Fabricage en visualisatie van capillaire bruggen in spleetporiëngeometrie
Summary
Een procedure voor het maken en weergeven van capillaire bruggen in spleet-poriegeometrie wordt gepresenteerd. De creatie van capillaire bruggen is afhankelijk van de vorming van pilaren om een directionele fysische en chemische heterogeniteit te bieden om de vloeistof vast te pinnen. Capillaire bruggen worden gevormd en gemanipuleerd met behulp van microstages en gevisualiseerd met behulp van een CCD-camera.
Abstract
Een procedure voor het maken en weergeven van capillaire bruggen in spleet-poriegeometrie wordt gepresenteerd. Hydrofobe pilaren met een hoge beeldverhouding worden vervaardigd en gefunctionaliseerd om hun bovenoppervlakken hydrofiel te maken. De combinatie van een fysische eigenschap (de pilaar) met een chemische grens (de hydrofiele film aan de bovenkant van de pilaar) zorgt voor zowel een fysische als chemische heterogeniteit die de drievoudige contactlijn speldt, een noodzakelijk kenmerk om stabiele lange maar smalle capillaire bruggen te creëren. De substraten met de pilaren worden bevestigd aan glazen dia’s en vastgezet in aangepaste houders. De houders worden vervolgens op vierassige microstages gemonteerd en zo geplaatst dat de pilaren parallel en tegenover elkaar staan. De capillaire bruggen worden gevormd door een vloeistof in de opening tussen de twee substraten te introduceren zodra de scheiding tussen de tegenoverliggende pilaren is teruggebracht tot een paar honderd micrometer. De aangepaste microtrap wordt vervolgens gebruikt om de hoogte van de capillaire brug te variëren. Een CCD-camera is gepositioneerd om de lengte of de breedte van de capillaire brug in beeld te brengen om de morfologie van de vloeistofinterface te karakteriseren. Pijlers met breedtes tot 250 μm en lengtes tot 70 mm werden met deze methode vervaardigd, wat leidde tot capillaire bruggen met beeldverhoudingen (lengte/breedte) van meer dan 1001.
Introduction
De studie van de vorm en de resulterende krachten veroorzaakt door capillaire bruggen is het onderwerp geweest van uitgebreide studies2-7. Aanvankelijk waren de meeste inspanningen, vanwege hun eenvoud, gericht op asymmetrische capillaire bruggen. Vaak zijn capillaire bruggen die voorkomen in natuurlijke systemen, zoals die in korrelige en poreuze media8,9 en bruggen die worden gebruikt in technologische toepassingen, zoals voor capillaire zelfassemblage in flipchiptechnologieën10-15, asymmetrisch met niet-uniforme bevochtigingseigenschappen op de interagerende oppervlakken. De combinatie van verbeterde lithografietechnieken en de toegankelijkheid van eenvoudige numerieke tools om vloeistofinterfaces te modelleren, maakt het mogelijk om capillaire bruggen met toenemende complexiteit te creëren en te modelleren.
Capillaire bruggen in spleet-poriegeometrie bieden een interessant compromis: de directionele bevochtigingseigenschappen leiden tot niet-axisymmetrische bruggen die enkele symmetrievlakken behouden (wat de analyse vereenvoudigt). Ze zijn theoretisch en numeriek bestudeerd als een case study voor poreuze media. Systematische experimentele studies van capillaire bruggen in spleet-poriegeometrie zijn echter beperkt. Hier presenteren we een methode om capillaire bruggen te creëren en te karakteriseren in spleetporiëngeometrie. Kortom, de methode bestaat uit 1) de fabricage van pilaren om een chemische en fysische heterogeniteit te creëren, 2) het ontwerp van een microtrap om de bruggen uit te lijnen en te manipuleren, en 3) de beeldvorming van de capillaire bruggen vanaf de voorkant of de zijkanten om hun morfologie te karakteriseren. De karakterisering van de brugmorfologie, samen met vergelijkingen met oppervlakte-evolversimulaties, wordt gegeven in een afzonderlijke publicatie1.
Protocol
Representative Results
Discussion
De hier gepresenteerde methode biedt een manier om capillaire bruggen te maken in spleetporiëngeometrie, en ook een methode om deze bruggen in beeld te brengen, zodat hun morfologie kan worden geanalyseerd en vergeleken met simulatie en theorie.
Deze methode bevat fysieke reliëf en selectieve chemische patronen om asymmetrische bevochtigingseigenschappen te creëren. Als alleen een chemische heterogeniteit aanwezig is, blijft een vloeistofdruppel op de heterogeniteit vastgepind totdat de con…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs zijn dankbaar voor de steun van de National Science Foundation onder Grant No. CMMI-00748094 en de 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).
