Skalbar stämpelutskrift och tillverkning av Hemiwicking ytor
Summary
Ett enkelt protokoll tillhandahålls för tillverkning av hemiwicking strukturer i varierande storlekar, former och material. Protokollet använder en kombination av fysiska stämpling, PDMS gjutning och tunnfilms-ytmodifieringar via vanliga material nedfall tekniker.
Abstract
Hemiwicking är en process där en vätska kissar en mönstrad yta utanför dess normala vätning längd på grund av en kombination av kapillärkraften och uppsugning. Fenomenet vätning är viktig inom många tekniska områden alltifrån fysiologi till flygteknik. För närvarande finns flera olika tekniker för att tillverka hemiwicking strukturer. Dessa konventionella metoder, men är ofta tidskrävande och är svåra att skala upp för stora områden eller är svåra att anpassa för specifika, ickehomogena mallning geometrier. Presenterade protokollet ger forskare med en enkel, skalbar och kostnadseffektiv metod för att fabricera mikro-mönstrad hemiwicking ytor. Metoden fabricerar fuktspridande strukturer med hjälp av stämpelutskrift, Polydimetylsiloxan (PDMS) gjutning och tunnfilms-ytbeläggningar. Protokollet är visat för hemiwicking med etanol på PDMS micropillar matriser belagd med en 70 nm tjock aluminium thin-film.
Introduction
Nyligen har man ökat intresse för att kunna både aktivt och passivt styra vätning, avdunstning, och blandning av vätskor. Unikt texturerat hemiwicking ytor ger en ny lösning för kylning tekniker eftersom dessa texturerade ytor fungerar som en vätska (eller värme) pump utan rörliga delar. Denna flytande rörelse drivs av en kaskad av kapillärkraften händelser i samband med dynamisk krökning av den flytande thin-filmen. I allmänhet när en vätska kissar en fast yta, bildar snabbt en böjd flytande tunn film (dvs flytande menisken). Flytande tjocklek och krökning profil utvecklas tills fri energi minst nås. För referens, kan denna dynamiska vätning profil snabbt sönderfalla till tiotals nanometer i tjocklek inom en spanning (vätska-vätning) längd-skala bara tiotals mikrometrar. Således kan denna övergångsperiod (vätska-film) region genomgå betydande förändringar i vätska-interface krökning. Övergångsbestämmelser (thin-film) regionen är där nästan alla dynamiska fysik och kemi härrör. Övergångsbestämmelser (thin-film) regionen är särskilt där maximal (1) avdunstningen, (2) dis-gå trycket lutningar och (3) hydrostatiska trycket lutningar finns1,2. Som ett resultat, spelar böjda vätska-filmerna en viktig roll i termisk transport, fasseparation, flytande instabilitet och blandning av flera olika komponenter vätskor. Exempelvis när det gäller värmeöverföring, har högsta väggen värme flödena observerats i denna starkt böjda, övergångsbestämmelser tunnfilms-region3,4,5,6,7.
Senaste hemiwicking studier har visat att geometri (t.ex. höjd, diameter, etc.) och placeringen av pelarna bestämma vätning frontprofilen och hastighet av vätska rinner genom de strukturer8. Som vätska framsidan är indunstning stänga i slutet av den sista strukturen i en matris, bibehålls vätska framsidan på ett konstant avstånd och krökning, som avdunstad vätska ersätts av den vätska som lagras i fuktspridande strukturer9. Hemiwicking strukturer har också använts i heatpipes och på kokande ytor att analysera och förbättra olika värme överföring mekanismer. 10 , 11 , 12.
En metod som används för att skapa fuktspridande strukturer är termisk imprint litografi13. Denna metod utförs av stämpling önskad layout till ett motstå lager på ett silikon mögel prov med en termoplastisk polymer stämpel och sedan ta bort stämpeln för att upprätthålla mikrostrukturer. När tagits bort sätts provet genom en reactive ion etsning process för att ta bort någon av de överskjutande motstå lager14,15. Denna process, men kan vara känsliga för temperaturen på tillverkning av fuktspridande strukturer och omfattar flera steg som utnyttjar olika beläggningar för att säkerställa riktigheten av de fuktspridande strukturer16. Det är också så att litografi tekniker inte är praktiska för makronivå mönstring; medan de ger fortfarande ett sätt att skapa ett mönster av mikrostrukturer på en yta, är genomströmning av detta förfarande långt mindre än idealisk för storskalig reproduktion. Med tanke på storskaliga, reproducerbara texturering, såsom spin eller dopp beläggning, finns det en inneboende brist kontrollerbar mallning. Dessa metoder skapar du en slumpmässiga matris av mikrostrukturer på mål ytan men kan skalas för att täcka betydligt större utrymmen än traditionella litografi tekniker17.
Protokollet beskrivs i detta betänkande försöker kombinera styrkorna hos traditionella texturgivande metoder och samtidigt eliminera särskilda svagheterna i varje; Det definierar ett sätt att fabricera anpassade hemiwicking strukturer på olika höjder, former, riktlinjer och material på en makronivå och med potentiellt hög genomströmning. Olika fuktspridande mönster kan skapas snabbt för optimering av fuktspridande egenskaper såsom riktad kontroll av vätska hastighet, förökning och blandning av olika vätskor. Användningen av olika fuktspridande strukturer kan också ge varierande tunnfilms-tjocklek och krökning profiler, som kan användas för att systematiskt studera kopplingen mellan värme- och massöverföring med olika tjocklek och krökning profiler av vätskan menisken.
Protocol
Representative Results
Discussion
En metod har införts för att skapa mönstrade pelaren arrayer för hemiwicking strukturer. Detta sker genom prägling hålrum på en plast wafer med en gravyr apparat som följer mönster från en bitmapp som skapats av användaren. En PDMS blandning hälls sedan, botas och belagda med en tunn film av aluminium via nedfall. Pelaren array egenskaper kan anpassas beroende på gråskalan värdet som tilldelas i bitmappsbilden efter detta protokoll. Detta avgörande aspekt för mallning kan skapa ett brett utbud a…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta material bygger på forskning delvis sponsrade av USA Office of Naval Research under Grant nr N00014-15-1-2481 och National Science Foundation under Grant nr 1653396. De åsikter och slutsatser häri är författarnas och bör inte tolkas som nödvändigtvis representerar officiella politik eller påskrifter, antingen uttryckliga eller underförstådda, av amerikanska Office of Naval Research, National Science Foundation, eller Förenta staternas regering.
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
- Plawsky, J. L., et al. Nano- and Micro-structures for Thin Film Evaporation – A Review. Nanoscale and Microscale Thermophysical Engineering. 18, 251-269 (2014).
- Derjaguin, B. V., Churaev, N. V. On the question of determining the concept of disjoining pressure and its role in the equilibrium and flow of thin films. Journal of Colloid and Interface Science. 66, 389 (1978).
- Ma, H. B., Cheng, P., Borgmeyer, B., Wang, Y. X. Fluid flow and heat transfer in the evaporating thin film region. Microfluidics and Nanofluidics. 4 (3), 237-243 (2008).
- Hohmann, C., Stephan, P. Microscale temperature measurement at an evaporating liquid meniscus. Experimental Thermal and Fluid Science. 26 (2-4), 157-162 (2002).
- Potask, M., Wayner, P. C. Evaporation from a two-dimensional extended meniscus. International Journal of Heat Mass Transfer. 15 (10), 1851-1863 (1972).
- Panchamgam, S. S., Plawsky, J. L., Wayner, P. C. Microscale heat transfer in an evaporating moving extended meniscus. Experimental Thermal and Fluid Science. 30 (8), 745-754 (2006).
- Arends, A. A., Germain, T. M., Owens, J. F., Putnam, S. A. Simultaneous Reflectometry and Interferometry for Measuring Thin-film Thickness and Curvature. Review of Scientific Instruments. 89 (5), (2018).
- Zhu, Y., Antao, D. S., Lu, Z., Somasundaram, S., Zhang, T., Wang, E. N. Prediction and characterization of dry out heat flux in micropillar wick structures. Langmuir. 32 (7), 1920-1927 (2016).
- Kim, J., Moon, M. W., Kim, H. Y. Dynamics of hemiwicking. Journal of Fluid Mechanics. 800, 57-71 (2016).
- Ding, C., Soni, G., Bozorgi, P., Meinhart, C. D., MacDonald, N. C. Wicking Study of Nanostructured Titania Surfaces for Flat Heat Pipes. Nanotech Conference & Expo. , (2009).
- Chen, R., Lu, M. C., Srinivasan, V., Wang, Z., Cho, H. H., Majumdar, A. Nanowires for Enhanced Boiling Heat Transfer. Nano Letters. 9 (2), 548-553 (2009).
- Kim, B. S., Choi, G., Shim, D., Kim, K. M., Cho, H. H. Surface roughening for hemi-wicking and its impact on convective boiling heat transfer. International Journal of Heat and Mass Transfer. 102, 1100-1107 (2016).
- Mikkelsen, M. B., et al. Controlled deposition of sol-gel sensor material using hemiwicking. Journal of Micromechanics and Microengineering. 21 (11), (2011).
- Haatainen, T., Ahopelto, J. Pattern Transfer using Step&Stamp Imprint Lithography. Physica Scripta. 67 (4), 357-360 (2003).
- Chou, S. Y., Krauss, P. R., Renstrom, P. J. Nanoimprint lithography. Journal of vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena. 14 (6), 4129 (1996).
- Pozzato, A., et al. Superhydrophobic surfaces fabricated by nanoprint lithography. Microelectronic Engineering. 83 (4-9), 884-888 (2006).
- Nair, R. P., Zou, M. Surface-nano-texturing by aluminum-induced crystallization of amorphous silicon. Surface and Coatings Technology. 203 (5-7), 675-679 (2008).
- Ashby, P. D., Lieber, C. M. Ultra-sensitive Imaging and Interfacial Analysis of Patterned Hydrophilic SAM Surfaces Using Energy Dissipation Chemical Force Microscopy. Journal of the American Chemical Society. 127 (18), 6814-6818 (2005).
