Yarık Gözenek Geometrisinde Kılcal Köprülerin İmalatı ve Görselleştirilmesi
Summary
Yarık gözenek geometrisinde kılcal köprüler oluşturmak ve görüntülemek için bir prosedür sunulmuştur. Kılcal köprülerin oluşturulması, sıvıyı sabitlemek için yönlü fiziksel ve kimyasal bir heterojenlik sağlamak için sütunların oluşumuna dayanır. Kılcal köprüler mikrostages kullanılarak oluşturulur ve manipüle edilir ve ccd kamera kullanılarak görselleştirilir.
Abstract
Yarık gözenek geometrisinde kılcal köprüler oluşturmak ve görüntülemek için bir prosedür sunulmuştur. Yüksek en boy oranı hidrofobik sütunlar, üst yüzeylerini hidrofilik hale getirmek için imal edilir ve işlevsel hale getirilir. Fiziksel bir özelliğin (sütun) kimyasal bir sınırla (sütunun üstündeki hidrofilik film) kombinasyonu, üçlü temas hattını sabitleyen hem fiziksel hem de kimyasal bir heterojenlik sağlar, bu da istikrarlı uzun ama dar kılcal köprüler oluşturmak için gerekli bir özelliktir. Sütunlu alt tabakalar cam slaytlara tutturulur ve özel tutuculara sabitlenir. Tutucular daha sonra dört eksenli mikrostages üzerine monte edilir ve sütunlar paralel ve birbirine bakacak şekilde konumlandırılmıştır. Kılcal köprüler, karşılıklı sütunlar arasındaki ayrım birkaç yüz mikrometreye düşürüldükten sonra iki alt tabaka arasındaki boşluğa bir sıvı sokularak oluşur. Özel mikrostage daha sonra kılcal köprünün yüksekliğini değiştirmek için kullanılır. Ccd kamera, akışkan arayüzünün morfolojisini karakterize etmek için kılcal köprünün uzunluğunu veya genişliğini görüntüleye kadar konumlandırılmıştır. 250 μm’ye kadar genişlikleri ve 70 mm’ye kadar uzunlukları olan sütunlar bu yöntemle imal edildi ve 1001’inüzerinde en boy oranlarına (uzunluk/genişlik) sahip kılcal köprülere yol açtı.
Introduction
Kılcal köprülerin neden olduğu şekil ve sonuç kuvvetlerinin incelenmesi kapsamlı çalışmalara konu olmuştur2-7. Başlangıçta çoğu çaba, basitlikleri nedeniyle eksenemetrik kılcal köprülere odaklandı. Genellikle doğal sistemlerde meydana gelen kılcal köprüler, granül ve gözenekli ortamda bulunanlar gibi8,9 ve teknolojik uygulamalarda kullanılan köprüler, örneğin flip chip teknolojilerinde kılcal öz montaj10-15 etkileşime giren yüzeylerde asimetriktir. Geliştirilmiş litografi tekniklerinin yanı sıra basit sayısal aletlerin akışkan arayüzlerini modellemeye erişilebilirliği, kılcal köprülerin artan karmaşıklıkla oluşturulmasını ve modellenerek modellenmesini sağlar.
Yarık gözenekli geometrideki kılcal köprüler ilginç bir uzlaşma sunar: yönlü ıslatma özellikleri, bazı simetri düzlemlerini koruyan (analizi basitleştiren) nonaxisymmetric köprülere yol açar. Gözenekli medya için bir vaka çalışması olarak teorik ve sayısal olarak çalışılmıştır. Bununla birlikte, yarık gözenek geometrislerindeki kılcal köprülerin sistematik deneysel çalışmaları sınırlı olmuştur. Burada yarık gözenek geometrisinde kılcal köprüler oluşturmak ve karakterize etmek için bir yöntem sunuyoruz. Kısaca, yöntem 1) kimyasal ve fiziksel bir heterojenlik oluşturmak için sütunların imalatı, 2) köprüleri hizalamak ve manipüle etmek için bir mikrostage tasarımı ve 3) morfolojilerini karakterize etmek için kılcal köprülerin önden veya yanlardan görüntülenmesinden oluşur. Köprü morfolojisinin karakterizasyonu, yüzey evrimci simülasyonları ile karşılaştırmalar ayrı bir yayında sağlanmıştır1.
Protocol
Representative Results
Discussion
Burada sunulan yöntem, yarık gözenek geometrisinde kılcal köprüler oluşturmanın bir yolunu ve ayrıca morfolojilerinin analiz edilebilmesi ve simülasyon ve teori ile karşılaştırılabilmesi için bu köprüleri görüntüleme için bir yöntem sağlar.
Bu yöntem, asimetrik ıslatma özellikleri oluşturmak için fiziksel rahatlamanın yanı sıra seçici kimyasal desenleme içerir. Sadece kimyasal bir heterojenlik varsa, temas açısı daha az ıslak (alt yüzey enerjisi) bölgesi…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar, Grant No kapsamındaki Ulusal Bilim Vakfı’nın desteği için minnettardır. CMMI-00748094 ve 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).
