슬릿 모공 기하학에서 모세관 다리의 제작 및 시각화
Summary
슬릿 모공 지오메트리에서 모세관 다리를 만들고 이미징하는 절차가 제시됩니다. 모세관 교량의 생성은 유체를 고정하는 방향 물리적 및 화학 적 이질성을 제공하기 위해 기둥의 형성에 의존한다. 모세관 교량은 마이크로 스테이지를 사용하여 형성되고 조작되고 CCD 카메라를 사용하여 시각화됩니다.
Abstract
슬릿 모공 지오메트리에서 모세관 다리를 만들고 이미징하는 절차가 제시됩니다. 높은 종횡비 소수성 기둥은 제조되고 기능화되어 상단 표면을 친성성으로 만듭니다. 물리적 특징(기둥)과 화학적 경계(기둥 상단의 친수성 필름)의 조합은 3중 접점을 핀하는 물리적 및 화학적 이질성을 모두 제공하며, 안정적이지만 좁은 모세관 다리를 만드는 데 필요한 특징이다. 기둥이 있는 기판은 유리 슬라이드에 부착되어 사용자 지정 홀더에 고정됩니다. 그런 다음 홀더는 4축 마이크로스테이지에 장착되고 기둥이 평행하고 서로 마주보고 있도록 배치됩니다. 모세관 교량은 두 기판 사이의 간격에 유체를 도입하여 형성되며, 일단 표면 기둥 사이의 분리가 수백 마이크로미터로 감소되었다. 그런 다음 사용자 지정 마이크로 스테이지는 모세관 다리의 높이를 변경하도록 고용됩니다. CCD 카메라는 유체 인터페이스의 형태를 특성화하기 위해 모세관 브리지의 길이 또는 너비를 이미지화하도록 배치됩니다. 폭이 250 μm까지, 최대 70mm길이의 기둥은 이 방법으로 제작되어 1001이상이면 종횡비(길이/폭)가 있는모세관 교량으로 이어졌다.
Introduction
모세관 교량에 의한 형상 및 결과력에 대한 연구는 광범위한 연구의 대상이 되어왔다 2-7. 처음에는 축축모 교량에 단순함으로 인해 대부분의 노력이 집중되었습니다. 종종 과립 및 다공성 매체8,9에서 발견되는 것과 같은 자연 시스템에서 발생하는 모세관 교량과 플립 칩 기술의 모세관 자체 조립과 같은 기술 응용 분야에서 사용되는교량(10-15)은 상호 작용하는 표면의 부균일한 습윤 특성과 비대칭입니다. 유체 인터페이스를 모델링하는 간단한 숫자 도구의 접근성과 함께 개선된 리소그래피 기술의 조합은 복잡성이 증가하는 모세관 교량의 생성 및 모델링을 가능하게 합니다.
슬릿 모공 형상의 모세관 교량은 흥미로운 타협을 제공합니다 : 방향 습윤 특성은 일부 대칭 평면을 유지하는 비축경 교교로 이어져 (분석을 단순화). 그(것)들은 다공성 매체를 위한 사례 연구 결과로 이론적으로 그리고 수치적으로 공부되었습니다. 그러나 슬릿 모공 기하학에서 모세관 교량에 대한 체계적인 실험 연구가 제한되어 있다. 여기서 우리는 슬릿 모공 지오메트리에서 모세관 다리를 만들고 특성화하는 방법을 제시합니다. 간단히, 상기 방법은 1) 화학적 및 물리적 이질성을 만들기 위한 기둥의 제조, 2) 교량을 정렬및 조작하는 마이크로스테이지의 설계, 그리고 3) 모세관 교량의 이미징을 전면 또는 측면에서 형성하여 형태를 특성화하는 것으로 구성된다. 교량 형태의 특성화와 표면 진화 시뮬레이션에 대한 비교는 별도의발행물 1에제공됩니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
여기에 제시된 방법은 슬릿 모공 지오메트리에서 모세관 다리를 만드는 방법, 또한 그들의 형태가 시뮬레이션 및 이론에 비교될 수 있도록 이 다리를 이미징하는 방법을 제공합니다.
이 방법은 물리적 완화뿐만 아니라 선택적 화학 적 패터닝을 통합하여 비대칭 습윤 특성을 만듭니다. 화학 이질성만 존재하는 경우, 접촉 각도가 덜 습식(낮은 표면 에너지) 영역의 것을 초과할 …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 그랜트 번호에서 국립 과학 재단의 지원에 감사드립니다. CMMI-00748094 및 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).
