Artículo de método

Fabricación Y Visualización De Puentes Capilares En Geometría De Poro Hendidura

DOI:

10.3791/51143

⸱

9 de enero de 2014

 , 
1Chemical and Biomolecular Engineering Department, Johns Hopkins University

En este artículo

Resumen

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Un procedimiento para crear y los puentes capilares de la proyección de imagen en geometría del rajar-poro se presenta. La creación de puentes capilares se basa en la formación de pilares para proporcionar una heterogeneidad física y química direccional para fijar el fluido. Los puentes capilares se forman y manipulan mediante microetapas y se visualizan mediante una cámara CCD.

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Un procedimiento para crear y los puentes capilares de la proyección de imagen en geometría del rajar-poro se presenta. Los pilares hidrofóbicos de alta relación de aspecto se fabrican y funcionalizan para hacer que sus superficies superiores sean hidrófilas. La combinación de una característica física (el pilar) con un límite químico (la película hidrofílica en la parte superior del pilar) proporciona una heterogeneidad física y química que fija la línea de triple contacto, una característica necesaria para crear puentes capilares largos pero estrechos estables. Los sustratos con los pilares se unen a portaobjetos de vidrio y se aseguran en soportes personalizados. Los soportes se montan en microetapas de cuatro ejes y se colocan de tal manera que los pilares son paralelos y uno frente al otro. Los puentes capilares se forman introduciendo un fluido en el espacio entre los dos sustratos una vez que la separación entre los pilares orientados se ha reducido a unos pocos cientos de micrómetros. El microetapa personalizado se emplea para variar la altura del puente capilar. Una cámara CCD se coloca para obtener imágenes de la longitud o la anchura del puente capilar para caracterizar la morfología de la interfaz del fluido. Los pilares con anchos de hasta 250 μm y longitudes de hasta 70 mm se fabricaron con este método, lo que llevó a puentes capilares con relaciones de aspecto (longitud / anchura) de más de 1001.

Introducción

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El estudio de la forma y las fuerzas resultantes causadas por los puentes capilares ha sido objeto de amplios estudios2-7. Inicialmente la mayoría de los esfuerzos se centraron, debido a su simplicidad, en puentes capilares axisimétricos. A menudo, los puentes capilares que ocurren en sistemas naturales, como los que se encuentran en medios granulares y porosos8,9 y los puentes empleados en aplicaciones tecnológicas, como para el autoensamblaje capilar en tecnologías de flip chip10-15 son asimétricos con propiedades de humectación no uniformes en las superficies que interactúan. La combinación de técnicas de litografía mejoradas junto con la accesibilidad de herramientas numéricas simples para modelar interfaces de fluidos permite la creación y modelado de puentes capilares con una complejidad cada vez mayor.

Los puentes capilares en geometría de hendidura-poro ofrecen un compromiso interesante: las propiedades de humectación direccional conducen a puentes noaxisimétricos que conservan algunos planos de simetría (lo que simplifica el análisis). Se han estudiado teórica y numéricamente como un estudio de caso para medios porosos. Sin embargo, los estudios experimentales sistemáticos de puentes capilares en geometría de hendidura-poro han sido limitados. Aquí presentamos un método para crear y caracterizar puentes capilares en geometría de poro de hendidura. Brevemente, el método consiste en 1) la fabricación de pilares para crear una heterogeneidad química y física, 2) el diseño de un microestage para alinear y manipular los puentes, y 3) la imagen de los puentes capilares ya sea desde el frente o los lados para caracterizar su morfología. La caracterización de la morfología del puente, junto con las comparaciones con las simulaciones de evolucionistas de superficie se proporcionan en una publicación separada1.

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Protocolo

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El texto del protocolo se divide en tres secciones principales: 1) la fabricación de los pilares del PDMS (polidimetilsiloxano), 2) la funcionalización de las partes superiores de los pilares, y 3) la formación y caracterización de los puentes capilares.

1. Fabricación de los pilares pdms

Esta sección detalla la fabricación de los pilares PDMS utilizando fundición a presión con un molde de silicio/SU-8.

  1. Fabricación de silicio/molde SU-8
    1. Coloque un 4 limpio en oblea de silicio en una placa de Petri de Pyrex.
    2. Prepare una solución de ácido sulfúrico 4:1 (por volumen) a peróxido de hidrógeno (piraña) en un casto separado.
      Nota: Se necesita extrema precaución en la preparación y el uso de la solución de piraña. La reacción es altamente exotérmica y se requerirán guantes aislados para manejar los picos. Piraña reacciona violentamente con los orgánicos. Deje que la solución de piraña se enfríe a temperatura ambiente antes de desecharla. Sólo preparar la solución suficiente necesaria para sumergir la oblea en el plato.
    3. Vierta la solución de piraña lentamente sobre la oblea de silicio hasta que esté completamente sumergida. Dejar reposar durante 15 min.
    4. Retire la oblea de la placa de Petri y enjuague bajo una corriente de: agua desionizada (DI) durante 2 minutos, etanol durante 30 segundos, acetona durante 30 segundos, luego seque con nitrógeno.
      Nota: Si los residuos de acetona son un problema, se recomienda un enjuague adicional con IPA
    5. Seque la oblea en una placa caliente a 150 °C durante 15 min.
    6. Retirar de la placa caliente y dejar enfriar a temperatura ambiente.
    7. Haga girar la capa SU-8 2002 sobre la superficie de la oblea durante 40 segundos a 500 rpm.
    8. Spin coat SU-8 2050 en la oblea con un programa de recubrimiento de giro de dos pasos. Paso 1: 40 seg a 500 rpm. Paso 2: 1 min a 1.500 rpm.
    9. Retire la oblea de la recubridora de espín y colóquela sobre una placa caliente precalentada (65 °C) durante 10 min.
    10. Dejar enfriar a temperatura ambiente, luego colocar la máscara sobre la oblea.
    11. Colocar bajo la lámpara ultravioleta y exponer durante 30 segundos a 200 vatios.
    12. Retire la máscara y coloque la oblea en una placa caliente precalentada (95 °C) durante 10 min.
    13. Coloque en la solución su-8 developer y agitar ligeramente hasta que todo su-8 no expuesto ha sido eliminado. Luego enjuague en una corriente de alcohol isopropílico durante 30 segundos, seque con nitrógeno.
    14. Colocar sobre una placa caliente precalentada (95 °C) durante 30 min para un hardbake final.
  2. Fundición a presión de los pilares pdms
    1. Mezcle vigorosamente una relación de masa de 10:1 de la base de PDMS sylgard-184 al agente de curado en el beaker.
    2. Desgasificar PDMS en una cámara de vacío hasta que todas las burbujas hayan desaparecido.
    3. Coloque el molde fabricado en la sección 1.1 en un plato grande de pesaje de 4 en plástico y vierta el PDMS.
    4. Coloque el plato con PDMS y vuelva a moldear en la cámara de vacío. Desgasificar de nuevo hasta que todas las burbujas se hayan ido.
    5. Colocar todo el plato en un horno (precalentado a 75 °C) durante al menos 2 horas. Luego dejar enfriar a temperatura ambiente.
    6. Corte el plato del PDMS y el PDMS de la oblea de silicio con una cuchilla de afeitar recta.
    7. Cortar la región PDMS con los pilares de la mayor parte y almacenar en una placa de Petri limpia.

2. Funcionalización de las cimas de los pilares

Este proceso de tres pasos implica primero la evaporación de una película de oro en una oblea de silicio, seguida de la litografía de transferencia de impresión16 de la película de oro sobre los pilares pdms (fabricados en la sección 1), y por último la funcionalización de la película de oro con una monocapa autoensamblada para hacerla hidrofílica.

  1. Fabricación de oro en obleas de silicio para litografía de transferencia de huellas
    1. Utilice un cortador de vidrio para cortar un 4 en oblea circular de silicio en 4 piezas de igual tamaño. Nota: Las obleas se pueden limpiar siguiendo los pasos 1.1.2-1.1.4 y reutilizarse.
    2. Evaporar 20 nm de oro directamente sobre la oblea de silicio.
    3. Deje la oblea en la cámara de evaporación (o en un desecador) hasta que se complete la sección 3 a continuación. Esto mantendrá la oblea lo más limpia posible.
    4. Preparar un 8 μl:20 ml, (3-mercaptopropil)-trimetoxisilano (MPTS): solución de tolueno en un vial de vidrio limpio.
    5. Preparar 200 ml de ácido clorhídrico (HCl) de 16 mM en un casto limpio.
    6. Ponga la oblea con película de oro en el reactor de plasma.
    7. Limpie la oblea usando plasma de oxígeno a una presión de 300 mTorr, potencia de 50 W durante 10 min.
      Nota: Para este procedimiento un reactor casero del plasma fue utilizado.
    8. Ponga la oblea en una placa de Petri de Pyrex llena de etanol de prueba 200 durante al menos 10 min.
      Nota: Este paso se realiza para eliminar los óxidos inestables que se forman en el oro debido al plasma de oxígeno.
    9. Enjuague la oblea con etanol, luego seque con nitrógeno.
    10. Gire la capa de la solución MPTS sobre la oblea a 500 rpm durante 30 segundos seguido de 2.750 rpm durante 1 min.
      Nota: MPTS se utiliza como una capa de adhesión entre el PDMS y la capa de oro16.
    11. Tome la oblea de la recubridora de espín y enjuague bajo una corriente de etanol. Luego, enjuague con agua DI y seque con nitrógeno.
      Nota: Enjuague suavemente para evitar el pelado de la capa de oro de la oblea de silicio.
    12. Coloque la oblea en una placa de Petri de Pyrex que contenga suficiente solución HCl de 16 mM para sumergir completamente la oblea. Dejar en HCl durante al menos 5 min.
      Nota: Colóquelo suavemente en la solución para evitar que el oro se desprenda.
      Nota: Esto se hace para mejorar la adherencia entre el PDMS y la capa de oro16.
    13. Retire la oblea de la solución de HCl y seque con nitrógeno.
      Nota: las obleas deben usarse no más de 15-20 minutos después de que se complete este paso.
  2. Litografía de transferencia de impresión del oro de la oblea a los pilares de PDMS
    1. Prepare un portaobjetos de vidrio de 25 mm x 75 mm para cada muestra de PDMS enjuagándolo con etanol, agua DI y seque con nitrógeno.
    2. Coloque los pilares PDMS en la cámara de plasma y realice el plasma de oxígeno a una presión de 300 mTorr y una potencia de 50 W durante 30 segundos.
      Nota: la sobreexposición del PDMS al plasma de oxígeno causará agrietamiento. Ajuste las condiciones del plasma en consecuencia.
    3. Ate la parte posterior de los sustratos pdms a los portaobjetos de vidrio limpios mediante la aplicación de presión de luz a ellos. La corredera de vidrio facilita las manipulaciones de los pilares PDMS y el montaje en el dispositivo descrito en el paso 3.
    4. Voltee los sustratos pdms con respaldo de vidrio y presione los pilares hacia abajo sobre las películas de oro funcionalizadas por MPTS (paso 2.1). Aplique una presión moderada inicialmente y luego coloque un peso (aproximadamente 100 g) en el portaobjetos de vidrio para garantizar el contacto conforme.
    5. Deje el sustrato en contacto con la oblea de silicio durante al menos 12 horas.
    6. Separe el sustrato PDMS de la oblea. Si el sustrato del PDMS está atascado, use una cuchilla de afeitar recta para sacar cuidadosamente un borde del PDMS de la oblea.
    7. En este punto, una película de oro uniforme debe estar presente en la parte superior de los pilares pdms. Utilice un microscopio óptico para verificar que la película de oro no está agrietada o que no faltan piezas a lo largo del pilar.
  3. Funcionalización del oro en la parte superior de los pilares pdms
    1. Prepare suficiente ácido mercaptohexadecanoico de 1 mM (MHA) en dimetil sulfóxido (DMSO) para sumergir completamente el oro en la parte superior de los pilares de PDMS.
      Nota: DMSO se utiliza para su factor bajo de la hinchazón de PDMS17.
    2. Coloque los sustratos pdms en la solución MHA y manténgalos allí durante al menos 24 horas.
    3. Retire el sustrato de la solución de MHA y enjuague con agua DI, luego seque con nitrógeno.
    4. Colocar en cámara de vacío (presión < 100 mTorr a 25 °C) durante al menos 12 hr.

Nota: Para verificar que el proceso de funcionalización fue exitoso, el paso 2 se puede realizar en una pieza a granel de PDMS (sin pilares) y el ángulo de humectación se puede probar en un goniómetro. Las películas de oro MHA deben tener ángulos de contacto con el agua que avanzan y retrocede de <15° y ~0°, respectivamente. 18.

3. Formación y Caracterización de los Puentes Capilares

Esta sección detalla cómo se puede introducir un puente líquido entre dos sustratos seguido de su caracterización a través de imágenes a diferentes alturas y volúmenes de fluidos.

  1. Usando dos sustratos de pilar (hechos en los pasos 1-2), coloque uno en la parte superior y otro en los soportes inferiores. Asegure los sustratos utilizando tornillos de tensión laterales.
    Nota: vea el cuadro 1 y los resultados representativos para los detalles del dispositivo.
  2. Monte el dispositivo uniendo la etapa de sustrato superior a la placa de pan de tal manera que el sustrato superior esté aproximadamente por encima del sustrato inferior. Disminuir la altura entre los dos pilares orientados a aproximadamente 1 mm.
  3. Alineación aproximada: usando las perillas x, y y de rotación en la etapa de sustrato inferior alinean (a simple vista) las tiras de oro para los dos sustratos para que sean paralelas (mirando de arriba hacia abajo a través del sustrato superior).
  4. Alineación fina: coloque la cámara para mirar hacia abajo la longitud del pilar PDMS. Usando la alimentación de la cámara en vivo en la pantalla de la computadora, ajuste aún más la posición del sustrato inferior para que los pilares estén paralelos.
  5. Mueva la cámara al lado opuesto del dispositivo y repita el paso 3.4.
  6. Disminuya la separación entre los dos pilares hasta que el pilar superior haga contacto con el pilar inferior (utilizando la alimentación de la cámara en vivo). Cero la micro etapa digital. Esto se definirá como una altura de poro de cero.
  7. Aumente la altura del poro a aproximadamente 200 μm.
  8. Prepare una jeringa con 1-5 μl de un 80% de glicerol, 20% solución de agua. Coloque una aguja de 30 G en el extremo de la jeringa, asegurándose de que no haya burbujas de aire atrapadas dentro de la aguja.
    Nota: la mezcla de agua/glicerol se utiliza para reducir la evaporación durante el experimento. También se puede emplear agua.
  9. Monte la jeringa en la etapa de traducción xyz de la jeringa con una abrazadera mecánica.
  10. Ajuste los micrómetros en la etapa de posicionamiento de la jeringa para que la aguja encaje en el poro de la hendidura (paralelo a la longitud de los pilares).
  11. Disminuya la altura del poro de la hendidura para que las superficies superior e inferior entren suavemente en contacto con la aguja. Esto asegurará que el líquido toque ambas superficies y forme espontáneamente un puente capilar.
  12. Dispense el líquido de la jeringa en el poro de hendidura lentamente.
  13. Use los micrómetros en la etapa de posicionamiento de la jeringa para extraer la aguja del poro de la hendidura.
    Nota: En este punto, la altura del poro de la hendidura puede ser variada y el puente líquido fotomente foto.
    Nota: Las imágenes se pueden analizar con el paquete de software de código abierto ImageJ.

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Resultados

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Descripción del dispositivo experimental

El dispositivo experimental se puede dividir en cuatro partes principales: 1) la etapa de sustrato superior, 2) la etapa de sustrato inferior, 3) la etapa de traducción xyz de jeringa / jeringa y 4) la cámara / óptica y el soporte de la cámara. Los detalles de cada uno siguen:

  1. Etapa de sustrato superior. Una etapa de traducción digital se conecta a una abrazadera de montaje de la serie P a través de una pieza de conector mecan...

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Discusión

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El método presentado aquí proporciona una manera de crear puentes capilares en la geometría de poros de hendidura, y también un método para obtener imágenes de estos puentes para que su morfología pueda ser analizada y comparada con la simulación y la teoría.

Este método incorpora el alivio físico, así como patrones químicos selectivos para crear propiedades de humectación asimétricas. Si solo hay una heterogeneidad química, una gota de líquido permanecerá anclada en la heterogeneidad hasta qu...

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Divulgaciones

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Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

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Los autores agradecen el apoyo de la Fundación Nacional para la Ciencia en virtud de la Subvención No. CMMI-00748094 y la ONR N000141110629.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
99.999% Alambre de oroKurt J. LeskerEVMAU40040
AcetonaPharmco-AAPERC1107283
Dimetilsulfóxido FisherD128-500
Etanol (200 grados)Pharmco-AAPER111000200
Ácido clorhídricoEMDHX0603-4
Peróxido de hidrógeno (30%)EMDHX0635-3
Alcohol isopropílicoFisherL-13597
Mercapto ácido hexadecanoico (90%)Sigma-Aldrich448303-1G
Mercapto-propil-trimetoxi-silano (MPTS)GelestSim6476-O-100GM
Milli-Q DI aguaMilliporeMilli-Q
Nitrógeno (gas)AirgasUN1066
Oxígeno (gas)AirgasUN1072
Obleas de silicio (4 pulgadas)WRS MaterialesCC8506
SU-8 2002 (fotorresistencia negativa)MicroChemSU82002
SU-8 2050 (fotorresistencia negativa)MicroChemSU82050
SU-8 Solución reveladoraMicroChemY020100 4000L1PE
Ácido sulfúricoJ.T. Baker9681-03
Polidimetil sulfóxido (PDMS)Dow CorningSylgard -184
ToluenoOmnisolvTX0737-1

Referencias

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Broesch, D. J., Frechette, J. From Concave to Convex: Capillary Bridges in Slit Pore Geometry. Langmuir. 28, 15548-15554 (2012).
  2. 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).
  3. Rose, W. Volumes and surface areas of pendular rings. J. Appl. Phys. 29, 687-691 (1958).
  4. 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).
  5. Lambert, P., Chau, A., Delchambre, A., Regnier, S. Comparison between two capillary forces models. Langmuir. 24, 3157-3163 (2008).
  6. Mason, G., Clark, W. C. Liquid Bridges Between Spheres. Chem. Eng. Sci. 20, 859-866 (1965).
  7. De Souza, E. J., Brinkmann, M., Mohrdieck, C., Arzt, E. Enhancement of capillary forces by multiple liquid bridges. Langmuir. 24, 8813-8820 (2008).
  8. Hornbaker, D. J., Albert, R., Albert, I., Barabasi, A. L., Schiffer, P. What keeps sandcastles standing. Nature. 387, 765-765 (1997).
  9. Scheel, M., et al. Morphological clues to wet granular pile stability. Nat. Mater. 7, 189-193 (2008).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Berthier, J., et al. Capillary self-alignment of polygonal chips: a generalization for the shift-restoring force. Microfluid. Nanofluid. 14, 845-858 (2013).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Childs, W. R., Nuzzo, R. G. Large-area patterning of coinage-metal thin films using decal transfer lithography. Langmuir. 21, 195-202 (2005).
  17. Lee, J. N., Park, C., Whitesides, G. M. Solvent compatibility of poly(dimethylsiloxane)-based microfluidic devices. Anal. Chem. 75, 6544-6554 (2003).
  18. 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).
  19. Ferraro, D., et al. Morphological Transitions of Droplets Wetting Rectangular Domains. Langmuir. 28, 13919-13923 (1021).

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