Questo documento descrive un protocollo insieme a uno studio comparativo di due tecniche di fabbricazione microfluidica, vale a dire la fotolitografia / incisione a umido / legame termico e l'incisione selettiva indotta dal laser (LES), che sono adatte per condizioni di alta pressione. Queste tecniche costituiscono piattaforme abilitanti per l'osservazione diretta del flusso di fluido in mezzi permeabili surrogati e sistemi fratturati in condizioni di serbatoio.
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Articolo metodologico
Tecniche di fabbricazione microfluidiche per test ad alta pressione del trasporto supercritico in schiuma di CO2 su microscala in serbatoi non convenzionali fratturati
In questo articolo
Sommario
Abstract
I limiti di pressione di molte piattaforme microfluidici sono stati una sfida significativa negli studi sperimentali microfluidici su mezzi fratturati. Di conseguenza, queste piattaforme non sono state sfruttate appieno per l'osservazione diretta del trasporto ad alta pressione nelle fratture. Questo lavoro introduce piattaforme microfluidiche che consentono l'osservazione diretta del flusso multifase in dispositivi con supporti permeabili surrogati e sistemi fratturati. Tali piattaforme forniscono un percorso per affrontare questioni importanti e tempestive come quelle relative all'acquisizione, all'utilizzo e allo stoccaggio di CO2. Questo lavoro fornisce una descrizione dettagliata delle tecniche di fabbricazione e una configurazione sperimentale che può servire ad analizzare il comportamento della schiuma supercritica di CO2 (scCO2),la sua struttura e stabilità. Tali studi forniscono importanti informazioni sui processi di recupero dell'olio potenziati e sul ruolo delle fratture idrauliche nel recupero delle risorse da serbatoi non convenzionali. Questo lavoro presenta uno studio comparativo dei dispositivi microfluidici sviluppati utilizzando due diverse tecniche: fotolitografia/incisione a umido/legame termico rispetto all'incisione selettiva indotta dal laser. Entrambe le tecniche si traducono in dispositivi chimicamente e fisicamente resistenti e tolleranti alle condizioni di alta pressione e temperatura che corrispondono a sistemi di sottosuolo di interesse. Entrambe le tecniche forniscono percorsi verso microcanali incisi ad alta precisione e dispositivi lab-on-chip capaci. La fotolitografia/incisione a umido, tuttavia, consente la fabbricazione di reti di canali complesse con geometrie complesse, il che sarebbe un compito impegnativo per le tecniche di incisione laser. Questo lavoro riassume un protocollo di fotolitografia passo-passo, incisione a umido e incollaggio termico del vetro e presenta osservazioni rappresentative del trasporto della schiuma con rilevanza per il recupero dell'olio da formazioni strette e scisto non convenzionali. Infine, questo lavoro descrive l'uso di un sensore monocromatico ad alta risoluzione per osservare il comportamento della schiuma scCO2 in cui l'intero mezzo permeabile viene osservato contemporaneamente preservando la risoluzione necessaria per risolvere caratteristiche di dimensioni fino a 10 μm.
Introduzione
La fratturazione idraulica è stata utilizzata per un bel po 'di tempo come mezzo per stimolare il flusso soprattutto nelle formazioni strette1. Grandi quantità di acqua necessarie nella fratturazione idraulica sono composte da fattori ambientali, problemi didisponibilità dell'acqua 2,danni alla formazione 3,costo 4 ed effetti sismici5. Di conseguenza, l'interesse per metodi di fratturazione alternativi come la fratturazione senza acqua e l'uso di schiume è in aumento. Metodi alternativi possono fornire importanti benefici come la riduzione dell'usodell'acqua 6,la compatibilità con le formazioni sensibiliall'acqua 7,il minimo o nessun tappodella formazione 8,l'elevata viscosità apparente dei fluidi difratturazione 9,la riciclabilità10,la facilità di pulizia e la capacità di trasporto proppant6. La schiuma di CO2 è un potenziale fluido di fratturazione senza acqua che contribuisce a una produzione più efficiente di fluidi petroliferi e amigliori capacità di stoccaggio di CO 2 nel sottosuolo con un'impronta ambientale potenzialmente inferiore rispetto alle tecniche di fratturazioneconvenzionali 6,7,11.
In condizioni ottimali, la schiuma supercritica di CO2 (schiuma scCO2) a pressioni oltre la pressione minima di mascibilità (MMP) di un dato serbatoio fornisce un sistema miscible multi-contatto in grado di dirigere il flusso in parti meno permeabili della formazione, migliorando così l'efficienza di sweepe il recupero delle risorse 12,13. scCO2 fornisce gas come diffusività e liquido come la densità14 ed è adatto per applicazioni sottosuperficie, come il recupero dell'olio e la cattura, l'utilizzo e lo stoccaggio del carbonio (CCUS)13. La presenza dei costituenti della schiuma nel sottosuolo aiuta a ridurre il rischio di perdite nello stoccaggio a lungo termine di CO215. Inoltre, gli effetti di shock termico accoppiato-comprimibilità dei sistemi di schiuma scCO2 possono servire come efficaci sistemi difratturazione 11. Le proprietà dei sistemi di schiuma di CO 2 per applicazioni sottosuperficie sono state ampiamente studiate a varie scale, come la caratterizzazione della suastabilità e viscosità nei sistemi di impacchettamento della sabbia e la sua efficacia nei processidi spostamento 3,6,12,15,16,17. La dinamica della schiuma a livello di frattura e le sue interazioni con i mezzi porosi sono aspetti meno studiati che sono direttamente rilevanti per l'uso della schiuma in formazioni strette e fratturate.
Le piattaforme microfluidiche consentono la visualizzazione diretta e la quantificazione dei relativi processi su microscala. Queste piattaforme forniscono il controllo in tempo reale dell'idrodinamica e delle reazioni chimiche per studiare i fenomeni su scala dei pori insieme a considerazioni di recupero1. La generazione, la propagazione, il trasporto e la dinamica della schiuma possono essere visualizzati in dispositivi microfluidici che emulano sistemi fratturati e percorsi conduttivi frattura-microcrack-matrice rilevanti per il recupero dell'olio da formazioni strette. Lo scambio di fluidi tra frattura e matrice è espresso direttamente in base alla geometria18, evidenziando così l'importanza di rappresentazioni semplicistiche e realistiche. Nel corso degli anni sono state sviluppate diverse piattaforme microfluidiche rilevanti per studiare vari processi. Ad esempio, Tigglaar e colleghi discutono della fabbricazione e del test ad alta pressione di dispositivi di microreattore in vetro attraverso la connessione in piano di fibre per testare il flusso attraverso i capillari di vetro collegati ai microreattori19. Presentano i loro risultati relativi all'ispezione delle obbligazioni, ai test di pressione e al monitoraggio della reazione in situ 1Spettroscopia H NMR. Come tale, la loro piattaforma potrebbe non essere ottimale per velocità di iniezione relativamente grandi, pre-generazione di sistemi fluidi multifase per la visualizzazione in situ di fluidi complessi in mezzi permeabili. Marre e colleghi discutono dell'uso di un microreattore di vetro per studiare la chimica ad alta pressione e i processi dei fluidi supercritici20. Includono risultati come simulazione a elementi finiti della distribuzione delle sollecitazioni per esplorare il comportamento meccanico dei dispositivi modulari sotto il carico. Utilizzano connessioni modulari non permanenti per la fabbricazione di microreattori intercambiabili e i dispositivi microfluidici silicio/Pyrex non sono trasparenti; questi dispositivi sono adatti per lo studio cinematico, la sintesi e la produzione in ingegneria della reazione chimica in cui la visualizzazione non è una preoccupazione primaria. La mancanza di trasparenza rende questa piattaforma inadatta alla visualizzazione diretta e in situ di fluidi complessi nei media surrogati. Paydar e colleghi presentano un nuovo modo di prototipare microfluidica modulare utilizzando la stampa 3D21. Questo approccio non sembra adatto per applicazioni ad alta pressione poiché utilizza un polimero fotocurabile e i dispositivi sono in grado di resistere solo fino a 0,4 MPa. La maggior parte degli studi sperimentali microfluidici relativi al trasporto in sistemi fratturati riportati in letteratura si concentrano sulla temperatura ambiente e sulle condizioni di pressione relativamente bassa1. Ci sono stati diversi studi con particolare attenzione all'osservazione diretta di sistemi microfluidici che imitano le condizioni del sottosuolo. Ad esempio, Jimenez-Martinez e colleghi introducono due studi sui meccanismi critici di flusso e trasporto dei pori in una complessa rete di fratture e matrici22,23. Gli autori studiano sistemi trifase che utilizzano microfluidica in condizioni di serbatoio (8,3 MPa e 45 °C) per l'efficienza produttiva; valutano scCO2 per la ristimolazione in cui la salamoia avanzi di una fratturazione precedente è immiscibile con CO2 e l'idrocarburo residuo23. I dispositivi microfluidici al silicio umido ad olio hanno rilevanza per la miscelazione di oil-brine-scCO2 nelle applicazioni Enhanced Oil Recovery (EOR); tuttavia, questo lavoro non affronta direttamente la dinamica della scala dei pori nelle fratture. Un altro esempio è il lavoro di Rognmo et al.2 generazione di schiuma24. La maggior parte dei rapporti in letteratura che sfruttano la microfabbricazione si occupano di CO2-EOR e spesso non includono importanti dettagli di fabbricazione. Per quanto ne so, manca attualmente dalla letteratura un protocollo sistematico per la fabbricazione di dispositivi capaci di alta pressione per formazioni fratturate.
Questo lavoro presenta una piattaforma microfluidica che consente lo studio di strutture in schiuma scCO2, forme a bolle, dimensioni e distribuzione, stabilità della lamella in presenza di olio per applicazioni di fratturazione e correzione idraulica e falde acquifera. Vengono discussi la progettazione e la fabbricazione di dispositivi microfluidici utilizzando litografia ottica e Etching29 (LES) indotto dal laser selettivo. Inoltre, questo lavoro descrive i modelli di frattura che hanno lo scopo di simulare il trasporto di fluidi in formazioni strette fratturate. Le vie simulate possono variare da modelli semplificati a microfese complesse basate su dati tomografici o altri metodi che forniscono informazioni sulle geometrie realistiche delle fratture. Il protocollo descrive istruzioni dettagliate di fabbricazione per dispositivi microfluidici in vetro che utilizzano fotolitografia, incisione a umido e incollaggio termico. Una sorgente luminosa collimata Ultra-Violet (UV) sviluppata internamente viene utilizzata per trasferire i motivi geometrici desiderati su un sottile strato di fotoresist, che viene infine trasferito sul substrato di vetro utilizzando un processo di incisione a umido. Come parte della garanzia della qualità, i modelli incisi sono caratterizzati utilizzando la microscopia confocale. In alternativa alla fotolitografia/wet-intching, viene utilizzata una tecnica SLE per creare un dispositivo microfluidico e viene presentata un'analisi comparativa delle piattaforme. La configurazione per esperimenti di flusso comprende bombole e pompe di gas, regolatori di pressione e trasduttori, miscelatori e accumulatori di fluidi, dispositivi microfluidici, supporti in acciaio inossidabile ad alta pressione insieme a una telecamera ad alta risoluzione e un sistema di illuminazione. Infine, vengono presentati campioni rappresentativi di osservazioni provenienti da esperimenti di flusso.
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Protocollo
ATTENZIONE: Questo protocollo prevede la gestione di una configurazione ad alta pressione, un forno ad alta temperatura, sostanze chimiche pericolose e luce UV. Si prega di leggere attentamente tutte le schede di dati di sicurezza dei materiali pertinenti e seguire le linee guida sulla sicurezza chimica. Esaminare le linee guida di sicurezza per i test di pressione (idrostatici e pneumatici), compresa la formazione richiesta, il funzionamento sicuro di tutte le apparecchiature, i rischi associati, i contatti di emergenza, ecc. prima di iniziare il processo di iniezione.
1. Progettare motivi geometrici
- Progettare una maschera fotografica contenente caratteristiche geometriche e percorsi di flusso di interesse (Figura 1, File supplementare 1: Figura S1).
- Definite il riquadro di delimitazione (superficie del dispositivo) per identificare l'area del substrato e limitare il progetto alle dimensioni del mezzo desiderato.
- Progettare porte di ingresso/uscita. Scegliere le dimensioni della porta (ad esempio, 4 mm di diametro in questo caso) per ottenere una distribuzione relativamente uniforme della schiuma prima di entrare nel mezzo(Figura 1).
- Preparare una maschera fotografica del motivo geometrico progettato stampando il design su un foglio di pellicola trasparente o su un substrato di vetro.
- Estrudete il progetto bidimensionale alla terza quota e incorporate le porte di ingresso e uscita (da utilizzare in LES).
NOTA: La tecnica SLE richiede un disegno tridimensionale (Figura 2).
- Estrudete il progetto bidimensionale alla terza quota e incorporate le porte di ingresso e uscita (da utilizzare in LES).
2. Trasferire i motivi geometrici sul substrato di vetro utilizzando la fotolitografia
NOTA: Le incisioni e le soluzioni piranha devono essere gestite con estrema cura. Si raccomanda l'uso di dispositivi di protezione individuale, tra cui respiratore riutilizzabileper il facepiece, occhiali, guanti e l'uso di pinzette resistenti all'acido/corrosione (Tabella dei materiali).
- Preparare le soluzioni necessarie nel processo di incisione a umido seguendo questa procedura (vedere anche le informazioni elettroniche di supporto fornite come file complementare 1).
- Versare una quantità adeguata di soluzione di incisione cromata in un becher in modo che il substrato possa essere immerso nell'incisione. Riscaldare il fluido a circa 40 °C.
- Preparare una soluzione di sviluppatore(Table of Materials)in acqua deionizzata (acqua DI) con un rapporto volumetrico di 1:8 in modo che il substrato sia in grado di essere completamente immerso nella miscela.
- Imprimere il motivo geometrico su un substrato borosilicato rivestito con uno strato di cromo e uno strato di fotoresist usando l'irradiazione UV.
- Utilizzando mani guantate, posizionare la maschera (substrato di vetro o la pellicola trasparente recante il motivo geometrico) direttamente sul lato del substrato borosilicato ricoperto di cromo e fotoresist.
- Posizionare la combinazione maschera fotografica e substrato sotto la luce UV con la maschera fotografica rivolta verso la sorgente.
NOTA: Questo lavoro utilizza la luce UV con una lunghezza d'onda di 365 nm (per corrispondere alla sensibilità di picco del fotoresist) e ad un'intensità media di 4,95 mW / cm2. - Trasferire il motivo geometrico nello strato di fotoresist esponendo la pila del substrato e la maschera alla luce UV.
NOTA: Il tempo di esposizione ottimale è una funzione dello spessore dello strato fotoresist e della resistenza della radiazione UV. Photoresist è sensibile alla luce e l'intero processo di imprinting del motivo deve essere eseguito in una stanza buia dotata di illuminazione gialla.
- Sviluppa il fotoresist.
- Rimuovere la maschera fotografica e la pila di substrati dallo stadio UV utilizzando le mani guantate.
- Rimuovere la maschera fotografica e immergere il substrato nella soluzione sviluppatore per circa 40 s, trasferendo così il modello al fotoresist.
- Risciacquare a cascata il substrato scorrono acqua DI dalla parte superiore del substrato e su tutte le sue superfici almeno tre volte e lasciare asciugare il substrato.
- Incidere il motivo nel livello cromato.
- Immergere il substrato in un incisione cromato riscaldato a circa 40 °C per circa 40 s, trasferendo così il motivo dal fotoresist allo strato cromato.
- Rimuovere il substrato dalla soluzione, sciacquare a cascata il substrato utilizzando acqua DI e lasciare asciugare.
- Incidere il modello nel substrato borosilicato.
NOTA: Un incisore tamponato (Table of Materials) viene utilizzato per trasferire il motivo geometrico al substrato di vetro. Prima dell'uso dell'incisione tamponata, il retro del substrato viene rivestito con uno strato di fotoresist per proteggerlo dall'incisore. Lo spessore di questo strato protettivo è irrilevante per il processo complessivo di fabbricazione.- Utilizzando un pennello, applicare diversi strati di esametildisilazane (HMDS) sulla faccia scoperta del substrato e lasciare asciugare.
NOTA: L'HMDS aiuta a promuovere l'adesione del fotoresist alla superficie del substrato borosilicato. - Applicare uno strato di fotoresist sopra il primer. Posizionare il substrato in un forno a 60\u201290 °C per 30-40 min.
- Versare una quantità adeguata dell'incisione in un contenitore di plastica e immergere completamente il substrato nell'incisione.
NOTA: Il tasso di incisione è influenzato dalla concentrazione, dalla temperatura e dalla durata dell'esposizione. L'incisione memorizzata nel buffer utilizzata in questo lavoro è in media di 1\u201210 nm/min. - Lasciare il substrato modellato nella soluzione di incisione per un periodo di tempo predeterminato in base alle profondità del canale desiderate.
NOTA: Il tempo di incisione può essere ridotto dalla sonicazione intermittente del bagno della soluzione. - Rimuovere il substrato dall'incisione utilizzando una coppia di pinzette resistente ai solventi e sciacquare a cascata il substrato utilizzando acqua DI.
- Caratterizzare le feature incise sul substrato per garantire che siano state raggiunte le profondità desiderate.
NOTA: Questa caratterizzazione può essere eseguita utilizzando un microscopio confocale a scansione laser (Figura 3). In questo lavoro, viene utilizzato un ingrandimento 10x per l'acquisizione dei dati. Una volta che le profondità del canale sono soddisfacenti, passare alla fase di pulizia e incollaggio.
- Utilizzando un pennello, applicare diversi strati di esametildisilazane (HMDS) sulla faccia scoperta del substrato e lasciare asciugare.
3. Pulire e legare
- Rimuovere i livelli fotoresist e cromati.
- Rimuovere il fotoresist dal substrato esponendo il substrato a un solvente organico, come la soluzione N-Metil-2-pirrolidone (NMP) riscaldata utilizzando una piastra calda sotto una cappa a circa 65 °C per circa 30 minuti.
- Risciacquare a cascata il substrato con acetone (grado ACS), seguito da etanolo (grado ACS) e acqua DI.
- Posizionare il substrato pulito in incisione cromata riscaldata utilizzando una piastra calda sotto una cappa a circa 40 °C per circa 1 minuto, rimuovendo così lo strato cromato dal substrato.
- Una volta che il substrato è privo di cromo e fotoresist, caratterizzare le profondità del canale utilizzando la microscopia confocale a scansione laser.
NOTA: questo lavoro utilizza un ingrandimento di 10 volte per l'acquisizione dei dati (Figura 4).
- Preparare la piastra di copertura e il substrato inciso per l'incollaggio.
- Contrassegnare le posizioni dei fori di ingresso/uscita su un substrato di borosilicato vuoto (piastra di copertura) allineando la piastra di copertura contro il substrato inciso.
- Fai esplodere i fori attraverso le posizioni contrassegnate utilizzando un sabbiatore micro abrasivo e un supporto di micro sabbiatura in alluminio-ossido da 50 μm.
NOTA: In alternativa, le porte possono essere create utilizzando un trapano meccanico. - Risciacquare a cascata sia il substrato inciso che la piastra di copertura con acqua DI.
- Eseguire una procedura di pulizia dei wafer RCA per rimuovere i contaminanti prima dell'incollaggio utilizzando la tecnica standard. Eseguire le fasi di pulizia del wafer sotto una cappa a causa della volatilità delle soluzioni coinvolte nel processo.
- Portare a ebollizione una soluzione piranha 1:4 per volume H2O 2 :H2SO4 e immergere il substrato e la piastra di copertura nella soluzione per 10 minuti sotto un cappuccio.
- Risciacquare a cascata il substrato e la piastra di copertura con acqua DI.
- Immergere il substrato e la piastra di copertura nell'incisione tamponata per 30-40 s.
- Risciacquare a cascata il substrato e la piastra di copertura con acqua DI.
- Immergere il substrato e la piastra di copertura per 10 minuti in una soluzione 6:1:1 per volume DI acqua:H2O2:HCl che viene riscaldata a circa 75 °C.
NOTA: L'incisione e l'incollaggio vengono preferibilmente eseguiti in una camera bianca. Se una camera bianca non è disponibile, si consiglia di eseguire i seguenti passaggi in un ambiente privo di polvere. In questo lavoro, i passaggi 3.2.9–3.2.12 vengono eseguiti in un portaoggetti per ridurre al minimo la possibilità di contaminazione dei substrati. - Premere saldamente il substrato e la piastra di copertura l'uno contro l'altro mentre sono sommersi.
- Rimuovere il substrato e la piastra di copertura dalla soluzione DI water:H2O2:HCl. Risciacquare a cascata con acqua DI e immergersi nell'acqua DI.
- Assicurarsi che il substrato e la piastra di copertura siano saldamente attaccati insieme e rimuovere accuratamente i due mentre vengono premuti uno contro l'altro dall'acqua DI.
- Legare termicamente i substrati.
- Posizionare i substrati impilati (il substrato inciso e la piastra di copertura) tra due piastre lisce, spesse 1,52 cm, vetro-ceramica per l'incollaggio.
- Posizionare le lastre vetro-ceramica tra due piastre metalliche in Lega X(Tavolo dei Materiali),in grado di resistere alle temperature richieste senza distorsioni significative.
- Centrare i wafer di vetro nel supporto ceramico-metallico.
NOTA: Questo lavoro utilizza lastre in vetro-ceramica di spessore di 10 cm x 10 cm x 1,52 cm. La configurazione in pila è protetta utilizzando bulloni e dadi da 1/4"(Figura 5). - Stringere a mano i dadi e posizionare il supporto in una camera a vuoto per 60 min a circa 100 °C.
- Rimuovere il supporto dalla camera e stringere accuratamente i dadi utilizzando circa 10 libbre di coppia.
- Posizionare il supporto all'interno di un forno ed eseguire il seguente programma di riscaldamento. Aumentare la temperatura a 1 °C/min fino a 660 °C; mantenere la temperatura costante a 660 °C per 6 ore seguita da una fase di raffreddamento a circa 1 °C/min fino alla temperatura ambiente.
- Rimuovere il dispositivo microfluidico legato termicamente, sciacquarlo con acqua DI, posizionarlo in HCl (12,1 M) e fare il bagno sonicato (40 kHz a 100 W di potenza) la soluzione per un'ora(Figura 6).
4. Fabbricare dispositivi microfluidici in vetro incisi al laser
NOTA: La fabbricazione del dispositivo è stata eseguita da un servizio di stampa 3D in vetro di terze parti(Tavolo dei materiali)tramite un processo SLE e utilizzando un substrato di silice fuso come precursore.
- Scrivi il modello desiderato in un substrato di silice fuso usando un raggio laser polarizzato linearmente orientato perpendicolarmente allo stadio generato attraverso una sorgente laser femtosecondo con una durata dell'impulso di 0,5 ns, una frequenza di ripetizione di 50 kHz, energia di impulso di 400 nJ e una lunghezza d'onda di 1,06 μm.
- Rimuovere il vetro dal motivo scritto all'interno del substrato di silice fuso utilizzando una soluzione KOH (32 wt%) a 85 °C con sonicazione ad ultrasuoni(Figura 7).
5. Eseguire test ad alta pressione
- Saturare il dispositivo microfluidico con il fluido residente (ad esempio, acqua DI, soluzione tensioattiva, olio, ecc. a seconda del tipo di esperimento) utilizzando una pompa per siringhe.
- Preparare fluidi generatori di schiuma e strumenti correlati.
- Preparare la soluzione di salamoia (fluido residente) con la salinità desiderata e sciogliere il tensioattivo (come lauramidopropil betaina e alfa-olefine-sulfonato) con la concentrazione desiderata (in base alla concentrazione critica di micelle del tensioattivo) nella salamoia.
- Riempire i serbatoi delle pompe di CO2 e acqua con quantità adeguate di fluidi per l'esperimento a temperatura ambiente.
- Riempire l'accumulatore di salamoia e le linee di flusso con la soluzione tensioattiva utilizzando una siringa. Questo lavoro utilizza un accumulatore con una capacità di 40 mL.
- Risciacquare la linea di salamoia con la soluzione di salamoia.
- Risciacquare la linea che collega l'accumulatore al dispositivo e le linee di uscita con il fluido residente (la soluzione di salamoia in questo caso).
- Posizionare il dispositivo microfluidico saturo in un supporto resistente alla pressione e collegare le porte di ingresso/uscita alle linee appropriate utilizzando tubi di diametro interno da 0,010" (Figura 8, File supplementare 1: Figura S5).
- Aumentare la temperatura del bagno circolante, che controlla la temperatura delle linee di salamoia e CO2, alla temperatura desiderata (ad esempio, 40 °C qui (Figura 9)).
- Controllare tutte le linee per garantire l'integrità della configurazione prima dell'iniezione.
- Genera la schiuma.
- Iniziare a iniettare la salamoia ad una velocità di 0,5 mL/min e controllare il flusso di soluzione tensioattiva nel dispositivo e nella linea di retropressione.
- Aumentare contemporaneamente la contropressione e la pressione della pompa di salamoia in fasi graduali (~ 0,006 MPa/s) mantenendo il flusso continuo dall'uscita del regolatore di contropressione (BPR). Aumentare la pressione fino a ~7,38 MPa (pressione scCO2 minima richiesta) e arrestare le pompe.
- Aumentare la pressione della linea di CO2 fino a una pressione superiore a 7,38 MPa (pressione minima di scCO2).
- Aprire la valvola di CO 2 e lasciare che lo scCO2 miscelato con la soluzione tensioattiva ad alta pressione fluiscoattraverso un miscelatore in linea per generare schiuma.
- Attendere che il flusso sia completamente sviluppato all'interno del dispositivo e che i canali siano saturi. Monitorare l'uscita per l'inizio della generazione di schiuma.
NOTA: Le porte ausiliarie possono essere utilizzate per aiutare a pre-saturare completamente il mezzo con il fluido residente (Figura 1). Incongruenze nel tasso di accumulo di pressione e improvvisi aumenti della BPR possono portare a rotture (figura 10). Le pressioni del fluido e la contropressione devono essere sollevate gradualmente per ridurre al minimo il rischio di danni al dispositivo.
- Eseguire l'imaging in tempo reale e l'analisi dei dati.
- Accendi la fotocamera per acquisire immagini dettagliate del flusso all'interno dei canali. Questo lavoro utilizza una fotocamera dotata di un sensore full-frame da 60 megapixel, monocromatico.
- Avviare il software di controllo dell'otturatore dedicato(Table of Materials). Selezionare una velocità dell'otturatore di 1/60, un rapporto focale (numero f) di f/8,0 e selezionare l'obiettivo appropriato.
- Avviare il software dedicato alla fotocamera (Table of Materials). Selezionare la fotocamera, il formato desiderato (ad esempio, IIQL) e un'impostazione ISO di 200 nel menu a discesa sotto l'impostazione "CAMERA" del software.
- Regolare la distanza di lavoro della fotocamera sul mezzo in base alle esigenze per concentrarsi sul mezzo. Acquisire immagini a intervalli di tempo prescritti premendo il pulsante di acquisizione nel software.
- Depressurizzare il sistema in condizioni ambientali.
- Interrompere l'iniezione (pompe di gas e liquidi), chiudere le entrate della pompa di CO2 e salamoia, aprire il resto delle valvole di linea e spegnere i riscaldatori.
- Diminuire gradualmente la contropressione (ad esempio, ad una velocità di 0,007 MPa/s) fino a quando il sistema non raggiunge le condizioni di pressione ambiente. Ridurre separatamente le pressioni della pompa disalamoia e CO 2.
NOTA: La diminuzione della pressione scCO2 può comportare un deflusso BPR incoerente o turbolento, pertanto il prelievo di pressione deve essere eseguito con la necessaria cura.
- Pulire accuratamente il dispositivo microfluidico dopo ogni esperimento secondo necessità scorrono la seguente sequenza di soluzioni attraverso il mezzo: isopropanolo/etanolo/acqua (1:1:1), soluzione HCl da 2 M, acqua DI, una soluzione di base (ACQUA DI/NH4OH/H2O2 a 5:5:1) e acqua DI.
- Post-processo immagini raccolte.
- Isolare lo scape dei pori escludendo lo sfondo dalle immagini.
- Correggere piccoli disallineamenti eseguendo la trasformazione prospettica e implementando una strategia di soglia locale in base alle esigenze per tenere conto dell'illuminazione nonuniforme 28.
- Calcola parametri geometrici e statistici rilevanti per l'esperimento come la dimensione media della bolla, la distribuzione delle dimensioni della bolla e la forma della bolla per ogni immagine microstrutturale in schiuma nel canale.
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Risultati
Questa sezione presenta esempi di osservazioni fisiche dal flusso di schiuma scCO2 attraverso una frattura principale collegata a una serie di micro-crepe. Un dispositivo microfluidico in vetro realizzato tramite fotolitografia o LES è collocato all'interno di un supporto e nel campo visivo di una fotocamera dotata di un sensore da 60 megapixel, monocromatico, full-frame. La figura 11 illustra il processo di fabbricazione dei dispositivi microfluidici e il loro posizionamento nell...
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Discussione
Questo lavoro presenta un protocollo relativo a una piattaforma di fabbricazione per creare dispositivi microfluidici in vetro robusti e ad alta pressione. Il protocollo presentato in questo lavoro allevia la necessità di una camera bianca eseguendo diverse delle fasi finali di fabbricazione all'interno di un portaoggetti. L'uso di una camera bianca, se disponibile, è consigliato per ridurre al minimo il potenziale di contaminazione. Inoltre, la scelta dell'incisione deve essere basata sulla rugosità superficiale desider...
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Dichiarazioni
Gli autori non dichiarano conflitti di interesse e divulgazione.
Ringraziamenti
Gli autori dell'Università del Wyoming riconoscono con gratitudine il supporto come parte del Center for Mechanistic Control of Water-Hydrocarbon-Rock Interactions in Unconventional and Tight Oil Formations (CMC-UF), un Energy Frontier Research Center finanziato dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, Office of Science under DOE (BES) Award DE-SC0019165. Gli autori dell'Università del Kansas vorrebbero riconoscere il National Science Foundation EPSCoR Research Infrastructure Improvement Program: Track -2 Focused EPSCoR Collaboration award (OIA- 1632892) per il finanziamento di questo progetto. Gli autori estendono anche il loro apprezzamento a Jindi Sun del Dipartimento di Ingegneria Chimica dell'Università del Wyoming per il suo generoso aiuto nella formazione degli strumenti. SAA ringrazia Kyle Winkelman dell'Università del Wyoming per il suo aiuto nella costruzione degli stand di imaging e UV. Ultimo ma non meno importante, gli autori riconoscono con gratitudine John Wasserbauer di microGlass, LLC per utili discussioni sulla tecnica SLE.
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Materiali
| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| Bulloni e dadi | Per la fabbricazione delle lastre metalliche per inserire il chip di vetro tra di loro per l'incollaggio termico | ||
| 3,45 x 3,45 mm UV LED | Kingbright | Per emettere luce LED | |
| Microscopio laser 3D | OLYMPUS | LEXT OLS4000 | Per misurare la profondità dei canali |
| 40 mm x 40 mm x 10 mm Ventola di raffreddamento 12V DC Uxcell | Per raffreddare le luci UV LED | ||
| 120 mm x 38 mm 24V DC Ventola di raffreddamento | Uxcell | Per raffreddare le luci UV LED | |
| 5 ml (6 ml) Siringa NORM-JECT | HENKE SASS WOLF | Lotto #16M14CB | Per sciacquare il chip prima di ogni esperimento |
| Acetone (certificato ACS) | Fisher Chemical | Lot #177121 | Per la pulizia |
| Pinzetta resistente agli acidi/corrosione | TED PELLA | Per maneggiare il pezzo di vetro in soluzioni corosive | |
| Pinzette resistenti agli acidi/solventi | TED PELLA, INC# | 53009 e #53010 | Per maneggiare il vetro in soluzioni corrosive |
| Lega X | AMERICAN SPECIAL METALS | Numero di calore: ZZ7571XG11 | Legame termico |
| Idrossido di ammonio (reagente ACS) | Sigma Aldrich | Lot #SHBG9007V | Per pulire il truciolo alla fine del processo |
| AutoCAD | Autodesk, San Rafael, CA | Per progettare modelli 2D e chip 3D | |
| BD Etchant per sistemi PSG-SiO2 | TRANSENE | Lot #028934 | Una formulazione migliorata di mordenzatura tamponata per la delineazione del vetro fosfosilice; SiO2 (PSG) e vetro borosilice... Sistemi SiO2 (BSG) |
| Substrato Borofloat bianco | TELIC | CG-HF | Substrato superiore per incisione UV |
| Substrato Borofloat con metallizzazioni | TELIC | PG-HF-LRC-Az1500 | Substrato inferiore per incisione UV |
| Software di fotoritocco Capture One | Fase Uno | Per catturare/modificare/convertire le immagini scattate dalla stazione di acquisizione della fotocamera Phase One | |
| DT Scientific | DT Versa | Per posizionare il chip nel campo visivo della fotocamera Gas di | |
| anidride carbonica (Grado E) | PRAXAIR | UN 1013, numero CAS 124-38-9 | porzione non accea di schiuma |
| Mordenzante al cromo 1020 | TRANSENE | Lotto #025433 | Sistemi di nitrato di ammonio cerico ad alta purezza per un'incisione precisa e pulita di film di cromo e ossido di cromo |
| Bagni circolanti con regolatore di temperatura digitale | PolyScience | Per controllare le temperature della salamoia e della CO2 | |
| Computer | NVIDIA Tesla K20 Scheda grafica - 706 MHz Core - 5 GB GDDR5 SDRAM - PCI Express 2.0 x16 | Per elaborare e visualizzare le immagini ottenute tramite la fotocamera Phase One | |
| chip | in vetro ad alta pressione su misuraPer tenere saldamente il chip e le sue connessioni per i test ad alta pressione | ||
| Cutrain (Custom) | Per proteggere dalle radiazioni UV/IR | ||
| Acqua deionizzata (DI) | Per la pulizia | ||
| Fotocamera digitale con sensore monocromatico da 60 MP | Phase One | IQ260 | Sistema di visualizzazione |
| Etanolo, anidro, USP Specifiche | DECON LABORATORIES, INC. | Lotto #A12291505J, CAS# 64-17-5 | Per la pulizia |
| Respiratore riutilizzabile per facciale | 3M | 6502QL, Gas, Vapori, Polvere, Mezzo | Per proteggere dall'inalazione di soluzione volatile |
| Wafer di silice fusa (grado UV) | SIEGERT WAFER | UV grado | UV Precursore in vetro per la stampa SLE |
| GIMP | Software | Per caratterizzare la struttura e le proprietà | |
| dell'immagineGlovebox (camera anaerobica in vinile) | Coy | Per fornire un ambiente pulito e privo di polvere | |
| Bagno di pulizia ad ultrasuoni riscaldato | Fisher Scientific | Per accelerare il processo di incisione | |
| Esametildisilazano (HMDS) Camera bianca® MB | KMG | 62115 | Primer per rivestimento fotoresist |
| Tubo flessibile (tubo PEEK) | IDEX HEALTH & SCIENZA | Naturale 1/16" OD x .010" ID x 5ft, Parte # 1531 | Connessioni di flusso |
| Acido cloridrico, certificato ACS più | Fisher Chemical | Lot # 187244 | Solvente nel protocollo di pulizia dei semiconduttori RCA |
| Perossido di idrogeno | Fisher Chemical | H325-500 | Solvente nel protocollo di pulizia dei semiconduttori RCA |
| ImageJ | NIH | Per caratterizzare la struttura e le proprietà dell'immagine | |
| Pompa a siringa ISCO | TELEDYNE ISCO | D-SERIES (100DM, 500D) | Per pompare i fluidi |
| Kaiser LED light box | Kaiser | Per illuminare il chip | |
| Macchina da stampa laser | LightFab GmbH, Germania. | FILL | Fabbricazione di chip Glass-SLE |
| Occhiali di sicurezza laser | FreeMascot | B07PPZHNX4 | Per proteggere dalle radiazioni UV/IR |
| LED Engin 5W Lente UV | LEDiL | Per emettere luce LED | |
| Light Fab Stampante 3D (laser a femtosecondi) | Light Fab | Per incidere selettivamente al laser la silice | |
| fusa LightFab Stampante 3D LightFab | LightFab, Germania | Per SLE stampare i chip di silice fusa | |
| MATLAB | MathWorks, Inc., Natick, MA | Elaborazione delle immagini | |
| Piastre | |||
| Sabbiatrici microabrasive (Problast 2) | VANIMAN | Problast 2 – 80007 | Per scavare fori nelle piastre di copertura |
| MICROPOSIT 351 sviluppatore | Dow | 10016652 | Photoresist developer solution |
| Muffle forno | Thermo Scientific | Thermolyne Tipo 1500 | Legame termico |
| N2 puro grado di ricerca | Airgas | Research Plus - NI RP300 | Per l'essiccazione dei chip in ogni fase |
| NMP semiconductor grade - 0.1μ m Soluzioni | ultra pure filtrate, Inc | Lotto #02191502T Forno a | solventi organici |
| Forno | convezione a gravità | 18EG | |
| Fase Uno IQ260 con sensore acromatico | Fase Uno | IQ260 | Per visulizzare il trasporto in dispositivi microfluidici utilizzando un'impostazione ISO 200 e un'apertura a f/8. |
| Fotomaschera | Imaging a linee sottili | 20.320 DPI FILM | Modello di canali |
| Photoresist (SU-8) | MICRO CHEM | Articolo sul prodotto: Y0201004000L1PE, Numero di lotto: 18110975 | Fotoresist |
| Microscopio a luce polarizzata | OLYMPUS | BX51 | Esame visivo dei micro canali |
| Porte (NanoPort Assembly) | IDEX HEALTH & SCIENZA | Assemblaggio NanoPort senza testa, 10-32 conico, per 1/16" OD, Parte # N-333 | Connessioni al chip |
| Python | Python Software Foundation | Elaborazione delle immagini | |
| Visiera di sicurezza | Sellstrom | S32251 | Per proteggere dalle radiazioni UV/IR |
| Pellicola sigillante (Parafilm) | Bemis Company, Inc | Isolamento di contenitori | |
| Software di controllo dell'otturatore | Schneider-Kreuznach | Per regolare le impostazioni dell'otturatore | |
| in ceramica liscia | Incollaggio termico | ||
| Piastra riscaldante di agitazione | Corning® | PC-620D | Per riscaldare le soluzioni |
| Acido solforico, reagente ACS 95,0-98,0% | Sigma Aldrich | Lotto # SHBK0108 | Solvente nel protocollo di pulizia dei semiconduttori RCA |
| Pompa a siringa (Standard Infonder/Withdraw PHD ULTRA) | Harvard Apparatus | 70-3006 | Per saturare il chip prima di ogni esperimento |
| Chiave dinamometrica | Snap-on | TE25A-34190 | Per serrare le viti |
| Potenza UV metro | Optical Associates, Incorporated | Modello 308 | Per misurare l'intensità della luce UV |
| Misuratore di potenza UV | Optical Associates, Incorporated | Modello 308 | Per quantificare la forza della luce UV |
| Stativo di radiazione UV (luci a LED) | Per trasferire il modello sul vetro (strato di fotoresist) | ||
| Pompa a vuoto | WELCH VACCUM TECHNOLOGY, INC | 1380 | Per asciugare il chip |
| Alimentatori DC variabili | Eventek | KPS305D | Per alimentare le luci UV LED |
Riferimenti
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