxide | Fisher | D128-500 | |
| Ethanol (200 proof) | Pharmco-AAPER | 111000200 | |
| Hydrochloric acid | EMD | HX0603-4 | |
| Hydrogen peroxide (30%) | EMD | HX0635-3 | |
| Isopropyl alcohol | Fisher | L-13597 | |
| Mercapto hexadecanoic acid (90%) | Sigma-Aldrich | 448303-1G | |
| Mercapto-propyl-trimethoxy-silane (MPTS) | Gelest | Sim6476-O-100GM | |
| Milli-Q DI water | Millipore | Milli-Q | |
| Nitrogen (gas) | Airgas | UN1066 | |
| Oxygen (gas) | Airgas | UN1072 | |
| Silicon wafers (4 in) | WRS Materials | CC8506 | |
| SU-8 2002 (negative photo resist) | MicroChem | SU82002 | |
| SU-8 2050 (negative photoresist) | MicroChem | SU82050 | |
| SU-8 Developer solution | MicroChem | Y020100 4000L1PE | |
| Sulfuric acid | J.T. Baker | 9681-03 | |
| Poly dimethy sulfoxide (PDMS) | Dow Corning | Sylgard -184 | |
| Toluene | Omnisolv | TX0737-1 |
Riferimenti
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