スリット細孔形状におけるキャピラリー橋の製作と可視化
Summary
スリット-細孔ジオメトリで毛細血管橋を作成し、イメージングする手順を示します。毛細管橋の作成は、流体を固定する指向性物理的および化学的不均一性を提供するために、柱の形成に依存しています。 毛細管橋はマイクロステージを用いて形成され、操作され、CCDカメラを用いて可視化される。
Abstract
スリット-細孔ジオメトリで毛細血管橋を作成し、イメージングする手順を示します。高アスペクト比疎水性ピラーは、その上面親水性をレンダリングするために製造され、機能化されています。物理的特徴(柱)と化学的境界(柱の上部にある親水性フィルム)の組み合わせは、三重接触線をピン止めする物理的および化学的不均一性を提供し、安定した長くて狭い毛管橋を作成するために必要な特徴である。柱が付いている基質はガラスのスライドに取付けられ、カスタムのホールダーにしっかり止められた。ホルダーは4軸マイクロステージに取り付けられ、柱が平行で互いに向き合うよう配置されます。毛細管橋は、対向する柱の分離が数百マイクロメートルに減少した後、2つの基板間の隙間に流体を導入することによって形成される。カスタムマイクロステージは、毛細管橋の高さを変化させるために採用されます。CCD カメラは、流体インターフェイスの形態を特徴付けるために、キャピラリー ブリッジの長さまたは幅をイメージするために配置されます。幅が250μmまで、長さが70mmまでの柱がこの方法で製作され、1001以上のアスペクト比(長さ/幅)を持つ毛細管橋につながっています。
Introduction
毛細管橋によって引き起こされる形状および結果の力の研究は、広範な研究2-7の対象となっている。当初、ほとんどの努力は、そのシンプルさのために、軸対称毛細血管橋に焦点を当てていました。粒状および多孔質媒体8,9に見られるような自然システムで発生するキャピラリー橋や、フリップチップ技術10〜15 の毛細血管自己集合化などの技術的用途に用いられた橋は、相互作用面上の不均一な湿潤特性と非対称である。改良されたリソグラフィ技術と、流体インタフェースをモデル化するための簡単な数値ツールのアクセシビリティを組み合わせて、複雑さを増すキャピラリー橋梁の作成とモデリングを可能にします。
スリット孔幾何学のキャピラリー橋は興味深い妥協点を提供する:方向湿潤特性は、いくつかの対称面を保持する非軸対称橋につながる(解析を簡素化する)。多孔質メディアのケーススタディとして理論的・数値的に研究されている。しかし、スリット孔幾何学における毛細血管橋の体系的な実験的研究は限られている。ここでは、スリット細孔ジオメトリで毛管橋を作成し、特徴付ける方法を紹介します。簡単に言えば、この方法は、1)化学的および物理的な異質性を作成するための柱の製造、2)橋を整列して操作するためのマイクロステージの設計、および3)毛細血管橋の画像化が前面または側面からそれらの形態を特徴付けるから成っている。ブリッジ形態の特性評価とサーフェス・エボルバ・シミュレーションとの比較は、別のパブリケーション1で提供されています。
Protocol
Representative Results
Discussion
ここで示す方法は、スリット細孔幾何学で毛細血管橋を作成する方法と、これらの橋梁の形態を解析し、シミュレーションや理論と比較できるようにイメージングする方法を提供します。
この方法は、非対称湿潤特性を作成するために、物理的な救済だけでなく、選択的な化学的パターニングを組み込んでいます。化学不均一性のみが存在する場合、接触角度が濡れの?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者らは、グラントNo.の下で国立科学財団の支援に感謝しています。CMMI-00748094およびONR N00014110629。
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).
