Escalable de sello de impresión y fabricación de superficies de Hemiwicking
Summary
Dispone de un protocolo simple para la fabricación de estructuras de hemiwicking de diferentes tamaños, formas y materiales. El protocolo utiliza una combinación de la estampa física, PDMS moldeado y película delgada superficial modificaciones vía común materiales técnicas de deposición.
Abstract
Hemiwicking es un proceso donde un líquido moja una superficie modelada más allá de su longitud normal mojado debido a una combinación de acción capilar y la imbibición. Este fenómeno de adherencia de soldadura es importante en muchos campos técnicos que van desde la fisiología a la ingeniería aeroespacial. Actualmente, varias técnicas existen para la fabricación de estructuras de hemiwicking. Estos métodos convencionales, sin embargo, a menudo son lentos y difíciles de escalar para grandes áreas o son difíciles de personalizar para geometrías de patrones específicos, no homogénea. El protocolo presentado proporciona investigadores con un simple, escalable y rentable método para la fabricación de las superficies micro-patrón hemiwicking. El método fabrica estructuras de drenaje mediante el uso de sello de impresión, polydimethylsiloxane (PDMS) de moldeo y capas de película delgada. El protocolo se demuestra hemiwicking con etanol en matrices de microcolumnas PDMS con un 70 nm aluminio de espesor de capa fina.
Introduction
Recientemente ha habido mayor interés en poder tanto activamente como pasivamente controlar la humectación, evaporación y la mezcla de fluidos. Hemiwicking únicamente textured superficies proporcionan una solución novedosa para técnicas de enfriamiento porque estas superficies con textura actúan como una bomba de fluido (o calor) sin partes móviles. Este movimiento fluido es impulsado por una cascada de eventos de acción capilar asociada a la curvatura dinámica de la fina película líquida. En general, cuando un líquido moja una superficie sólida, una curva delgada-película líquida (es decir, líquido menisco) rápidamente forma. El líquido grueso y el perfil de curvatura evolucionan hasta alcanzar un mínimo de energía libre. Para la referencia, este perfil de adherencia de soldadura dinámica puede decaimiento rápidamente a decenas de nanómetros de espesor dentro de una expansión (líquido de soldadura)-escala de longitud de sólo decenas de micrómetros. Así, esta transición región (película de líquido) puede experimentar cambios significativos en la interfaz de líquido curvatura. La transición región (película delgada) es donde se origina el casi toda la dinámica física y química. En particular, la transición región (película fina) es donde encuentran tasas de evaporación (1) máxima, gradientes de presión (2) dis-Unión y gradientes de presión (3) hidrostática1,2. Como resultado, curva líquido-películas juegan un papel vital en el transporte térmico, separación de fases, inestabilidades del líquido y la mezcla de varios componentes líquidos. Por ejemplo, con respecto a la transferencia de calor, los flujos de calor de pared más alta se han observado en esta región de capa fina altamente curvada, transición3,4,5,6,7.
Recientes estudios de hemiwicking han mostrado que la geometría (por ejemplo, altura, diámetro, etc.) y la colocación de los pilares determinan el perfil frente mojado y la velocidad del líquido pasando por las estructuras8. Como el frente del líquido se evapora la parte final de la última estructura en una matriz, el frente líquido se mantiene a distancia constante y curvatura, el líquido evaporado está siendo reemplazado por el líquido almacenado en el drenaje de estructuras9. Hemiwicking estructuras han utilizado también en tubos de calor y en superficies hirvienda para analizar y mejorar los mecanismos de transferencia de calor diferentes. 10 , 11 , 12.
Uno de los métodos actualmente utilizado para crear estructuras de drenaje es la litografía de impresión térmica13. Este método realiza estampando el diseño deseado en una capa de resistir en una muestra de molde de silicona con un sello de polímero termoplástico, después remueva el sello para mantener las microestructuras. Una vez extraída, la muestra se somete a un ion reactivo grabado proceso para eliminar cualquier exceso resiste capa14,15. Este proceso, sin embargo, puede ser sensible a la temperatura de la fabricación de las estructuras de drenaje e incluye varios pasos que utilizan varias capas para asegurar la exactitud de la absorción de estructuras16. También es el caso de que las técnicas de litografía no son prácticas para la macro-escala de dibujo; mientras que todavía proporcionan una forma para crear un patrón de microestructuras en una superficie, el rendimiento de este procedimiento es mucho menos que ideal para la reproducción a gran escala. Teniendo en cuenta a gran escala, reproducible texturizado, tales como capa spin o inmersión, existe una inherente falta de patrones controlable. Estos métodos crean una matriz aleatoria de microestructuras en la superficie del blanco, pero pueden ampliarse para cubrir áreas mucho más grandes de litografía tradicional técnicas17.
El protocolo que se describen en este informe intenta combinar las fortalezas de textura artesanal, al mismo tiempo eliminando las debilidades específicas de cada uno; define una manera de fabricar estructuras de hemiwicking personalizados de diferentes alturas, formas, orientaciones y materiales a escala macro y con potencial de alto rendimiento. Varios patrones de drenaje pueden ser creados rápidamente con el propósito de optimización de wicking características, tales como el control direccional de la velocidad del fluido, la propagación y la mezcla de diferentes fluidos. El uso de diferentes estructuras de drenaje también puede proporcionar diferentes espesores de película delgada y perfiles de curvatura, que pueden utilizarse para estudiar sistemáticamente el acoplamiento entre el calor y la transferencia de masa con diferentes espesores y curvatura del líquido menisco.
Protocol
Representative Results
Discussion
Se ha introducido un método para crear matrices de estampado de pilar para las estructuras hemiwicking; Esto se logra mediante impresión de cavidades sobre una oblea de plástico con un aparato de grabado que sigue patrones de un mapa de bits creado por el usuario. Una mezcla PDMS es luego vertida, curada y cubierta con una fina capa de aluminio por medio de deposición. Las características de la matriz de Pilar pueden ser personalizadas dependiendo del valor de escala de grises que se asigna en el mapa de bi…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este material está basado en investigación patrocinada parcialmente por la oficina de investigación Naval de Estados Unidos bajo la subvención no. N00014-15-1-2481 y la nacional Science Foundation bajo la subvención no. 1653396. Las opiniones y conclusiones contenidas en este documento son las de los autores y no debe interpretarse como que necesariamente representa la política oficial o anotaciones, ya sea expresa o implícita, de los Estados Unidos Oficina de investigación Naval, la Fundación Nacional de ciencia, o el gobierno de Estados Unidos.
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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