Tillverkning och visualisering av kapillärbroar i Slit Pore Geometri
Summary
En procedur för att skapa och avbilda kapillärbroar i slits-porgeometri presenteras. Skapandet av kapillärbroar bygger på bildandet av pelare för att ge en riktad fysisk och kemisk heterogenitet för att fästa vätskan. Kapillärbroar bildas och manipuleras med hjälp av mikrostages och visualiseras med hjälp av en CCD-kamera.
Abstract
En procedur för att skapa och avbilda kapillärbroar i slits-porgeometri presenteras. Hydrofobiska pelare med högt bildförhållande tillverkas och funktionaliseras för att göra deras toppytor hydrofila. Kombinationen av en fysisk funktion (pelaren) med en kemisk gräns (den hydrofila filmen på toppen av pelaren) ger både en fysisk och kemisk heterogenitet som fäster trippelkontaktlinjen, en nödvändig funktion för att skapa stabila långa men smala kapillärbroar. Underlaget med pelarna är fästa på glasrutschbanor och säkras i anpassade hållare. Hållarna monteras sedan på fyraxliga mikrostages och placeras så att pelarna är parallella och vända mot varandra. Kapillärbroarna bildas genom att en vätska förs in i gapet mellan de två substraten när separationen mellan de motstående pelarna har reducerats till några hundra mikrometer. Den anpassade mikrostage används sedan för att variera höjden på kapillärbron. En CCD-kamera är placerad för att avbilda antingen längden eller bredden på kapillärbryggan för att karakterisera morphology av vätskegränssnittet. Pelare med bredder ner till 250 μm och längder upp till 70 mm tillverkades med denna metod, vilket ledde till kapillärbroar med proportioner (längd/bredd) på över 1001.
Introduction
Studien av formen och de resulterande krafterna orsakade av kapillärbroar har varit föremål för omfattande studier2-7. Ursprungligen var de flesta ansträngningar fokuserade, på grund av deras enkelhet, på axisymmetriska kapillärbroar. Ofta kapillärbroar som förekommer i naturliga system, såsom de som finns i granulära och porösa medier8,9 och broar som används i tekniska tillämpningar, till exempel för kapillär självmontering i flipchip-teknik 10-15 är asymmetriska med icke-uniforma våthetsegenskaper på de interagerande ytorna. Kombinationen av förbättrade litografitekniker tillsammans med tillgängligheten av enkla numeriska verktyg för att modellera vätskegränssnitt möjliggör skapande och modellering av kapillärbroar med ökande komplexitet.
Kapillärbroar i slits-porgeometri erbjuder en intressant kompromiss: de riktningsmässiga våthetsegenskaperna leder till icke-xisymmetriska broar som behåller vissa symmetriplan (vilket förenklar analysen). De har studerats teoretiskt och numeriskt som en fallstudie för porösa medier. Systematiska experimentella studier av kapillärbroar i slits-porgeometri har dock begränsats. Här presenterar vi en metod för att skapa och karakterisera kapillärbroar i slitsporgeometri. Kortfattat består metoden av 1) tillverkning av pelare för att skapa en kemisk och fysisk heterogenitet, 2) utformningen av en mikrostage för att justera och manipulera broarna och 3) avbildningen av kapillärbroarna antingen framifrån eller sidorna för att karakterisera deras morfologi. Karakteriseringen av bromorfologin, tillsammans med jämförelser med ytutvecklarsimuleringar, ges i en separat publikation1.
Protocol
Representative Results
Discussion
Metoden som presenteras här ger ett sätt att skapa kapillärbroar i slitsporgeometri, och även en metod för att avbilda dessa broar så att deras morfologi kan analyseras och jämföras med simulering och teori.
Denna metod innehåller fysisk lindring samt selektiv kemisk mönstring för att skapa asymmetriska våthetsegenskaper. Om endast en kemisk heterogenitet förekommer, kommer en vätskedroppe att fastna på heterogeniteten tills kontaktvinkeln överstiger den i det mindre våta (ned…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna är tacksamma för stödet från National Science Foundation under Grant No. CMMI-00748094 och 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).
