Verbeterd dubbel gieten van polydimethylsiloxaan (PDMS) via behandeling met siliconenolie voor dicht opeengepakte replicatie van microstructuren

Om de uitdagingen op het gebied van ontvormen in dichte microstructuren met een hoge beeldverhouding aan te pakken, hebben we het PDMS-dubbelgietproces aangepast door een siliconenoliebehandeling toe te voegen die wordt aangebracht met een spandraad. Ons protocol biedt een eenvoudige, kosteneffectieve oplossing die de noodzaak van dure apparatuur of gespecialiseerde materialen vermijdt, waardoor een betrouwbare replicatie van geavanceerde microstructuren zonder schade mogelijk is.

Ons laboratorium zal zich richten op het automatiseren van het olietoedieningsproces en het ontwikkelen van op maat gemaakte siliconenoliën om optimale omstandigheden te identificeren voor verbeterde reproduceerbaarheid en precisie.

[Verteller] Meng om te beginnen een oplossing van hexaan en OTS in een volumeverhouding van 40:1 met behulp van een schoon glazen bekerglas en een roerstaaf. Dek het bekerglas af met aluminiumfolie om verdamping tot een minimum te beperken. Sonificeer de verzegelde glazen beker in een ultrasoonbad op kamertemperatuur gevuld met water. Dompel vervolgens de voorgeëtste siliconenmal met een gatenreeks onder in de voorbereide hexaan OTS-oplossing. Gebruik nu een schoon pincet om de hele siliconenvorm voorzichtig verticaal uit de oplossing te tillen. Breng het onmiddellijk over naar een vers bekerglas met puur hexaan en spoel het vervolgens af door het vijf tot 10 keer voorzichtig heen en weer te roeren. Droog de vorm voorzichtig met een stikstofblazer die zes tot 10 seconden op ongeveer drie centimeter afstand wordt gehouden totdat er geen zichtbaar vocht meer is. Meng vervolgens de PDMS-basis en het uithardingsmiddel in een gewichtsverhouding van 10:1 in een schoon plastic petrischaaltje gedurende 15 minuten. Doe het mengsel in een kamer en ontgas bij 160 torr totdat er geen zichtbare luchtbellen meer zijn. Smeer een schone plastic petrischaal licht in met siliconenolie met een viscositeit van 100 centistokes met behulp van een pluisvrije wisser die vooraf in de olie is gedrenkt. Plaats vervolgens de OTS-gecoate siliconenvorm met de bedrukte zijde naar boven in het midden van de gecoate petrischaal. Giet het ontgaste PDMS-mengsel langzaam over de vorm totdat het volledig bedekt is. Ontgas de gevulde mal opnieuw in de vacuümbellenverwijderaar totdat er geen zichtbare luchtbellen meer zijn. Plaats nu de petrischaal op een voorverwarmde kookplaat die is ingesteld op 90 graden Celsius om de PDMS uit te harden. Eenmaal uitgehard, pelt u de PDMS-mal voorzichtig uit de siliconen mal en zorgt u ervoor dat de microstructuur intact blijft. Plaats de gefabriceerde PDMS-vorm op een kookplaat die is ingesteld op 150 graden Celsius. Dompel de mal na drie dagen thermische veroudering onder in siliconenolie met een viscositeit van 100 centistokes. Ontgas de in olie ondergedompelde mal onder vacuüm bij 160 torr gedurende 10 tot 15 minuten. Verwijder vervolgens de mal met een pincet en veeg het oppervlak voorzichtig drie tot vijf keer af met een schone, pluisvrije wisser om een uniforme dunne olielaag achter te laten. Bereid vervolgens een PDMS-mengsel op een basis van 10:1 tot de gewichtsverhouding van het uithardingsmiddel met behulp van dezelfde meng- en ontgassingsmethode als voorheen. Giet het ontgaste mengsel voorzichtig op de behandelde vorm, zodat het zich kan verspreiden en minstens halverwege de micropilaren kan reiken. Zet een nylondraad van 0,5 micrometer onder lichte spanning vast. Veeg de draad een of twee keer over het PDMS-oppervlak in één richting om overtollige olie tussen de micropilaren te verminderen. Ontgas vervolgens de mal met de dunne PDMS-laag in een vacuümkamer totdat er geen luchtbellen meer zijn. Om een PDMS-product met gatenarraypatroon te fabriceren, bedek je een schoon plastic petrischaaltje lichtjes met siliconenolie. Plaats de PDMS-vorm in de gecoate petrischaal en giet het ontgaste PDMS-mengsel erover totdat de gewenste hoogte is bereikt. Ontgas de matrijs nogmaals om eventuele ingesloten luchtbellen te verwijderen. Plaats vervolgens de petrischaal op een voorverwarmde kookplaat die is ingesteld op 110 graden Celsius en hard uit tot deze volledig gestold is. Steek na het uitharden voorzichtig een schoon pincet tussen de mal en de replica en ontvorm het eindproduct voorzichtig uit de mal. De siliciummal had een dichte reeks ronde gaten met een diameter van 143 micrometer met een tussenruimte van 150 micrometer en een diepte van 284 micrometer, wat een beeldverhouding van 2:1 opleverde. De PDMS-mal die werd gerepliceerd op basis van de siliciumsjabloon produceerde micropilaren met een diameter van 142 micrometer en een hoogte van 283 micrometer, die nauw overeenkwamen met de oorspronkelijke afmetingen. De PDMS-replica die één dag werd gerijpt en vervolgens werd behandeld met 100 centistokes siliconenolie, vertoonde ernstige scheuren en desintegratie van wandstructuren tijdens het ontvormen. Na twee dagen thermische veroudering gevolgd door een behandeling met 100 centistoke siliconenolie, werden duidelijke pilaarcontouren zichtbaar, maar de muren bleven zwaar beschadigd door onvoldoende afgifte. Met drie dagen thermische veroudering en geen olielaag, resulteerde verknoping tussen uitgeharde en niet-uitgeharde PDMS in gerecombineerde structuren. Het gebruik van MR-100-olie met een lage viscositeit na drie dagen thermische veroudering leidde tot een slechte dekking en scheuren toen de olie van verticale zijwanden wegliep. Olie met een hoge viscositeit vormde een dikke laag, waardoor het vullen van de schimmel werd voorkomen en het eindproduct er golvend en misvormd uitzag. Onder geoptimaliseerde omstandigheden van drie dagen thermische veroudering en 100 centistoke siliconenoliecoating, conserveerde de uiteindelijke replica microstructuren met een gatenpatroon met een diameter van 148 micrometer en een hoogte van 280 micrometer, met kleine dimensionale variatie, maar intacte structuur.