Article de méthode

Fabrication et visualisation de ponts capillaires en géométrie des pores fendus

DOI :

10.3791/51143

⸱

9 janvier 2014

 , 
1Chemical and Biomolecular Engineering Department, Johns Hopkins University

Dans cet article

Résumé

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Un procédé pour créer et imager des ponts capillaires dans la géométrie de fente-pore est présenté. La création de ponts capillaires repose sur la formation de piliers pour fournir une hétérogénéité physique et chimique directionnelle pour épingler le fluide. Les ponts capillaires sont formés et manipulés à l’aide de micro-scènes et visualisés à l’aide d’une caméra CCD.

Résumé

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Un procédé pour créer et imager des ponts capillaires dans la géométrie de fente-pore est présenté. Les piliers hydrophobes à rapport d’aspect élevé sont fabriqués et fonctionnalisés pour rendre leurs surfaces supérieures hydrophiles. La combinaison d’une caractéristique physique (le pilier) avec une limite chimique (le film hydrophile sur le dessus du pilier) fournit à la fois une hétérogénéité physique et chimique qui épingle la triple ligne de contact, une caractéristique nécessaire pour créer des ponts capillaires longs mais étroits stables. Les substrats avec les piliers sont attachés à des lames de verre et fixés dans des supports personnalisés. Les supports sont ensuite montés sur quatre micro-étages d’axe et positionnés de manière à ce que les piliers soient parallèles et se font face. Les ponts capillaires se forment en introduisant un fluide dans l’espace entre les deux substrats une fois que la séparation entre les piliers de parement a été réduite à quelques centaines de micromètres. La micro-scène personnalisée est ensuite utilisée pour faire varier la hauteur du pont capillaire. Une caméra CCD est positionnée pour imager la longueur ou la largeur du pont capillaire afin de caractériser la morphologie de l’interface fluide. Des piliers d’une largeur allant jusqu’à 250 μm et de longueurs allant jusqu’à 70 mm ont été fabriqués avec cette méthode, ce qui a conduit à des ponts capillaires avec des rapports d’aspect (longueur/ largeur) supérieurs à 1001.

Introduction

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L’étude de la forme et des forces résultantes causées par les ponts capillaires a fait l’objet d’études approfondies2-7. Initialement, la plupart des efforts ont été concentrés, en raison de leur simplicité, sur les ponts capillaires axisymétriques. Souvent, les ponts capillaires présents dans les systèmes naturels, tels que ceux que l’on trouve dans les milieux granulaires et poreux8,9 et les ponts utilisés dans les applications technologiques, telles que pour l’auto-assemblage capillaire dans les technologies de puces à bascule10-15 sont asymétriques avec des propriétés de mouillage non uniformes sur les surfaces en interaction. La c....

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Protocole

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Le texte du protocole est divisé en trois sections principales : 1) la fabrication des piliers PDMS (polydiméthylsiloxane), 2) la fonctionnalisation des sommets des piliers, et 3) la formation et la caractérisation des ponts capillaires.

1. Fabrication des piliers PDMS

Cette section détaille la fabrication des piliers PDMS à l’aide d’un moulage sous pression avec un moule en silicium / SU-8.

  1. Fabrication de moules en silicium/SU-8
    1. Placez une plaquette propre de 4 dans du silicium dans une boîte de Pétri pyrex.
    2. Préparer une solution d’acide sulfurique 4:1 (en volume)....

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Résultats

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Description du dispositif expérimental

Le dispositif expérimental peut être divisé en quatre parties principales: 1) l’étage de substrat supérieur, 2) l’étage de substrat inférieur, 3) l’étage de traduction xyz seringue / seringue et 4) l’étage de caméra / optique et le support de caméra. Les détails de chacun d’eux sont les suivants:

  1. Étage de substrat supérieur. Un étage de traduction numérique est fixé à une pince de montage de la série P via une pièce de connecteu.......

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Discussion

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La méthode présentée ici fournit un moyen de créer des ponts capillaires en géométrie des pores fendus, ainsi qu’une méthode d’imagerie de ces ponts afin que leur morphologie puisse être analysée et comparée à la simulation et à la théorie.

Cette méthode intègre un relief physique ainsi qu’un modelage chimique sélectif pour créer des propriétés de mouillage asymétriques. Si seule une hétérogénéité chimique est présente, une goutte liquide restera épinglée sur l’hétérogénéité jusqu’à ce que l’a.......

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Déclarations de divulgation

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Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

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Les auteurs sont reconnaissants du soutien de la National Science Foundation dans le cadre de la subvention no. CMMI-00748094 et l’ONR N000141110629.

....

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
99.999 % Fil d’orKurt J. LeskerEVMAU40040
AcétonePharmco-AAPERC1107283
DiméthylsulfoxydeD128-500
Éthanol (200 proof)Pharmco-AAPER111000200
Acide chlorhydriqueEMDHX0603-4
Peroxyde d’hydrogène (30 %)EMDHX0635-3
Alcool isopropyliqueFisherL-13597
Acide hexadécanoïque Mercapto (90 %)Sigma-Aldrich448303-1G
Mercapto-propyl-triméthoxy-silane (MPTS)GelestSim6476-O-100GM
Milli-Q DI eauMilliporeMilli-Q
Azote (gaz)AirgasUN1066
Oxygène (gaz)AirgasUN1072
Plaquettes de silicium (4 po)WRS MatériauxCC8506
SU-8 2002 (résine photosensible négative)MicroChemSU82002
SU-8 2050 (résine photosensible négative)MicroChemSU82050
SU-8 Solution de développementMicroChemY020100 4000L1PE
Acide sulfuriqueJ.T. Baker9681-03
Poly dimethy sulfoxyde (PDMS)Dow CorningSylgard -184
ToluèneOmnisolvTX0737-1

Fisher

Références

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  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

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Mots-clés

Capillary BridgesSlit Pore GeometryPDMS PillarsMicrostage AlignmentFluid Interface ImagingSelf Assembled MonolayersHydrophilic FunctionalizationCCD Camera ImagingSyringe Fluid IntroductionGold Film Transfer

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