Fabricación Y Visualización De Puentes Capilares En Geometría De Poro Hendidura

El objetivo general de este procedimiento es formar y obtener imágenes de puentes capilares en geometría de hendidura estrecha. Esto se logra primero fabricando sustratos de pilares alargados de PDMS utilizando moldes estándar de litografía fotográfica. El segundo paso consiste en funcionalizar la parte superior de los pilares para introducir un contraste de humectación entre la parte superior y los lados, mediante litografía de transferencia por impresión y monocapas autoensambladas.

A continuación, se colocan los dos pilares uno frente al otro en un dispositivo microestático de cuatro ejes. Los grados de libertad traslacionales y rotacionales permiten al investigador alinear adecuadamente los dos pilares enfrentados y controlar la separación entre ellos durante el experimento. El paso final consiste en introducir un líquido entre los dos pilares elevados e imaginar el puente capilar resultante con la cámara CCD.

Dado que la altura del vertido por ranura ha cambiado, finalmente el cambio en la morfología del puente líquido cuando aumenta la altura del vertido por ranura se utiliza para demostrar que la presión lalo del puente líquido cambia de signo, pasando de ser atractiva a repulsiva conforme aumenta la altura del vertido por ranura. Aunque este método puede proporcionar información útil para comprender las características del fenómeno de humectación parcialmente anclado, también puede aplicarse a problemas como el diseño de chips invertidos, la recuperación de petróleo en materiales porosos y la adhesión inspirada en sistemas biológicos.

Antes de comenzar este procedimiento, limpie una oblea de silicio de cuatro pulgadas con solución piha siguiendo este Spinco SU ocho 2002 sobre la superficie del agua durante 40 segundos a 500 RPM. A continuación, aplique Spinco SU 8 20 50 sobre la oblea mediante un programa de centrífuga en dos pasos durante 40 segundos a 500 RPM, seguido de un minuto a 1500 RPM. Una vez que la oblea recubierta por centrifugado esté seca, coloque una máscara de transparencia sobre ella, luego colóquela debajo de una lámpara de luz ultravioleta y expóngala durante 30 segundos a 200 vatios.

Después de secar la oblea en una placa caliente a 95 grados Celsius, colóquela en la solución reveladora SU-8 y agítela suavemente hasta que todo el SU-8 no expuesto haya sido eliminado. Luego enjuague la oblea con un chorro de alcohol isopropílico durante 30 segundos y séquela con chorros de nitrógeno. En este punto, mezcle vigorosamente en un vaso de precipitados una proporción de masa 10 a 1 de PDMS Sylgard 184 base con agente de curado, utilizando una varilla de agitación desechable. Desgasifique el PDMS en una cámara de vacío hasta que desaparezcan todas las burbujas.

Después de colocar el molde fabricado SU-8 en un recipiente plástico Wang grande de cuatro pulgadas, vierta la mezcla de PDMS sobre él. Después de desgasificar el molde y la mezcla de PDMS, coloque todo el recipiente en un horno a 75 grados Celsius durante al menos dos horas. Una vez que la muestra se enfríe a temperatura ambiente, corte el recipiente del PDMS y el PDMS de la oblea de silicio con una cuchilla de afeitar recta.

Luego, corte la región de PDMS con los pilares del bloque y guárdela en una placa de Petri limpia. Después de evaporar 20 nanómetros de oro directamente sobre un sustrato de silicio limpio, colóquelo en un reactor de plasma y límpielo con plasma de oxígeno a una presión de 300 militorr y una potencia de 50 vatios durante 10 minutos. Una vez finalizado, coloque el sustrato en una placa de Petri de Pyrex llenada con etanol al 200 grados durante al menos 10 minutos.

Después de retirar la oblea del recipiente, enjuáguela con etanol y séquela con nitrógeno. A continuación, aplique por centrifugado una solución de MPTS en tolueno previamente preparada sobre la oblea a 500 RPM durante 30 segundos, seguido de 2.750 RPM durante un minuto. Una vez que la oblea haya sido enjuagada y secada, colóquela en un recipiente de Petri de Pyrex que contenga suficiente solución de ácido clorhídrico 16 milimolar para sumergir completamente la oblea.

Después de al menos cinco minutos de inmersión, retire la oblea de la solución y séquela con nitrógeno. Luego coloque los pilares de PDMS en la cámara de plasma y realice un plasma de oxígeno a una presión de 300 militorr y una potencia de 50 vatios durante 30 segundos. Después de retirar los sustratos de PDMS del reactor de plasma, fije la parte posterior de cada uno a una lámina de vidrio limpia aplicando una ligera presión.

Dar la vuelta a los sustratos de PDMS con respaldo de vidrio y presionar los pilares sobre las películas de oro funcionalizadas con MPTS. Una vez aplicada una presión moderada, colocar un peso de aproximadamente 100 gramos sobre la portaobjetos para asegurar un contacto conformal. Después de al menos 12 horas, separar cada sustrato de PDMS del oblea utilizando una cuchilla de afeitar recta. Si el sustrato de PDMS está adherido, utilizar un microscopio óptico para verificar que la película de oro no esté agrietada ni falten partes a lo largo del pilar.

A continuación, sumerja el sustrato de PDMS en una solución milimolar de MHA en dimetilsulfóxido previamente preparada durante al menos 24 horas. Después de enjuagar con agua desionizada y secar, coloque el sustrato de PDMS en una cámara de vacío con una presión inferior a 100 milibar a 25 grados Celsius durante al menos 12 horas utilizando dos sustratos de apoyo.

Coloque uno en el soporte superior y otro en el inferior del ensamblaje de la microetapa de cuatro ejes. Sujete los sustratos utilizando los tornillos de tensión lateral. En este punto, ensamble el dispositivo conectando la etapa del sustrato superior a la placa base, de modo que el sustrato superior quede aproximadamente encima del sustrato inferior.

Disminuya la altura entre los dos pilares enfrentados a aproximadamente un milímetro utilizando los mandos de posición en x, y y el mando de rotación en la platina del sustrato inferior. Alinee las tiras de oro de los dos sustratos de manera que queden paralelas.

Luego, coloque la cámara para observar a lo largo del eje del pilar de PDMS utilizando la vista en vivo de la cámara en la pantalla del ordenador; a continuación, ajuste la posición del sustrato inferior de modo que los pilares queden paralelos. Tras esto, mueva la cámara al lado opuesto del dispositivo y repita los dos pasos anteriores. Mediante la vista en vivo de la cámara, reduzca la separación entre los dos pilares hasta que el pilar superior haga contacto con el pilar inferior.

Luego, ponga a cero la microetapa digital y aumente la altura del poro a aproximadamente 200 micrómetros. Monte una jeringa que contiene una solución acuosa de glicerol al 80 % en la etapa de traslación XY, Z de la jeringa utilizando la pinza mecánica. A continuación, ajuste los micrómetros en la etapa de posicionamiento de la jeringa para que la aguja de calibre 30 encaje en la abertura del poro.

Reduzca la altura del vertido de la ranura de manera que las superficies superior e inferior toquen suavemente la aguja tras verter lentamente el líquido desde la jeringa hacia la ranura. Utilice los micrómetros en la plataforma de posicionamiento de la jeringa para retirar la aguja de la ranura. El dispositivo experimental puede dividirse en cuatro partes principales.

La etapa superior del sustrato, la etapa inferior del sustrato, la etapa de traslación XY y Z de la jeringa, y la óptica de la cámara y el soporte de la cámara. Consulte el protocolo escrito para obtener detalles sobre el dispositivo experimental. En la transferencia del oro al sustrato de PDMS, es importante separar el dispositivo de PDMS de la oblea de silicio. Suave y cuidadosamente, como se muestra aquí. Esta es una imagen microscópica de un pilar de PDMS con oro tras una transferencia exitosa.

Aquí se muestra una imagen que revela exceso de lámina de oro proveniente de la oblea que se transfirió al pilar debido a una transferencia deficiente. Para facilitar la transferencia de la película de oro, se puede utilizar una cuchilla de afeitar de seguridad afilada para levantar suavemente un borde del pilar de PDMS desde la oblea de silicio. Además, el sustrato de PDMS debe jalarse en una dirección normal a la superficie de la oblea para evitar que más lámina de oro se adhiera al borde del sustrato. Se muestra.

Aquí se muestra una imagen que ilustra cómo pueden formarse grietas en la capa de oro después de la transferencia si el sustrato de PDMS sufre una deformación por cizalladura o flexión significativa. Una vez finalizado el proceso de fabricación, es importante verificar la calidad de la monocapa de MHA mediante la medición del ángulo de contacto con agua. Aquí se muestra una gota de agua líquida sobre un sustrato de oro en PDMS después de haber sido funcionalizado con MHA.

El bajo ángulo de contacto en el PDMS indica que el proceso fue exitoso. El recuadro muestra una gota de agua líquida colocada sobre uno de los pilares elevados tras el procedimiento completado. El ángulo de contacto de 140 grados demuestra que la combinación de heterogeneidades físicas y químicas permite que la gota quede anclada en los lados de los pilares.

Una vez que los sustratos han sido fabricados e instalados en los portamuestras microscópicos, los canales pueden llenarse utilizando la etapa de traslación XY, Z de la jeringa. Aquí se muestra un poro de hendidura lleno con una perspectiva perpendicular al ancho del pilar que aparece en la imagen. Esta es una perspectiva ortogonal a la primera imagen, perpendicular a la longitud del poro de hendidura. El proceso de llenado del canal desde la misma perspectiva que la segunda imagen se muestra aquí; es fundamental, durante la etapa de llenado, dispensar el líquido desde la jeringa.

Lentamente, la fuerza generada por caudales bruscamente elevados puede empujar fuertemente el líquido desde la parte superior del pilar, haciendo que se extienda sobre las regiones hidrófobas de PDMS. Si esto ocurre, los sustratos deben limpiarse y secarse, y repetirse el proceso de llenado. Tras ver este video, deberías tener una buena comprensión de cómo formar pilares de PDMS.

Funcionalícelos con capas autoensambladas y alínelos para formar puentes capilares. No olvide que trabajar con piran puede ser extremadamente peligroso y que se requieren precauciones como trabajar en una campana extractora. Las gafas de seguridad y una pantalla facial son necesarias.

Debe usarse una bata de laboratorio y guantes completos de neopreno cada vez que se realice este procedimiento.