Microfluidic Fabrication Techniques for High-Pressure Testing of Microscale Supercritical CO 2 Foam Transport in Fractured Unconventional Reservoirs Microfluidic Fabrication Techniques for High-Pressure Testing of Microscale Supercritical CO 2 Foam Transport in Fractured Unconventional Reservoirs Microfluidic Fabrication Techniques for High-Pressure Testing of Microscale Supercritical CO2 Foam Transport in Fractured Unconventional Reservoirs Microflu

Summary

Dit document beschrijft een protocol samen met een vergelijkende studie van twee microfluïde fabricagetechnieken, namelijk fotolithografie/wet-etching/thermisch-bonding en Selective Laser-induced Etching (SLE), die geschikt zijn voor hogedrukomstandigheden. Deze technieken vormen het mogelijk maken van platforms voor directe observatie van de vloeistofstroom in surrogaatdoorlatende media en gebroken systemen onder reservoiromstandigheden.

Abstract

Drukbeperkingen van veel microfluïde platforms zijn een belangrijke uitdaging geweest in microfluïde experimentele studies van gebroken media. Als gevolg hiervan zijn deze platforms niet volledig benut voor directe observatie van hogedruktransporten bij breuken. Dit werk introduceert microfluïde platforms die directe observatie van multifase stroom in apparaten met surrogaat permeabele media en gebroken systemen mogelijk te maken. Dergelijke platforms bieden een pad om belangrijke en tijdige vragen aan te pakken, zoals die met betrekking tot CO 2-afvang, -gebruik en -opslag. Dit werk geeft een gedetailleerde beschrijving van de fabricagetechnieken en een experimentele opstelling die kan dienen om het gedrag van superkritisch CO₂ (scCO₂₎schuim, de structuur en stabiliteit ervan te analyseren. Dergelijke studies bieden belangrijke inzichten met betrekking tot verbeterde olieherstelprocessen en de rol van hydraulische breuken in het herstel van hulpbronnen uit onconventionele reservoirs. Dit werk presenteert een vergelijkende studie van microfluïde apparaten ontwikkeld met behulp van twee verschillende technieken: fotolithografie / wet-etsen / thermisch-binding versus Selectieve Laser-geïnduceerde Etching. Beide technieken resulteren in apparaten die chemisch en fysiek resistent zijn en tolerant zijn voor hoge druk- en temperatuuromstandigheden die overeenkomen met ondergrondse systemen van belang. Beide technieken bieden trajecten naar zeer nauwkeurige geëtste microkanalen en capabele lab-on-chip apparaten. Fotolithografie / wet-etsen, echter, maakt de fabricage van complexe kanaal netwerken met complexe geometrieën, die een uitdagende taak voor laser etsing technieken zou zijn. Dit werk vat een stapsgewijze fotolithografie, wet-etsen en glas thermisch-bonding protocol en, presenteert representatieve waarnemingen van schuim transport met relevantie voor olie herstel van onconventionele strakke en schalie formaties. Ten slotte beschrijft dit werk het gebruik van een monochromatische sensor met hoge resolutie om scCO_{2-schuimgedrag} waar te nemen waarbij het geheel van het doorlatende medium tegelijkertijd wordt waargenomen met behoud van de resolutie die nodig is om functies op te lossen zo klein als 10 μm.

Introduction

Hydraulische breuken wordt al geruime tijd gebruikt als middel om de doorstroming te stimuleren, vooral in strakke formaties¹. Grote hoeveelheden water die nodig zijn bij hydraulische breuken worden verergerd met omgevingsfactoren, waterbeschikbaarheidsproblemen², vormingsschade³, kosten⁴ en seismische effecten⁵. Als gevolg hiervan neemt de interesse in alternatieve breekmethoden zoals waterloze breuken en het gebruik van schuimen toe. Alternatieve methoden kunnen belangrijke voordelen opleveren, zoals vermindering van het watergebruik⁶, compatibiliteit met watergevoelige formaties⁷, minimaal tot geen pluging van de formatie⁸, hoge zichtbare viscositeit van de brekende vloeistoffen⁹, recycleerbaarheid¹⁰, gemak van sanering en proppant draagvermogen⁶. CO_2-schuim is een potentiële waterloze breekvloeistof die bijdraagt aan een efficiëntere productie van aardolievloeistoffen en verbeterde CO_{2-opslagcapaciteiten} in de ondergrond met een potentieel kleinere ecologische voetafdruk in vergelijking met conventionele breektechnieken^6,7,11.

Onder optimale omstandigheden biedt superkritisch CO_2-schuim (scCO_2-schuim) bij druk boven de minimale miscibilitydruk (MMP) van een bepaald reservoir een multi-contact miscible systeem dat in staat is om direct in minder doorlatende delen van de formatie te stromen, waardoor de efficiëntie van de sweep en het herstel van de hulpbronnen^12,13wordt verbeterd . scCO₂ levert gas zoals diffusiviteit en vloeistofachtige^{dichtheid 14} en is zeer geschikt voor ondergrondse toepassingen, zoals olieterugwinning en koolstofafvang, gebruik en opslag (CCUS)¹³. De aanwezigheid van de bestanddelen van schuim in de ondergrond helpt het risico op lekkage bij langdurige opslag van CO₂¹⁵te verminderen . Bovendien kunnen gekoppelde compressibiliteits-thermische schokeffecten van scCO_{2-schuimsystemen} dienen als effectieve breeksystemen¹¹. De eigenschappen van CO_{2-schuimsystemen} voor ondergrondse toepassingen zijn op verschillende schalen uitgebreid bestudeerd, zoals de karakterisering van de stabiliteit en viscositeit in zandverpakkingssystemen en de effectiviteit ervan in verplaatsingsprocessen^{3,6,12,15,16,17}. Fractuurniveau schuim dynamiek en de interacties met poreuze media zijn minder bestudeerde aspecten die direct relevant zijn voor het gebruik van schuim in strakke en gebroken formaties.

Microfluïde platforms maken directe visualisatie en kwantificering van de relevante microschaalprocessen mogelijk. Deze platforms bieden real-time controle van de hydrodynamica en chemische reacties om porie-schaal verschijnselen te bestuderen naast hersteloverwegingen¹. Schuimgeneratie, voortplanting, transport en dynamiek kunnen worden gevisualiseerd in microfluïde apparaten die gebroken systemen en breukmicrocrack-matrix geleidende paden emuleren die relevant zijn voor olieterugwinning van strakke formaties. Vloeistofuitwisseling tussen breuk en matrix wordt direct uitgedrukt in overeenstemming met de geometrie¹⁸, waarbij het belang van simplistische en realistische voorstellingen wordt benadrukt. In de loop der jaren zijn een aantal relevante microfluidic platforms ontwikkeld om verschillende processen te bestuderen. Tigglaar en collega's bespreken bijvoorbeeld fabricage- en hogedruktesten van glazen microreactorapparaten door middel van in-plane verbinding van vezels om de stroom door glasvaten die zijn aangesloten op de microreactoren te testen¹⁹. Zij presenteren hun bevindingen met betrekking tot obligatie-inspectie, druktests en in-situ reactiemonitoring door ¹H NMR spectroscopie. Als zodanig kan hun platform niet optimaal zijn voor relatief grote injectiesnelheden, pre-generatie van multifase vloeistofsystemen voor in situ visualisatie van complexe vloeistoffen in doorlatende media. Marre en collega's bespreken het gebruik van een glazen microreactor om hogedrukchemie en superkritische vloeistofprocessen te onderzoeken²⁰. Ze omvatten resultaten als een eindige-element simulatie van stress distributie om het mechanische gedrag van modulaire apparaten onder de belasting te verkennen. Ze maken gebruik van niet-permanent modulaire verbindingen voor verwisselbare microreactor fabricage, en de silicium / Pyrex microfluïde apparaten zijn niet transparant; deze apparaten zijn geschikt voor kinematische studie, synthese en productie in chemische reactietechniek waar visualisatie geen primaire zorg is. Het gebrek aan transparantie maakt dit platform ongeschikt voor directe, in situ visualisatie van complexe vloeistoffen in surrogaatmedia. Paydar en collega's presenteren een nieuwe manier om modulaire microfluidics prototype met behulp van 3D-printen²¹. Deze aanpak lijkt niet geschikt voor hogedruktoepassingen, omdat het gebruik maakt van een fotogene polymeer en de apparaten in staat zijn om slechts bestand te zijn tegen maximaal 0,4 MPa. De meeste microfluïde experimentele studies met betrekking tot het vervoer in gebroken systemen die in de literatuur worden gerapporteerd, richten zich op omgevingstemperatuur en relatief lagedrukomstandigheden¹. Er zijn verschillende studies geweest met een focus op directe observatie van microfluïde systemen die ondergrondse omstandigheden nabootsen. Zo introduceren Jimenez-Martinez en collega's twee studies over kritische porieschaalstroom- en transportmechanismen in een complex netwerk van breuken en matrixen^22,23. De auteurs bestuderen driefasensystemen die microfluidica gebruiken onder reservoiromstandigheden (8,3 MPa en 45 °C) voor productie-efficiëntie; zij beoordelen scCO₂ gebruik voor re-stimulatie waar de overgebleven pekel van een eerdere breuk is immiscible met CO₂ en de resterende koolwaterstof²³. Oliewetje siliciummicrofluïde apparaten zijn relevant voor het mengen van olie-pekel-scCO₂ in enhanced oil recovery (EOR)-toepassingen; Dit werk heeft echter niet direct betrekking op de dynamiek van poriënschaal bij breuken. Een ander voorbeeld is werk van Rognmo et al. die een opschaling benadering voor hoge druk, in situ CO bestuderen₂ schuimgeneratie²⁴. De meeste rapporten in de literatuur die gebruik maken van microfabricage zijn betrekking op CO₂-EOR en ze bevatten vaak geen belangrijke fabricagedetails. Voor zover de auteurs weten, ontbreekt momenteel een systematisch protocol voor de fabricage van hogedrukapparatuur voor gebroken formaties in de literatuur.

Dit werk presenteert een microfluïdisch platform dat de studie van scCO₂ schuimstructuren, bellenvormen, maten en distributie, lamellenstabiliteit in aanwezigheid van olie voor EOR en hydraulische breuken en aquifer saneringstoepassingen mogelijk maakt. Het ontwerp en de fabricage van microfluïde apparaten met behulp van optische lithografie en Selectieve Laser-geïnduceerde^{Ets 29} (SLE) worden besproken. Bovendien beschrijft dit werk breukpatronen die bedoeld zijn om het transport van vloeistoffen in gebroken strakke formaties te simuleren. Gesimuleerde trajecten kunnen variëren van vereenvoudigde patronen tot complexe microscheuren op basis van tomografiegegevens of andere methoden die informatie geven over realistische breukgeometrie. Het protocol beschrijft stapsgewijze fabricage-instructies voor glasmicrofluïde apparaten met behulp van fotolithografie, natte ets en thermische hechting. Een in eigen huis ontwikkelde, ingebouwde Ultra-Violet (UV) lichtbron wordt gebruikt om de gewenste geometrische patronen over te brengen op een dunne laag fotoresist, die uiteindelijk met behulp van een nat etsproces naar het glazen substraat wordt overgebracht. Als onderdeel van kwaliteitsborging worden de geëtste patronen gekenmerkt met behulp van confocale microscopie. Als alternatief voor fotolithografie/wet-etsen wordt een SLE-techniek gebruikt om een microfluïdisch apparaat te maken en wordt een vergelijkende analyse van de platforms gepresenteerd. De opstelling voor stroomexperimenten bestaat uit gasflessen en pompen, drukregelaars en transducers, vloeistofmixers en accu's, microfluïde apparaten, hogedrukbare roestvrijstalen houders samen met een hoge resolutie camera en een verlichtingssysteem. Ten slotte worden representatieve monsters van waarnemingen uit stroomexperimenten gepresenteerd.

Protocol

LET OP: Dit protocol omvat het hanteren van een hogedrukopstelling, een oven met hoge temperaturen, gevaarlijke chemicaliën en UV-licht. Lees alle relevante materiaalveiligheidsinformatiebladen zorgvuldig door en volg de richtlijnen voor chemische veiligheid. Controleer de veiligheidstests (hydrostatische en pneumatische) veiligheidsrichtlijnen, waaronder verplichte training, veilige werking van alle apparatuur, bijbehorende gevaren, noodcontacten, enz.

1. Geometrische patronen ontwerpen

1. Ontwerp een fotomasker bestaande uit geometrische kenmerken en stroompaden van belang (Figuur 1, Aanvullend dossier 1: figuur S1).
2. Definieer het omsluitende kader (oppervlakte van het apparaat) om het gebied van het substraat te identificeren en het ontwerp te beperken tot de afmetingen van het gewenste medium.
3. Ontwerp inlaat/uitlaatpoorten. Kies poortafmetingen (bijvoorbeeld 4 mm in diameter in dit geval) om een relatief uniforme verdeling van schuim te bereiken voordat u het medium binnenkomt (figuur 1).
4. Bereid een fotomasker van het ontworpen geometrische patroon door het afdrukken van het ontwerp op een vel transparante film of een glazen substraat.
   1. Extrudeer het tweedimensionale ontwerp naar de derde dimensie en neem inlaat- en uitlaatpoorten op (voor gebruik in SLE).
      OPMERKING: De SLE-techniek vereist een driedimensionale tekening(figuur 2).

2. Breng de geometrische patronen over op het glazen substraat met behulp van fotolithografie

OPMERKING: Etchants en piranha oplossingen moeten met uiterste zorg worden behandeld. Het gebruik van persoonlijke beschermingsmiddelen, waaronder het gezichtstoestel, de bril, de handschoenen en het gebruik van zuur/corrosiebestendig pincet(Tabel van materialen)wordt aanbevolen.

1. Bereid de oplossingen voor die nodig zijn in het natte-etingproces door deze stappen te volgen (zie ook de elektronische ondersteunende informatie die wordt verstrekt als aanvullend dossier 1).
   1. Giet een voldoende hoeveelheid chroom etchant oplossing in een beker zodanig dat het substraat kan worden ondergedompeld in de etchant. Verwarm de vloeistof tot ongeveer 40 °C.
   2. Bereid een oplossing van ontwikkelaar (Tabel van materialen) in gedeïmiseerd water (DI water) met een volumetrische verhouding van 1:8 zodanig dat het substraat volledig kan worden ondergedompeld in het mengsel.
2. Bedruk het geometrische patroon op een borosilicaatsubstraat bedekt met een laag chroom en een laag fotoresist met UV-bestraling.
   1. Plaats het masker (glazen substraat of de transparante folie met het geometrische patroon) met gehandschoende wijze direct op de zijkant van het borosilicaat dat bedekt is met chroom en fotoresist.
   2. Plaats de fotomasker- en substraatcombinatie onder het UV-licht met het fotomasker naar de bron.
      OPMERKING: Dit werk maakt gebruik van UV-licht met een golflengte van 365 nm (om de piekgevoeligheid van de fotoresist aan te passen) en bij een gemiddelde intensiteit van 4,95 mW/cm².
   3. Breng het geometrische patroon in de laag fotoresist door het blootstellen van de stapel van het substraat en het masker aan UV-licht.
      OPMERKING: Optimale belichtingstijd is een functie van de dikte van de fotoresistische laag en de sterkte van UV-straling. Fotoresist is gevoelig voor licht en het hele proces van het afdrukken van het patroon moet worden uitgevoerd in een donkere kamer uitgerust met gele verlichting.
3. Ontwikkel de fotoresist.
   1. Verwijder de fotomasker en substraat stapel van de UV-fase met behulp van gehandschoende handen.
   2. Verwijder het fotomasker en dompel het substraat onder in de ontwikkelaarsoplossing voor ongeveer 40 s, waardoor het patroon wordt overgedragen aan de fotoresist.
   3. Cascade-spoel het substraat door stromend DI water van de bovenkant van het substraat en over al zijn oppervlakten een minimum van drie keer en laat het substraat drogen.
4. Eth het patroon in de chroomlaag.
   1. Dompel het substraat onder in een chroom etchant verwarmd tot ongeveer 40 °C voor ongeveer 40 s, waardoor het patroon van de fotoresist naar de chroomlaag wordt overgebracht.
   2. Haal het substraat uit de oplossing, spoel het substraat cascade-spoelen met di-water en laat het drogen.
5. Eth het patroon in het borosilicaat substraat.
   OPMERKING: Een gebufferde etchant(Tabel van materialen) wordt gebruikt om het geometrische patroon over te brengen naar het glazen substraat. Voorafgaand aan het gebruik van de gebufferde etchant, is de achterkant van het substraat bedekt met een laag fotoresist om het te beschermen tegen de etchant. De dikte van deze beschermende laag is niet van belang voor het totale fabricageproces.
   1. Breng met behulp van een borstel verschillende lagen hexamethyldisilazane (HMDS) aan op het onbedekte gezicht van het substraat en laat het drogen.
      OPMERKING: HMDS helpt de hechting van fotoresist aan het oppervlak van het borosilicaatsubstraat te bevorderen.
   2. Breng een laag fotoresist op de top van de primer. Plaats het substraat in een oven op 60\u201290 °C gedurende 30-40 min.
   3. Giet een voldoende hoeveelheid van de etchant in een plastic container en volledig onderdompelen het substraat in de etchant.
      LET OP: De etssnelheid wordt beïnvloed door de concentratie, temperatuur en duur van de blootstelling. De gebufferde etchant gebruikt in dit werk etsen een gemiddelde van 1 \u201210 nm/min.
   4. Laat het patroon substraat in de etchant oplossing voor een vooraf bepaalde hoeveelheid tijd op basis van de gewenste kanaaldiepten.
      OPMERKING: De etstijd kan worden verkort door intermitterende badsoonsatie van de oplossing.
   5. Verwijder het substraat uit het etchant met behulp van een oplosmiddelbestendige pincet en spoel het substraat cascade-spoelt met DI-water.
   6. Karakteriseer de geëtste eigenschappen op het substraat om ervoor te zorgen dat de gewenste diepten zijn bereikt.
      OPMERKING: Deze karakterisering kan worden gedaan met behulp van een laser scanning confocale microscoop(Figuur 3). In dit werk wordt een 10x vergroting gebruikt voor het verzamelen van gegevens. Zodra kanaaldiepten bevredigend zijn, ga je naar de reinigings- en hechtfase.

3. Schoon en bondig

1. Verwijder fotoresist- en chroomlagen.
   1. Verwijder de fotoresist uit het substraat door het substraat bloot te stellen aan een organisch oplosmiddel, zoals N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP) oplossing verwarmd met behulp van een hete plaat onder een kap tot ongeveer 65 °C gedurende ongeveer 30 min.
   2. Cascade-spoel het substraat af met aceton (ACS-kwaliteit), gevolgd door ethanol (ACS-kwaliteit) en DI-water.
   3. Plaats het gereinigde substraat in chroom etchant verwarmd met behulp van een hete plaat onder een kap tot ongeveer 40 °C voor ongeveer 1 min, waardoor de chroomlaag uit het substraat wordt verwijderd.
   4. Zodra het substraat vrij is van chroom en fotoresist, karakteriseren van het kanaal diepten met behulp van laser scanning confocale microscopie.
      OPMERKING: Dit werk maakt gebruik van een 10x vergroting voor gegevensverwerving(figuur 4).
2. Bereid de afdekplaat en het geëtste substraat voor op hechting.
   1. Markeer de posities van de inlaat/uitgaten op een leeg borosilicaatsubstraat (afdekplaat) door de afdekplaat tegen het geëtste substraat uit te lijnen.
   2. Blast door-gaten in de gemarkeerde locaties met behulp van een micro schurende zandblaster en 50 μm aluminiumoxide micro zandstralen media.
      OPMERKING: Als alternatief kunnen de poorten worden gemaakt met behulp van een mechanische boor.
   3. Cascade spoel zowel het geëtste substraat als de afdekplaat af met DI water.
   4. Voer een RCA wafer reinigingsprocedure uit om verontreinigingen te verwijderen voordat ze worden gebonden met behulp van standaardtechniek. Voer de wafer reinigingsstappen onder een kap als gevolg van de volatiliteit van de oplossingen die betrokken zijn bij het proces.
   5. Breng een 1:4 volume H₂O₂:H₂SO₄ piranha oplossing aan de kook en dompel het substraat en de afdekplaat in de oplossing gedurende 10 minuten onder een kap.
   6. Cascade spoel het substraat en de afdekplaat af met DI water.
   7. Dompel het substraat en de afdekplaat onder in de gebufferde etchant voor 30-40 s.
   8. Cascade spoel het substraat en de afdekplaat af met DI water.
   9. Dompel het substraat en de afdekplaat gedurende 10 min onder in een 6:1:1 volume DI water:H₂O₂:HCl-oplossing die wordt verwarmd tot ongeveer 75 °C.
      LET OP: Etsen en hechting worden bij voorkeur uitgevoerd in een cleanroom. Als er geen cleanroom beschikbaar is, wordt het uitvoeren van de volgende stappen in een stofvrije omgeving aanbevolen. In dit werk worden stappen 3.2.9–3.2.12 uitgevoerd in een handschoenenkastje om de kans op verontreiniging van de substraten te minimaliseren.
   10. Druk het substraat en de afdekplaat stevig tegen elkaar aan terwijl u onder water staat.
   11. Verwijder het substraat en de afdekplaat uit DI water:H₂O₂:HCl oplossing. Cascade spoelen met DI water en onderdompelen in DI water.
   12. Zorg ervoor dat het substraat en de afdekplaat stevig aan elkaar zijn bevestigd en verwijder de twee voorzichtig terwijl ze tegen elkaar worden gedrukt uit DI-water.
3. Bind de substraten thermisch.
   1. Plaats de gestapelde substraten (het geëtste substraat en de afdekplaat) tussen twee gladde, 1,52 cm dikke, glaskeramische platen om te hechten.
   2. Plaats de glaskeramische platen tussen twee metalen platen gemaakt van Alloy X (Tafel van materialen), die in staat is om de vereiste temperaturen te weerstaan zonder significante vervorming.
   3. Centreer de glazen wafers in de keramische metalen houder.
      LET OP: Dit werk maakt gebruik van glas-keramische platen die 10 cm x 10 cm x 1,52 cm dik zijn. De gestapelde setup is beveiligd met 1/4" bouten en moeren(figuur 5).
   4. Draai de moeren met de hand aan en plaats de houder 60 minuten in een vacuümkamer bij ongeveer 100 °C.
   5. Haal de houder uit de kamer en draai de moeren voorzichtig aan met ongeveer 10 lb-in koppel.
   6. Plaats de houder in een oven en voer het volgende verwarmingsprogramma uit. De temperatuur verhogen met 1 °C/min tot 660 °C; houd de temperatuur constant op 660 °C gedurende 6 uur, gevolgd door een koelstap bij ongeveer 1 °C/min terug naar beneden op kamertemperatuur.
   7. Verwijder het thermisch gebonden microfluidic apparaat, spoel het af met DI-water, plaats het in HCl (12,1 M) en badsonisch (40 kHz bij 100 W van de macht) de oplossing gedurende een uur(figuur 6).

4. Fabricaat laser-geëtst glas microfluïde apparaten

OPMERKING: Apparaatfabricage werd uitgevoerd door een 3D-printservice van derden(Tabel van materialen)via een SLE-proces en met behulp van een gesmolten silicasubstraat als voorloper.

1. Schrijf het gewenste patroon in een gesmolten silica substraat met behulp van een lineair gepolariseerde laserstraal georiënteerd loodrecht op het podium gegenereerd via een femtoseconde laserbron met een pulsduur van 0,5 ns, een herhalingssnelheid van 50 kHz, pulsenergie van 400 nJ, en een golflengte van 1,06 μm.
2. Verwijder het glas uit het geschreven patroon in het gesmolten silicasubstraat met behulp van een KOH-oplossing (32 wt%) bij 85 °C met ultrasone sonicatie (figuur 7).

5. Uitvoeren van hogedruktests

1. Verzadig het microfluidic apparaat met de inwonende vloeistof (bijvoorbeeld DI-water, oppervlakteactieve oplossing, olie, enz., afhankelijk van het type experiment) met behulp van een spuitpomp.
2. Bereid schuimgenererende vloeistoffen en aanverwante instrumenten voor.
   1. Bereid de pekeloplossing (inwonende vloeistof) met het gewenste zoutgehalte en los de oppervlakteactieve stof (zoals lauramidopropyl betaïne en alfa-olefin-sulfonaat) op met de gewenste concentratie (volgens de kritische micelleconcentratie van oppervlakteactieve stof) in de pekel.
   2. Vul de tanks van de CO₂ en waterpompen met voldoende hoeveelheden vloeistoffen per het experiment bij kamertemperatuur.
   3. Vul de pekelaccumulator en stroomlijnen met de oppervlakteactieve oplossing met behulp van een spuit. Dit werk maakt gebruik van een accu met een capaciteit van 40 mL.
   4. Spoel de pekellijn af met de pekeloplossing.
   5. Spoel de lijn die de accu verbindt met het apparaat en de uitlaatlijnen met de ingezetenevloeistof (de pekeloplossing in dit geval).
   6. Plaats het verzadigde microfluidic apparaat in een drukbestendige houder en sluit de inlaat/uitlaatpoorten aan op de juiste lijnen met behulp van buizen met een binnendiameter van 0,010 inch(figuur 8, aanvullend bestand 1: figuur S5).
   7. Verhoog de temperatuur van het circulerende bad, dat de temperatuur van de pekel- en CO_2-lijnen regelt, tot de gewenste temperatuur (bijvoorbeeld 40 °C hier (figuur 9)).
   8. Controleer alle lijnen om de integriteit van de setup voorafgaand aan de injectie te garanderen.
3. Genereer het schuim.
   1. Begin met het injecteren van de pekel met een snelheid van 0,5 mL/min en controleer de stroom van oppervlakteactieve oplossing in het apparaat en de tegendruklijn.
   2. Verhoog de tegendruk en pekelpompdruk gelijktijdig in geleidelijke stappen (~ 0,006 MPa/s) met behoud van continue stroom uit de uitlaat van de onderdrukregelaar (BPR). Verhoog de druk tot ~ 7,38 MPa (minimaal vereiste scCO₂ druk) en stop de pompen.
   3. Verhoog de CO_2-lijndruk tot een druk boven de 7,38 MPa (minimale scCO_2-druk).
   4. Open de CO_2-klep en laat de scCO₂ gemengd met de hogedruk oppervlakteactieve oplossing door een inline mixer stromen om schuim te genereren.
   5. Wacht tot de stroom volledig is ontwikkeld in het apparaat en de kanalen verzadigd zijn. Controleer de uitlaat op het begin van schuimgeneratie.
      OPMERKING: Hulppoorten kunnen worden gebruikt om het medium volledig te verzadigen met de ingezetenevloeistof(figuur 1). Inconsistenties in de drukopbouw en plotselinge toename van bpr's kunnen leiden tot breuk (figuur 10). De vloeistofdruk en de tegendruk moeten geleidelijk worden verhoogd om het risico op schade aan het apparaat te minimaliseren.
4. Voer real-time beeldvorming en data-analyse uit.
   1. Schakel de camera in om gedetailleerde beelden van de stroom in de kanalen vast te leggen. Dit werk maakt gebruik van een camera met een 60 megapixel, monochromatische, full-frame sensor.
   2. Start de speciale shutter control software(Table of Materials). Selecteer een sluitertijd van 1/60, een brandpuntsverhouding (f-getal) van f/8.0 en selecteer de juiste lens.
   3. Start de speciale camerasoftware(Table of Materials). Selecteer de camera, het gewenste formaat (bijvoorbeeld IIQL) en een ISO-instelling van 200 in het pulldown-menu onder de instelling 'CAMERA' van de software.
   4. Pas de werkafstand van de camera aan op het medium als dat nodig is om zich op het medium te concentreren. Leg beelden vast met voorgeschreven tijdintervallen door op de opnameknop in de software te drukken.
5. Druk het systeem terug naar omgevingscondities.
   1. Stop injectie (gas- en vloeistofpompen), sluit de CO_2- en pekelpompinlaten, open de rest van de lijnkleppen en zet de kachels uit.
   2. Verlaag de tegendruk geleidelijk (bijvoorbeeld met een snelheid van 0,007 MPa/s) totdat het systeem de omgevingsdruk bereikt. Verlaag de pekel- en CO_2-pompdruk afzonderlijk.
      LET OP: Het verlagen van de scCO₂ druk kan leiden tot inconsistente of turbulente BPR uitstroom, dus de druk drawdown moet worden uitgevoerd met de nodige zorg.
6. Reinig het microfluidic apparaat grondig na elk experiment als dat nodig is door de volgende reeks oplossingen door het medium te laten stromen: isopropanol/ethanol/water (1:1:1), 2 M HCl-oplossing, DI-water, een basisoplossing (DI water/NH₄OH/H₂O₂ om 5:5:1) en DI-water.
7. Verzamelde afbeeldingen na het proces.
   1. Isoleer het porielandschap door de achtergrond van de beelden uit te sluiten.
   2. Kleine verkeerde uitlijningen corrigeren door perspectieftransformatie uit te voeren en een lokale drempelstrategie uit te voeren als dat nodig is om rekening te houden met niet-uniforme verlichting²⁸_.
   3. Bereken geometrische en statistische parameters die relevant zijn voor het experiment, zoals de gemiddelde belgrootte, de verdeling van de bellengrootte en de vorm van de bellen voor elke schuimmicrostructurele beelden in het kanaal.

Results

Deze sectie presenteert voorbeelden van fysieke waarnemingen van scCO₂ schuimstroom door een hoofdfractuur verbonden met een reeks micro-scheuren. Een glazen microfluïde apparaat gemaakt via fotolithografie of SLE is geplaatst in een houder en op het gebied van het gezichtsveld van een camera met een 60 megapixel, monochromatische, full-frame sensor. Figuur 11 illustreert het fabricageproces van microfluidic devices en hun plaatsing in de experimentele setup. ...

Discussion

Dit werk presenteert een protocol met betrekking tot een fabricageplatform om robuuste, hogedrukglasmicrofluïde apparaten te creëren. Het protocol gepresenteerd in dit werk verlicht de noodzaak van een cleanroom door het uitvoeren van een aantal van de uiteindelijke fabricage stappen in een handschoenenkastje. Het gebruik van een cleanroom, indien beschikbaar, wordt aanbevolen om de kans op verontreiniging te minimaliseren. Bovendien moet de keuze van de etchant worden gebaseerd op de gewenste oppervlakteruwheid. Het geb...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
1/4” bolts and nuts			Voor fabricage van de metalen platen om het glazen chip ertussen te plaatsen voor thermische binding
3.45 x 3.45 mm UV LED	Kingbright		Om LED-licht uit te zenden
3D meetlasermicroscoop	OLYMPUS	LEXT OLS4000	Om kanaaldieptes te meten
40 mm x 40 mm x 10 mm 12V DC Koelventilator	Uxcell		Om de UV LED-lampen te koelen
120 mm x 38 mm 24V DC Koelventilator	Uxcell		Om de UV LED-lampen te koelen
5 ml (6 ml) NORM-JECT-spuit	HENKE SASS WOLF	Lot #16M14CB	Om de chip te spoelen voor elk experiment
Aceton (gecertificeerd ACS)	Fisher Chemical	Lot #177121	Voor reiniging
Zuur/corrosiebestendige pincet	TED PELLA		Om het glazen stuk in corrosieve oplossingen te hanteren
Zuur/oplosmiddelbestendige pincetten	TED PELLA, INC	#53009 en #53010	Om het glas in corrosieve oplossingen te hanteren
Alloy X	AMERICAN SPECIAL METALS	Heat Number: ZZ7571XG11	Thermische binding
Ammoniumhydroxide (ACS-reagens)	Sigma Aldrich	Lot #SHBG9007V	Om de chip aan het einde van het proces te reinigen
AutoCAD	Autodesk, San Rafael, CA		Om 2D-patronen en 3D-chips te ontwerpen
BD Etchant voor PSG-SiO2 systemen	TRANSENE	Lot #028934	Een verbeterde gebufferde etch-formulering voor het afbakenen van fosfosilicaatglas – SiO2 (PSG) en borosilicaatglas – SiO2 (BSG) systemen
Blanco Borofloat-substraat	TELIC	CG-HF	Bovenste substraat voor UV-etsen
Borofloat-substraat met metaliseringen	TELIC	PG-HF-LRC-Az1500	Onderste substraat voor UV-etsen
Capture One fotobewerkingssoftware	Phase One		Om de foto's van de Phase One-camera vast te leggen/bewerken/omzetten
Capture station	DT Scientific	DT Versa	Om de chip in het gezichtsveld van de camera te plaatsen
Koolstofdioxidegas (Grade E)	PRAXAIR	UN 1013, CAS-nummer 124-38-9	niet-waterige porties van schuim
Chroom-etser 1020	TRANSENE	Lot #025433	Hoge-zuiverheid ceriumammoniumnitraatsystemen voor precies, schoon etten van chroom en chroomoxidefilms.
Circulerende baden met digitale temperatuurregelaar	PolyScience		Om de pekel- en CO2 temperaturen te regelen
Computer		NVIDIA Tesla K20 grafische kaart - 706 MHz Core - 5 GB GDDR5 SDRAM - PCI Express 2.0 x16	Om de beelden die via de Phase One-camera zijn verkregen te verwerken en te visualiseren
Op maat gemaakte houder voor glazen chip onder hoge druk			Om de chip en zijn verbindingen stevig vast te houden voor hogedruktests
Cutrain (op maat gemaakt)			Om te beschermen tegen UV/IR-straling
De-ioniseerd water (DI)			Voor reiniging
Digitale camera met monochrome 60 MP-sensor	Phase One	IQ260	Visualisatiesysteem
Ethanol, anhydrous, USP-specificaties	DECON LABORATORIES, INC.	Lot #A12291505J, CAS# 64-17-5	Voor reiniging
Gezichtsmasker herbruikbare ademhalingsbescherming	3M	6502QL, Gassen, Dampen, Stof, Medium	Om te beschermen tegen inademing van vluchtige oplossingen
Gesmolten silica (UV-kwaliteit) wafer	SIEGERT WAFER	UV-kwaliteit	Glazen voorloper voor SLE-afdrukken
GIMP	Open-source beeldverwerkingssoftware		Om de textuur en eigenschappen van afbeeldingen te karakteriseren
Handschoenenkast (vinyl anaërobe kamer)	Coy		Om een schone, stofvrije omgeving te bieden
Verwarmd ultrasoon reinigingsbad	Fisher Scientific		Om het etchproces te versnellen
Hexamethyldisilazane (HMDS) Cleanroom® MB	KMG	62115	Primer voor fotoresistcoating
Slang (PEEK-buis)	IDEX HEALTH & SCIENCE	Natuurlijk 1/16" OD x.010" ID x 5ft, Deel # 1531	Stroomverbindingen
Zoutzuur, gecertificeerd ACS plus	Fisher Chemical	Lot # 187244	Oplosmiddel in RCA-halfgeleiderreinigingsprotocol
Waterstofperoxide	Fisher Chemical	H325-500	Oplosmiddel in RCA-halfgeleiderreinigingsprotocol
ImageJ	NIH		Om de textuur en eigenschappen van afbeeldingen te karakteriseren
ISCO-spuitpomp	TELEDYNE ISCO	D-SERIES (100DM, 500D)	Om de vloeistoffen te verpompen
Kaiser LED-lichtbak	Kaiser		Om de chip te verlichten
Laserprinter	LightFab GmbH, Duitsland.	FILL	Fabricage van glazen SLE-chip
Laserveiligheidsbril	FreeMascot	B07PPZHNX4	Om te beschermen tegen UV/IR-straling
LED Engin 5W UV-lens	LEDiL		Om LED-licht uit te zenden
Light Fab 3D-printer (femtoseconde laser)	Light Fab		Om geselecteerd laseretch van gesmolten silica te maken
LightFab 3D-printer	LightFab GmbH, Duitsland		Om de gesmolten silica-chips SLE-af te drukken
MATLAB	MathWorks, Inc., Natick, MA		Beeldverwerking
Metalen platen
Microschuurmiddel zandstralers (Problast 2)	VANIMAN	Problast 2 – 80007	Om gaten in dekplaten te maken
MICROPOSIT 3