Fabrikasjon og visualisering av kapillære broer i slit poregeometri
Summary
En prosedyre for å lage og imaging kapillære broer i slit-pore geometri presenteres. Opprettelsen av kapillære broer er avhengig av dannelsen av søyler for å gi en retningsmessig fysisk og kjemisk heterogenitet for å feste væsken. Kapillære broer dannes og manipuleres ved hjelp av mikrostager og visualiseres ved hjelp av et CCD-kamera.
Abstract
En prosedyre for å lage og imaging kapillære broer i slit-pore geometri presenteres. Hydrofobe søyler med høyt størrelsesforhold er fabrikkert og funksjonalisert for å gjøre toppoverflatene hydrofile. Kombinasjonen av en fysisk funksjon (søylen) med en kjemisk grense (den hydrofile filmen på toppen av søylen) gir både en fysisk og kjemisk heterogenitet som fester trippelkontaktlinjen, en nødvendig funksjon for å skape stabile lange, men smale kapillære broer. Underlagene med søylene er festet til glasssklier og festet til tilpassede holdere. Holderne monteres deretter på fire aksemikrostager og plasseres slik at søylene er parallelle og vender mot hverandre. De kapillære broene dannes ved å introdusere en væske i gapet mellom de to substratene når separasjonen mellom de motstående søylene er redusert til noen hundre mikrometer. Den tilpassede mikrotrinnet brukes deretter til å variere høyden på kapillærbroen. Et CCD-kamera er plassert på bildet enten lengden eller bredden på kapillærbroen for å karakterisere morfologien til væskegrensesnittet. Søyler med bredder ned til 250 μm og lengder opp til 70 mm ble fremstilt med denne metoden, noe som førte til kapillære broer med sideforhold (lengde / bredde) på over 1001.
Introduction
Studien av formen og resulterende krefter forårsaket av kapillære broer har vært gjenstand for omfattende studier2-7. I utgangspunktet var de fleste anstrengelser fokusert, på grunn av deres enkelhet, på aksisymmetriske kapillære broer. Ofte er kapillære broer som forekommer i naturlige systemer, som de som finnes i granulære og porøse medier8,9 og broer ansatt i teknologiske applikasjoner, for eksempel for kapillær selvmontering i flip chip-teknologier10-15 asymmetriske med ikke-enhetlige fuktegenskaper på de interagerende overflatene. Kombinasjonen av forbedrede litografiteknikker sammen med tilgjengeligheten av enkle numeriske verktøy for å modellere væskegrensesnitt gjør det mulig å lage og modellere kapillære broer med økende kompleksitet.
Kapillære broer i slit-pore geometri gir et interessant kompromiss: de retningsbestemte fuktegenskapene fører til nonaxisymmetriske broer som beholder noen symmetriplan (noe som forenkler analysen). De har blitt studert teoretisk og numerisk som en casestudie for porøse medier. Systematiske eksperimentelle studier av kapillære broer i slit-pore geometri har imidlertid vært begrenset. Her presenterer vi en metode for å skape og karakterisere kapillære broer i slit poregeometri. Kort sagt består metoden av 1) fabrikasjonen av søyler for å skape en kjemisk og fysisk heterogenitet, 2) utformingen av et mikrotrinn for å justere og manipulere broene, og 3) avbildningen av kapillærbroene enten fra forsiden eller sidene for å karakterisere deres morfologi. Karakteriseringen av bromorfologien, sammen med sammenligninger med overflateutviklingssimuleringer, er gitt i en egen publikasjon1.
Protocol
Representative Results
Discussion
Metoden som presenteres her gir en måte å lage kapillære broer i slit pore geometri, og også en metode for å forestille seg disse broene slik at deres morfologi kan analyseres og sammenlignes med simulering og teori.
Denne metoden inkorporerer fysisk lindring samt selektiv kjemisk mønster for å skape asymmetriske fuktegenskaper. Hvis bare en kjemisk heterogenitet er til stede, vil et væskefall forbli festet på heterogeniteten til kontaktvinkelen overstiger den mindre våte (lavere ove…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne er takknemlige 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).
