تصنيع وتصور الجسور الشعرية في هندسة المسام الشق
Summary
يتم تقديم إجراء لإنشاء وتصوير الجسور الشعرية في هندسة المسام الشقية. يعتمد إنشاء الجسور الشعرية على تكوين الأعمدة لتوفير التغايرية الفيزيائية والكيميائية الاتجاهية لتثبيت السائل. يتم تشكيل الجسور الشعرية والتلاعب بها باستخدام microstages وتصور باستخدام كاميرا CCD.
Abstract
يتم تقديم إجراء لإنشاء وتصوير الجسور الشعرية في هندسة المسام الشقية. يتم تصنيع أعمدة رهاب الماء عالية نسبة الارتفاع ووظيفية لجعل أسطحها العلوية مائية. مزيج من ميزة المادية (عمود) مع الحدود الكيميائية (الفيلم hydrophilic على الجزء العلوي من العمود) يوفر كل من التغايرية الفيزيائية والكيميائية التي دبابيس خط التماس الثلاثي، وهي ميزة ضرورية لإنشاء جسور الشعرية طويلة مستقرة ولكن ضيقة. يتم إرفاق الركائز مع أعمدة إلى الشرائح الزجاجية وتأمينها في أصحاب مخصصة. ثم يتم تركيب أصحاب على أربعة محاور microstages ووضعها بحيث تكون الأعمدة موازية وتواجه بعضها البعض. تتشكل الجسور الشعرية من خلال إدخال سائل في الفجوة بين الركيزتين بمجرد أن يتم تقليل الفصل بين الأعمدة المواجهة إلى بضع مئات من الميكرومترات. ثم يتم استخدام المرحلة المصغرة المخصصة لتغيير ارتفاع الجسر الشعري. يتم وضع كاميرا CCD لتصوير إما طول أو عرض الجسر الشعري لتوصيف مورفولوجيا واجهة السوائل. تم تصنيع الأعمدة ذات العرض وصولا إلى 250 ميكرومتر والأطوال التي تصل إلى 70 مم باستخدام هذه الطريقة ، مما أدى إلى جسور شعرية بنسب عرض إلى ارتفاع (طول / عرض) تزيد عن 1001.
Introduction
وكانت دراسة الشكل والقوى الناتجة عن الجسور الشعرية موضوع دراسات مستفيضة2-7. في البداية تركزت معظم الجهود، بسبب بساطتها، على الجسور الشعرية المحورية. غالبا ما تكون الجسور الشعرية التي تحدث في النظم الطبيعية ، مثل تلك الموجودة في الوسائط الحبيبية والمليئة بالثغرات8،9 والجسور المستخدمة في التطبيقات التكنولوجية ، مثل التجميع الذاتي الشعري في تقنيات رقاقة الوجه10-15 غير متماثلة مع خصائص الترطيب غير الموحدة على الأسطح المتفاعلة. الجمع بين تقنيات الطباعة الحجرية المحسنة جنبا إلى جنب مع إمكانية الوصول إلى أدوات رقمية بسيطة لنموذج واجهات السوائل يسمح لإنشاء ونمذجة الجسور الشعرية مع زيادة التعقيد.
الجسور الشعرية في هندسة مسام الشق تقدم حلا وسطا للاهتمام: خصائص التبول الاتجاهي تؤدي إلى الجسور غير المحورية التي تحتفظ ببعض الطائرات التماثل (الذي يبسط التحليل). وقد تمت دراستها نظريا عدديا كدراسة حالة لوسائل الإعلام المسامية. غير أن الدراسات التجريبية المنهجية للجسور الشعرية في هندسة المسام الشقية كانت محدودة. هنا نقدم طريقة لإنشاء وتوصيف الجسور الشعرية في هندسة المسام الشق. باختصار، تتكون الطريقة من 1) تصنيع الأعمدة لخلق عدم التجانس الكيميائي والمادي، 2) تصميم المرحلة الدقيقة لمحاذاة والتلاعب الجسور، و 3) تصوير الجسور الشعرية إما من الأمام أو الجانبين لتوصيف مورفولوجيا بهم. يتم توفير توصيف مورفولوجيا الجسر ، جنبا إلى جنب مع مقارنات لمحاكاة السطح المتطور في منشور منفصل1.
Protocol
Representative Results
Discussion
الطريقة المعروضة هنا يوفر وسيلة لإنشاء الجسور الشعرية في هندسة المسام الشق، وأيضا وسيلة لتصوير هذه الجسور بحيث يمكن تحليل مورفولوجيا ومقارنتها إلى المحاكاة والنظرية.
تتضمن هذه الطريقة الإغاثة المادية وكذلك النقش الكيميائي الانتقائي لإنشاء خصائص ترطيب غير متماثلة. إذا كا…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ويشكر المؤلفون على دعم المؤسسة الوطنية للعلوم في إطار المنحة رقم 1000/ 1999. CMMI-00748094 وN000141110629.
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 |
References
- 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).
