Herstellung und Visualisierung von Kapillarbrücken in Schlitzporengeometrie
Summary
Ein Verfahren zum Erstellen und Bildgebung von Kapillarbrücken in Spaltporgeometrie wird vorgestellt. Die Schaffung von Kapillarbrücken beruht auf der Bildung von Säulen, um eine richtungsweisende physikalische und chemische Heterogenität zu bieten, um die Flüssigkeit zu fixieren. Kapillarbrücken werden mit Mikrostufen geformt und manipuliert und mit einer CCD-Kamera visualisiert.
Abstract
Ein Verfahren zum Erstellen und Bildgebung von Kapillarbrücken in Spaltporgeometrie wird vorgestellt. Hydrophobe Säulen mit hohem Seitenverhältnis werden hergestellt und funktionalisiert, um ihre Oberflächen hydrophil zu machen. Die Kombination eines physikalischen Merkmals (der Säule) mit einer chemischen Grenze (der hydrophile Film auf der Oberseite der Säule) bietet sowohl eine physikalische als auch eine chemische Heterogenität, die die dreifache Kontaktlinie anheftet, ein notwendiges Merkmal, um stabile lange, aber schmale Kapillarbrücken zu schaffen. Die Substrate mit den Säulen werden an Glasrutschen befestigt und in kundenspezifischen Halterungen befestigt. Die Halterungen werden dann auf vier Achsenmikrostufen montiert und so positioniert, dass die Säulen parallel und einander gegenüberstehen. Die Kapillarbrücken werden durch einführende Flüssigkeit in den Spalt zwischen den beiden Substraten gebildet, sobald die Trennung zwischen den gegenüberliegenden Säulen auf ein paar hundert Mikrometer reduziert wurde. Die benutzerdefinierte Mikrostufe wird dann verwendet, um die Höhe der Kapillarbrücke zu variieren. Eine CCD-Kamera ist so positioniert, dass sie entweder die Länge oder breite der Kapillarbrücke abbilden kann, um die Morphologie der Fluidschnittstelle zu charakterisieren. Mit dieser Methode wurden Säulen mit Breiten bis zu 250 mm und Längen bis 70 mm hergestellt, was zu Kapillarbrücken mit Seitenverhältnissen (Länge/Breite) von über 1001führt.
Introduction
Die Untersuchung der Form und der daraus resultierenden Kräfte durch Kapillarbrücken wurde Gegenstand umfangreicher Studien2-7. Anfangs konzentrierten sich die meisten Bemühungen aufgrund ihrer Einfachheit auf axisymmetrische Kapillarbrücken. Oft sind Kapillarbrücken, die in natürlichen Systemen vorkommen, wie sie in körnigen und porösen Medien8,9 vorkommen, und Brücken, die in technologischen Anwendungen eingesetzt werden, wie z. B. für die Kapillar-Selbstmontage inFlip-Chip-Technologien 10-15, asymmetrisch mit ungleichmäßigen Benetzungseigenschaften auf den interagierenden Oberflächen. Die Kombination verbesserter Lithographie-Techniken zusammen mit der Zugänglichkeit einfacher numerischer Werkzeuge zur Modellierung von Fluidschnittstellen ermöglicht die Erstellung und Modellierung von Kapillarbrücken mit zunehmender Komplexität.
Kapillarbrücken in Spaltporgeometrie bieten einen interessanten Kompromiss: Die richtungsweisenden Benetzungseigenschaften führen zu nichtsymmetrischen Brücken, die einige Symmetrieebenen beibehalten (was die Analyse vereinfacht). Sie wurden theoretisch und numerisch als Fallstudie für poröse Medien untersucht. Systematische experimentelle Studien von Kapillarbrücken in der Spaltporengeometrie sind jedoch begrenzt. Hier stellen wir eine Methode zur Erstellung und Charakterisierung von Kapillarbrücken in der Spaltporengeometrie vor. Kurz gesagt besteht das Verfahren aus 1) der Herstellung von Säulen, um eine chemische und physikalische Heterogenität zu schaffen, 2) dem Design einer Mikrobühne, um die Brücken auszurichten und zu manipulieren, und 3) der Abbildung der Kapillarbrücken entweder von der Vorderseite oder von den Seiten, um ihre Morphologie zu charakterisieren. Die Charakterisierung der Brückenmorphologie sowie Vergleiche mit Oberflächenentwicklungssimulationen sind in einer separaten Publikation1enthalten.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die hier vorgestellte Methode bietet eine Möglichkeit, Kapillarbrücken in Derspaltgeometrie zu erstellen, sowie eine Methode zur Abbildung dieser Brücken, damit ihre Morphologie analysiert und mit Simulation und Theorie verglichen werden kann.
Diese Methode beinhaltet sowohl physikalische Reliefals als auch selektive chemische Musterung, um asymmetrische Benetzungseigenschaften zu erzeugen. Wenn nur eine chemische Heterogenität vorhanden ist, bleibt ein Flüssigkeitstropfen an der Heteroge…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren sind dankbar für die Unterstützung der National Science Foundation unter Grant No. CMMI-00748094 und dem 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 |
Referências
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