Hemiwicking 表面の作製とスケーラブルなスタンプ印刷
Summary
単純なプロトコルは、さまざまなサイズ、形および材料の hemiwicking 構造の作製に提供されます。プロトコルは、物理的なプレス、成形、PDMS 薄膜表面改質による共通材料成膜技術の組み合わせを使用します。
Abstract
Hemiwicking は、液体が毛細管と吸水の組み合わせにより、通常ぬれ長さを超えてパターン付きのサーフェスを濡らすプロセスです。このぬれ現象の生理学から航空宇宙工学に至るまで多くの技術分野で重要です。現在、hemiwicking 構造体を製造するためさまざまな方法が存在します。これらの従来の方法、ただし、時間がかかることが多いおよび大きい区域のためのスケール アップしにくいまたは特定の不均質のパターン形状をカスタマイズすることは困難。提案するプロトコルは、シンプルで拡張性が高く、研究者、hemiwicking のマイクロ パターン表面を製造するコスト効果の高い方法を提供します。メソッドは、スタンプ印刷、ポリジメチルシロキサン (PDMS) 成形、薄膜表面のコーティングを利用して発散性に優れた構造をでっち上げます。プロトコルはエタノール、70 nm 厚のアルミ薄膜被覆 PDMS 駆動式マイクロピラー アレイ上で hemiwicking を示されています。
Introduction
最近積極的にそして受動的制御ぬれ、蒸発、できることと、流体の混合の高められた興味がずっとあります。独特の手触りの hemiwicking 表面冷却技術これらの織り目加工の表面は、可動部分のない流体 (または熱) ポンプとして機能するための新規ソリューションを提供します。この滑らかな動きは、液体薄膜の動的曲率に関連付けられた毛管イベントのカスケードによって駆動されます。一般的には、流体は固体表面を濡らす、湾曲した液体薄膜 (すなわち、液体メニスカス) 急速に形成します。流体厚と曲率形状自由エネルギー最小値に達するまでに進化します。リファレンスについては、数十ナノメートルの厚さのだけ数十 μ m のスパン (流体-ぬれ) 長さスケールの内でこの動的ぬれ性プロファイルを崩壊する急速にできます。したがって、この遷移 (液膜) 領域は、液界面曲率の大きな変化を受けることができます。遷移 (薄膜) 領域は、ほぼすべてのダイナミックな物理と化学が由来です。特に、遷移 (薄膜) 領域は最大蒸発 (1)、(2) 投接合圧力グラデーション、および (3) 静水圧勾配は1,2を発見しました。その結果、湾曲した液体膜は熱伝導、相分離、流体不安定性、多成分流体の混合で重要な役割を果たします。例えば、熱伝達に関してこの非常に湾曲した、過渡的薄膜領域3,4,の5,6,7最高の壁面熱流束を観察されています。
Hemiwicking の最近の研究では、ジオメトリ (例えば高さ、直径など) と柱の配置はぬれフロント プロファイルと構造8を介して実行している流体の速度を決定することを示しています。流体のフロントは、配列で最後の構造の端を離れて蒸発は、蒸着の流体は、吸湿発散性の構造9の格納されている流体によって置換されていると、一定の距離、曲率、流体のフロントは保持されます。Hemiwicking 構造も使用されているヒートパイプと沸騰の表面を分析し、異なる熱伝達メカニズムを強化します。10,11,12。
現在発散性に優れた構造を作成するために使用する 1 つの方法は熱インプリント リソグラフィ13です。このメソッドは、熱可塑性ポリマー スタンプを持つシリコン金型サンプルにレジスト層に目的のレイアウトをスタンプし、組織を維持するためにスタンプを削除することによって実行されます。取り外したら、反応性イオン エッチング余分なレジスト層14,15のいずれかを削除するプロセスを介してサンプルを置きます。このプロセスは、発散性に優れた構造の作製の温度に敏感であることができ、吸湿発散性構造16の精度を保証する各種コーティングを利用する複数のステップが含まれています。また、リソグラフィ技術はマクロ スケールのパターニングのため実用的ではない事例です。彼らはまだ表面に微細構造のパターンを作成する方法を提供する、この手順のスループットは大規模な再現によりずっとより少なく最適です。大規模な再現可能なテクスチャ、スピンやディップ コーティングなどを考慮して制御可能なパターニングの固有の不足があります。これらのメソッドは、ターゲット表面に微細構造のランダムな配列を作成するが、伝統的なリソグラフィ技術17より大幅に大きい区域をカバーすることができます。
このレポートに記載されているプロトコルが同時にそれぞれの特定の弱点を排除しながら従来のテクスチャの強さを結合しようそれは様々 な高さ、形、向き、および潜在的に高いスループットとマクロ スケールの材料のカスタム hemiwicking 構造を作製する方法を定義します。流体の速度、伝達、および異種流体混合の方向制御などの特性を吸湿発散性の最適化を目的として、様々 な吸湿発散性パターンをすばやく作成できます。さまざまな厚さと厚さの異なる熱と物質移動間のカップリングを体系的に学習するために使用できる曲率プロファイルおよび液体の曲率プロファイル別の発散性に優れた構造体の使用ができます。メニスカス。
Protocol
Representative Results
Discussion
Hemiwicking 構造のパターン化された柱の配列を作成する方法が導入されていますこれは、ユーザーによって作成されたビットマップからパターンに続く彫刻装置をプラスチック基板上の空洞を刷り込みで。PDMS の混合物を注ぎ、硬化し、を介してアルミ蒸着の薄膜でコーティングします。柱配列の特性は、次のこのプロトコル ビットマップに割り当てられているグレースケール値に応じ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この材料は部分的にグラント号下海軍研究所、アメリカ合衆国主催の研究に基づいてください。N00014-15-1-2481、国立科学財団助成金第 1653396 の下で。ビューおよび結論はここに含まれる、これらの者と必ずしも表す公式の方針か明示または黙示を問わず、海軍研究米国のオフィス、国立科学財団の推薦として解釈されるべきではないか米国政府。
Materials
| NI-DAQ 9403 | National Instruments | 370466AE-01 | The communication interface between the camera and the control switch for the laser. |
| Control Switch | Crouzet | GN84134750 | A controller to use for the laser that activates the laser based on the voltage sent by the DAQ. |
| Flea Camera | FLIR | FL3-U3-120S3C-C | A flea camera used for imaging the drill bit on the plastic mold. |
| Flea Imaging Camera | Point Grey | FL3-U3-20E4M-C | A flea camera used for obtaining the side images of the pillars. |
| 200 Steps/rev, 12V-350mA Stepper Motor (x2) | AdaFruit | 324 | The stepper motors are used to control the depth and angle of the end mill. |
| 10x Infinity Corrected Long Working Distance Objective | Mitutoyo | #46-144 | The objective used to get the image of the side of the pillars. |
| 15x Infinite Conjugate, UV Coated, ReflX Objective | TechSpec | #58-417 | The objective used to get the image of the top of the pillars. |
| 72002 0.002D X 0.006 LOC Carbide SQ 2FL Miniature End Mill | Harvey Tools | 72002 | The drill bit that was used to create holes in the plastic mold. |
| DC Power Delivery at 1 kW | Advanced Energy | MDX-1K | Used to power the deposition sputterer. |
| Turbo-V 70LP Nacro Torr Pump | Varian | 9699336 | Turbo Pump used to reduce pressure inside deposition chamber. |
| 2000mw, 405nm High-Power Blue Light Focus Laser | WDLasers | KREE | Sample Heating Laser |
| 5.875" I.D. Dessicator w/ 0.25" Tube Connections | McMaster-Carr | 2204K5 | PDMS Dessicator |
| SYLGARD 184 Silicone Elastomer, 0.5kg Kit | Dow-Corning | 4019862 | The PDMS Kit used to make the base. |
| Diaphragm Air Compressor / Vacuum Pump | Gast | DOL-701-AA | Dessicator Vacuum Pump |
| Motorized Linear Stages (2x) | Standa | 8MT175 | The stepper motors used to control the sample plate in the x- and y- direction. |
| 2" Diameter Unmounted Poistive Achromatic Doublets, AR Coated: 400-700 nm | ThorLabs | AC508-150-A | The achromat was ued in order to obtain the images of the side of the pillars. |
| Flea 3 Mono Camera, 2448 X 2048 Pixels | Point Grey | FL3-GE-50S5M-C | A flea camera used for imiaging the top of the pillars. |
| Digital Vacuum Transducer | Thyrcont Vacuum Instruments | 4940-CF-212734 | Used for monitoring pressure inside deposition chamber. |
| Pressurized Argon Tank Resovoir | Airgas | AR RP300 | Gas used in deposition process. |
| 1-D Translation Stage | Newport Corporation | TSX-1D | A translation stage used to move the camera to focus on the end mill. |
| Cylindrical Laser Mount (x2) | Newport Corporation | ULM-TILT-M | The laser mount was used to move the camera to focus on the end mill. |
| Benchtop Chiller with Centrifugal Pump, 120V, 60Hz | Polyscience | LS51MX1A110C | A chiller used for the deposition assembly. |
| Alcatel Adixen 2010SD XP, Explosion Proof Motor, Rotary Vane Vacuum Pump, 1-Phase | Ideal Vacuum Products | 210SDMLAM-XP | A vacuum pump used for the deposition assembly. |
| Fan, 105 CFM, 115 V (x2) | Comair Rotron | MU2A1 | A fan used for cooling certain aspects of the deposition assembly. |
References
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