Fabrikation og visualisering af kapillærbroer i spaltepaltegeometri
Summary
En procedure for oprettelse og billeddannelse kapillær broer i slids-pore geometri præsenteres. Oprettelsen af kapillærbroer er afhængig af dannelsen af søjler for at give en retningsbestemt fysisk og kemisk heterogenitet til at fastgøre væsken. Kapillære broer dannes og manipuleres ved hjælp af mikrostages og visualiseres ved hjælp af et CCD-kamera.
Abstract
En procedure for oprettelse og billeddannelse kapillær broer i slids-pore geometri præsenteres. Høj højde-bredde-forhold hydrofobe søjler er fremstillet og funktionaliseret til at gøre deres øverste overflader hydrofile. Kombinationen af en fysisk funktion (søjlen) med en kemisk grænse (den hydrofile film øverst på søjlen) giver både en fysisk og kemisk heterogenitet, der fastgør den tredobbelte kontaktlinje, en nødvendig funktion til at skabe stabile lange, men smalle kapillarbroer. Underlagene med søjlerne er fastgjort til glasrutsjebaner og fastgjort til brugerdefinerede holdere. Holderne monteres derefter på fire aksemikrosetrin og placeres således, at søjlerne er parallelle og vender mod hinanden. Kapillærbroerne dannes ved at indføre en væske i mellemrummet mellem de to substrater, når adskillelsen mellem de modstående søjler er blevet reduceret til et par hundrede mikrometer. Den brugerdefinerede mikrostage er derefter ansat til at variere højden af kapillærbroen. Et CCD-kamera er placeret til at afbilde enten længden eller bredden af kapillærbroen for at karakterisere morfologien af væskegrænsefladen. Søjler med bredder ned til 250 μm og længder op til 70 mm er fremstillet med denne metode, hvilket fører til kapillærbroer med højde-bredde-forhold (længde/bredde) på over 1001.
Introduction
Undersøgelsen af formen og de resulterende kræfter forårsaget af kapillærbroer har været genstand for omfattende undersøgelser2-7. I begyndelsen var de fleste bestræbelser på axisymmetriske kapillærbroer på grund af deres enkelhed. Ofte kapillær broer forekommer i naturlige systemer, som dem, der findes i granulat-og porøse medier8,9 og broer ansat i teknologiske applikationer, såsom for kapillær selvmontering i flip chip teknologier10-15 er asymmetriske med nonuniform bevæmmende egenskaber på de interagerende overflader. Kombinationen af forbedrede litografiteknikker sammen med tilgængeligheden af enkle numeriske værktøjer til modelvæskegrænseflader giver mulighed for oprettelse og modellering af kapillære broer med stigende kompleksitet.
Kapillære broer i spalte-pore geometri giver et interessant kompromis: de retningsbestemte bevæbende egenskaber fører til ikke-axisymmetriske broer, der bevarer nogle symmetriplaner (hvilket forenkler analysen). De er blevet undersøgt teoretisk og numerisk som et casestudie for porøse medier. Systematiske eksperimentelle undersøgelser af kapillærbroer i spalte-poregeometri har imidlertid været begrænsede. Her præsenterer vi en metode til at skabe og karakterisere kapillærbroer i slids pore geometri. Kort, metoden består af 1) fremstilling af søjler til at skabe en kemisk og fysisk heterogenitet, 2) udformningen af et mikrostage til at tilpasse og manipulere broerne, og 3) billeddannelse af kapillær broer enten fra forsiden eller siderne til at karakterisere deres morfologi. Karakteriseringen af broens morfologi sammen med sammenligninger med overfladeudviklende simuleringer leveres i en separatpublikation 1.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den metode, der præsenteres her, giver en måde at skabe kapillærbroer i slids poregeometri, og også en metode til billeddannelse af disse broer, så deres morfologi kan analyseres og sammenlignes med simulering og teori.
Denne metode inkorporerer fysisk lindring samt selektiv kemisk mønster for at skabe asymmetriske betændte egenskaber. Hvis der kun er en kemisk heterogenitet til stede, forbliver et flydende fald fastgjort på heterogeniteten, indtil kontaktvinklen overstiger den mindre …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne er taknemmelige for støtten fra National Science Foundation under Grant No. CMMI-00748094 og 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
- Broesch, D. J., Frechette, J. From Concave to Convex: Capillary Bridges in Slit Pore Geometry. Langmuir. 28, 15548-15554 (2012).
- Orr, F. M., Scriven, L. E., Rivas, A. P. Pendular rings between solids – meniscus properties and capillary force. J. Fluid Mech. 67, 723-742 (1975).
- Rose, W. Volumes and surface areas of pendular rings. J. Appl. Phys. 29, 687-691 (1958).
- Erle, M. A., Dyson, D. C., Morrow, N. R. Liquid bridges between cylinders, in a torus, and between spheres. Aiche J. 17, 115-121 (1971).
- Lambert, P., Chau, A., Delchambre, A., Regnier, S. Comparison between two capillary forces models. Langmuir. 24, 3157-3163 (2008).
- Mason, G., Clark, W. C. . Liquid Bridges Between Spheres. Chem. Eng. Sci. 20, 859-866 (1965).
- De Souza, E. J., Brinkmann, M., Mohrdieck, C., Arzt, E. Enhancement of capillary forces by multiple liquid bridges. Langmuir. 24, 8813-8820 (2008).
- Hornbaker, D. J., Albert, R., Albert, I., Barabasi, A. L., Schiffer, P. What keeps sandcastles standing. Nature. 387, 765-765 (1997).
- Scheel, M., et al. Morphological clues to wet granular pile stability. Nat. Mater. 7, 189-193 (2008).
- Mastrangeli, M., Ruythooren, W., Celis, J. -. P., Van Hoof, C. Challenges for Capillary Self-Assembly of Microsystems. IEEE T. Compon. Pack. 1, 133-149 (2011).
- Josell, D., Wallace, W. E., Warren, J. A., Wheeler, D., Powell, A. C. Misaligned flip-chip solder joints: Prediction and experimental determination of force-displacement curves. J. Electron. Pack. 124, 227-233 (2002).
- Lin, W., Patra, S. K., Lee, Y. C. Design of Solder Joints for Self-Aligned Optoelectronic Assemblies. IEEE T. Compon. Pack. B. 18, 543-551 (1995).
- Berthier, J., et al. Capillary self-alignment of polygonal chips: a generalization for the shift-restoring force. Microfluid. Nanofluid. 14, 845-858 (2013).
- Lambert, P., Mastrangeli, M., Valsamis, J. B., Degrez, G. Spectral analysis and experimental study of lateral capillary dynamics for flip-chip applications. Microfluid. Nanofluid. 9, 797-807 (2010).
- Mastrangeli, M., Valsamis, J. B., Van Hoof, C., Celis, J. P., Lambert, P. Lateral capillary forces of cylindrical fluid menisci: a comprehensive quasi-static study. J. Micromech. Microeng. 20, 10-1088 (2010).
- Childs, W. R., Nuzzo, R. G. Large-area patterning of coinage-metal thin films using decal transfer lithography. Langmuir. 21, 195-202 (2005).
- Lee, J. N., Park, C., Whitesides, G. M. Solvent compatibility of poly(dimethylsiloxane)-based microfluidic devices. Anal. Chem. 75, 6544-6554 (2003).
- Olivier, G. K., Shin, D., Gilbert, J. B., Monzon, L. A. A., Frechette, J. . Supramolecular Ion-Pair Interactions To Control Monolayer Assembly. Langmuir. 25, 2159-2165 (2009).
- Ferraro, D., et al. Morphological Transitions of Droplets Wetting Rectangular Domains. Langmuir. 28, 13919-13923 (1021).
