Summary
スリット-細孔ジオメトリで毛細血管橋を作成し、イメージングする手順を示します。毛細管橋の作成は、流体を固定する指向性物理的および化学的不均一性を提供するために、柱の形成に依存しています。 毛細管橋はマイクロステージを用いて形成され、操作され、CCDカメラを用いて可視化される。
Abstract
スリット-細孔ジオメトリで毛細血管橋を作成し、イメージングする手順を示します。高アスペクト比疎水性ピラーは、その上面親水性をレンダリングするために製造され、機能化されています。物理的特徴(柱)と化学的境界(柱の上部にある親水性フィルム)の組み合わせは、三重接触線をピン止めする物理的および化学的不均一性を提供し、安定した長くて狭い毛管橋を作成するために必要な特徴である。柱が付いている基質はガラスのスライドに取付けられ、カスタムのホールダーにしっかり止められた。ホルダーは4軸マイクロステージに取り付けられ、柱が平行で互いに向き合うよう配置されます。毛細管橋は、対向する柱の分離が数百マイクロメートルに減少した後、2つの基板間の隙間に流体を導入することによって形成される。カスタムマイクロステージは、毛細管橋の高さを変化させるために採用されます。CCD カメラは、流体インターフェイスの形態を特徴付けるために、キャピラリー ブリッジの長さまたは幅をイメージするために配置されます。幅が250μmまで、長さが70mmまでの柱がこの方法で製作され、1001以上のアスペクト比(長さ/幅)を持つ毛細管橋につながっています。
Introduction
毛細管橋によって引き起こされる形状および結果の力の研究は、広範な研究2-7の対象となっている。当初、ほとんどの努力は、そのシンプルさのために、軸対称毛細血管橋に焦点を当てていました。粒状および多孔質媒体8,9に見られるような自然システムで発生するキャピラリー橋や、フリップチップ技術10〜15 の毛細血管自己集合化などの技術的用途に用いられた橋は、相互作用面上の不均一な湿潤特性と非対称である。改良されたリソグラフィ技術と、流体インタフェースをモデル化するための簡単な数値ツールのアクセシビリティを組み合わせて、複雑さを増すキャピラリー橋梁の作成とモデリングを可能にします。
スリット孔幾何学のキャピラリー橋は興味深い妥協点を提供する:方向湿潤特性は、いくつかの対称面を保持する非軸対称橋につながる(解析を簡素化する)。多孔質メディアのケーススタディとして理論的・数値的に研究されている。しかし、スリット孔幾何学における毛細血管橋の体系的な実験的研究は限られている。ここでは、スリット細孔ジオメトリで毛管橋を作成し、特徴付ける方法を紹介します。簡単に言えば、この方法は、1)化学的および物理的な異質性を作成するための柱の製造、2)橋を整列して操作するためのマイクロステージの設計、および3)毛細血管橋の画像化が前面または側面からそれらの形態を特徴付けるから成っている。ブリッジ形態の特性評価とサーフェス・エボルバ・シミュレーションとの比較は、別のパブリケーション1で提供されています。
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Protocol
プロトコルテキストは、3つの主要なセクションに分かれています:1)PDMS(ポリジメチルシロキサン)柱の製造、2)柱の上部の機能化、および3)毛細血管橋の形成と特性化。
1. PDMSピラーの製作
このセクションでは、シリコン/SU-8型を使用したダイカストを用いたPDMSピラーの製造について詳しく説明します。
-
シリコン/SU-8金型の製造
- パイレックスペトリ皿にシリコンウエハーにクリーン4を入れます。
- 4:1(体積)で硫酸を過酸化水素(ピラニア)溶液に別のビーカーで調製します。
注: ピラニア溶液の調製と使用には細心の注意が必要です。反応は非常に発熱性であり、保護された手袋はビーカーを扱うために要求される。ピラニアは有機物と激しく反応します。ピラニア溶液を処分する前に室温まで冷まします。ウエハを皿に沈めるのに必要な十分な溶液を用意してください。 - ピラニア溶液をシリコンウェーハにゆっくりと注ぎ、完全に水没させます。15分間座ってみましょう。
- ペトリ皿からウエハーを取り出し、流れの下で洗い流す:2分間脱イオン(DI)水、30秒間エタノール、30秒間アセトン、窒素で乾燥した。
注: アセトンからの残留物が問題である場合は、IPA を使用して追加のリンスを使用することをお勧めします。 - 150°Cのホットプレートでウエハーを15分間乾燥させます。
- ホットプレートから取り出し、室温まで冷まします。
- スピンコートSU-8 2002をウエハの表面に500rpmで40秒間塗布した。
- 2ステップのスピンコータープログラムでウエハーにスピンコートSU-8 2050。ステップ1:500rpmで40秒。ステップ2:1,500 rpmで1分。
- スピンコーターからウエハーを取り出し、予熱ホットプレート(65°C)に10分間置きます。
- 室温まで冷ましてから、ウエハーの上にマスクを置きます。
- 紫外線ランプの下に置き、200ワットで30秒間露出する。
- マスクを外し、予熱ホットプレート(95°C)にウェハを10分間置きます。
- SU-8現像液に入れ、露出していないSU-8がすべて取り除かれるまで軽く攪拌します。その後、イソプロピルアルコールの流れで30秒間すすいで、窒素で乾燥させます。
- 加熱されたホットプレート(95°C)を30分間置き、最後のハードベークを行います。
-
PDMSピラーのダイキャスト
- PDMSシルガード-184塩基の10:1質量比をビーカー中の硬化剤に激しく混ぜ合わせます。
- すべての気泡がなくなるまで真空チャンバー内のドガPDMS。
- セクション1.1で作製した金型をプラスチック製の計量皿の大きな4に入れ、PDMSを注ぎます。
- PDMSとカビで皿を真空チャンバーに戻します。すべての泡がなくなるまで再びドガ。
- 皿全体をオーブン(75°Cに予熱)に2時間以上置きます。その後、室温まで冷まします。
- PDMSから皿を切り取り、シリコンウエハからまっすぐカミソリの刃でPDMSを切り取ります。
- バルクから柱でPDMS領域を切り取り、きれいなペトリ皿に保管します。
2. 柱の頂点の機能化
この3段階のプロセスは、まずシリコンウエハー上の金膜の蒸発を伴い、続いて金膜の転写リソグラフィー16 をPDMSピラー(セクション1で作製)に移し、最後に自己組み立て単層を用いた金膜の機能化を含み、それを親水性にレンダリングする。
- インプリント転写リソグラフィ用シリコンウエハ上の金の製造
- ガラスカッターを使用して、円形シリコンウエハース4を4つの等しいサイズの部分にサイコロ化します。注: ウェーハはステップ 1.1.2-1.1.4 を使用して清掃し、再利用することができます。
- 20nmの金をシリコンウエハーに直接蒸発します。
- 下のセクション3が完了するまで、ウエハを蒸発チャンバー(またはデシケータ)に残します。これにより、ウエハはできるだけ清潔に保ちます。
- 8 μl:20 ml(3-メルカプトプロピル)-トリメトキシシラン(MPTS):トルエン溶液をきれいなガラスバイアルで調製します。
- 16 mM塩酸(HCl)を清潔なビーカーに200ml用意します。
- プラズマ反応器に金膜を入れたウエハーを入れます。
- 酸素プラズマを使用して、300 mTorrの圧力でウェハを洗浄し、50Wの電力を10分間洗浄します。
注:この手順では、家庭用プラズマ原子炉を使用しました。 - ウエハーを200個の証拠エタノールでいっぱいのパイレックスペトリ皿に少なくとも10分間入れます。
注: このステップは酸素の血色によって金の上に形成される不安定な酸化物を除去するために行われる。 - ウエハをエタノールですすい、窒素で乾燥させます。
- MPTS溶液をウエハーに500 rpmで30秒間スピンコートし、続いて2,750 rpmで1分間に塗布します。
注: MPTS は PDMS とゴールド層16の間の接着層として使用されます。 - スピンコーターからウエハーを取り出し、エタノールの流れの下ですすります。その後、DI水ですすい、窒素で乾燥させます。
注:シリコンウエハから金層の剥離を避けるために、穏やかにすすい。 - ウエハーを十分に水没させるのに十分な16 mM HCl溶液を含むパイレックスペトリ皿にウエハーを入れます。HClに少なくとも5分間放置します。
注: 金が剥がれないように、溶液にそっと入れて下さってください。
注: これは PDMS とゴールド層16の間の接着性を改善するために行われます。 - HCl溶液からウエハを取り出し、窒素で乾燥させます。
注:このステップが完了した後、ウェーハは15〜20分以下で使用する必要があります。
- ウエハーからPDMSピラーへの金の転写リソグラフィー
- 25 mm x 75 mm ガラススライドを各 PDMS サンプルに 1 枚用意し、エタノール、DI 水、窒素で拭き取ります。
- PDMSピラーをプラズマチャンバーに設置し、300 mTorrの圧力と30秒間の50 Wの電力で酸素プラズマを実行します。
注:PDMSを酸素プラズマに過度に曝露すると、ひび割れが発生します。それに応じてプラズマの状態を調整します。 - PDMS基板の背面を、それらに光圧を加えることによって、きれいなガラススライドに結合します。ガラススライドは、PDMSピラーの操作とステップ3で説明したデバイスへの取り付けを容易にします。
- ガラス支持PDMS基板を裏返し、MPTS機能性の金フィルムに柱を押し下げる(ステップ2.1)。最初は適度な圧力を加え、ガラススライドに重量(約100g)を加え、コンフォーマルコンタクトを確実にします。
- 基板をシリコンウェーハに接触したまま少なくとも12時間放置します。
- PDMS基板をウェハから分離します。PDMS基板が貼り付けられている場合は、ストレートカミソリブレードを使用して、ウエハーのPDMSの端を慎重にこじ込みます。
- この時点で、均一な金色フィルムがPDMSピラーの上部に存在する必要があります。光学顕微鏡を使用して、金フィルムにひびが入っていないか、柱に沿って欠けている部品がないことを確認します。
- PDMSピラーの上部にある金の機能化
- ジメチルスルホキシド(DMSO)に十分な1 mMのメルカプトヘキサデカン酸(MHA)を準備し、PDMSピラーの上に金を完全に沈めます。
注: DMSO は、低 PDMS の膨張因子17に使用されます。 - PDMS基板をMHA溶液に入れ、少なくとも24時間そこに保管してください。
- MHA溶液から基板を取り出し、DI水ですすいで、窒素で乾燥させます。
- 真空チャンバー(圧力<25°Cで100 mTorr)に少なくとも12時間置きます。
- ジメチルスルホキシド(DMSO)に十分な1 mMのメルカプトヘキサデカン酸(MHA)を準備し、PDMSピラーの上に金を完全に沈めます。
注: 機能化プロセスが成功したことを確認するために、ステップ 2 を PDMS のバルク部分(柱なし)で実行でき、濡れ角度はゴニオメーターでテストできます。MHA金フィルムは、それぞれ<15°および〜0°の水接触角を進め、後退させる必要があります。18
3. 毛細管橋の形成と特徴付け
このセクションでは、2つの基板間に液体ブリッジを導入し、その後、異なる高さと流体量でのイメージングを介してその特性評価を導入する方法を詳しく説明します。
- 2つの柱の基材(ステップ1-2で作られた)を使用して、1つを上に、もう1つを底部ホルダーに置きます。サイドテンションねじを使用して基板を固定します。
注: デバイスの詳細については 、図 1 と代表的な結果を参照してください。 - 上部基板が底基板よりほぼ上になるように、上部基板ステージをブレッドボードに取り付けて装置を組み立てる。2 本の向き合う柱の高さを約 1mm に下げます。
- ラフアライメント:下部の基板ステージのx、y、および回転ノブを使用して、2つの基板のゴールドストリップを(目で)整列させ、平行になるようにします(上部基板を通して上を見下ろす)。
- 微調整: PDMS ピラーの長さを見下ろすためにカメラを配置します。コンピュータ画面上のライブカメラフィードを使用して、さらに柱が平行になるように底基板の位置を調整します。
- カメラをデバイスの反対側に移動し、ステップ 3.4 を繰り返します。
- 上柱が下柱に接触するまで(ライブカメラフィードを使用して)2本の柱の間の分離を減らします。デジタルマイクロステージをゼロにします。これは、0の細孔の高さとして定義されます。
- 細孔の高さを約200μmに増やします。
- 80%のグリセロール、20%の水溶液の1〜5 μlでシリンジを調製します。注射器の端に30Gの針を取り付け、気泡が針の中に閉じ込められないようにします。
注: 水/グリセロール混合物は、実験中の蒸発を減らすために使用されます。水も使用できます。 - メカニカルクランプでシリンジxyz変換段階にシリンジを取り付けます。
- 注射器の位置決め段階でマイクロメーターを調整して、針がスリットの細孔に収まるようにします(柱の長さに平行)。
- 上部と下部の表面が針にそっと接触するように、スリットの細孔の高さを下げます。これにより、液体が両方の表面に触れ、キャピラリーブリッジを自発的に形成します。
- 注射器からスリットの細孔にゆっくりと液体を分配します。
- シリンジの位置決め段階でマイクロメーターを使用して、スリットの細孔から針を取り除きます。
注: この時点で、スリット細孔の高さを変更し、液体ブリッジをイメージすることができます。
注: 画像はオープンソースソフトウェアパッケージ ImageJ で分析できます。
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Representative Results
実験装置の説明
実験装置は、4つの主要な部分に分けることができます:1)トップ基板ステージ、2)底基板ステージ、3)注射器/シリンジxyz変換段階、4)カメラ/光学とカメラホルダー。各詳細は以下のとおりです。
- トップ基板ステージ。 デジタル変換ステージは、カスタム加工コネクタピースを介してPシリーズ取り付けクランプに取り付けられます。取り付けクランプは可変高さのPポストに接続され、Pシリーズクランプフォークを介してパンボードに固定されます。カスタム接続ピースは、カスタム加工ガラススライドホルダーを翻訳ステージに取り付け、z方向に1μmの変位分解能を提供します。
- ボトム基板ステージ。 θ軸回転ステージを持つxy線形翻訳は、8ポスト延長片を介してパンボードに取り付けられます。カスタム加工基板ホルダーは、xy線形変換の上部にθ軸回転ステージで取り付けられ、ボトム基板を10μmの並進分解能で配置し、1°解像度で回転させることができます。
- シリンジ/シリンジxyz翻訳段階。 柱間の隙間を埋めるために使用されるシリンジのxyz位置に対して、30G針の5μlシリンジがxy翻訳段階に取り付けられる。xy ステージは、90° コネクタピースを介して z 変換ステージに接続されます。
- カメラ/光学およびカメラホルダー。 液体ブリッジのイメージングのために、CCDカメラは可変ズーム光学片に取り付けられます。最大ズームでは、3.3 μm/ピクセルの解像度が得られます。カメラは実験室のシザージャッキに取り付けられ、異なる角度から液体橋をイメージするように配置することができる。
PDMSピラーへのAu箔の移転
PDMS基板への金の転写において、PDMS装置をシリコンウエハから円滑かつ慎重に分離することが重要である(ステップ2.2.6参照)。 図3a は、転写成功後の金を有するPDMSピラーの顕微鏡像を示す。 図3b は、転写不良のために柱に移されたウエハから余分な金箔を示す。金膜の転写を容易にするために、鋭い安全性カミソリを用いることができ、シリコンウエハからPDMSピラーの片方の縁をそっとこじこめることができる。さらに、PDMS基板は、追加の金箔が基板の端に付着するのを防ぐために、ウエハの表面に垂直な方向に引っ張られる必要があります(横方向の動きを避ける)。 図3c は、PDMS基板が有意なせん断または曲げ加工を受けた場合に、転写後に金層に亀裂が形成される様子を示す。
MHA単層の特徴付け
製造プロセス(ステップ2)が終了したら、水の接触角度をテストすることによってMHA単層の品質を検証することが重要です。 図2 は、MHAで機能した後のAu/PDMS基板上の液体水滴を示しています。PDMS の低い接触角度は、プロセスが正常に完了したことを示します。 図2 の差し込みは、完了した手順の後に上げられた柱の1つに置かれた液体の水滴を示しています。140°の接触角度は、物理的および化学的な異質性の組み合わせにより、落下が柱の側面に固定されることを示しています。
毛細管橋梁の可視化
基板が製造され、マイクロステージホルダーに取り付けられると、チャネルはシリンジ/シリンジxyz変換段階を使用して充填することができます。 図4aは 、ピラーの幅に垂直な(チャネルの「バレルを見下ろす」)の遠近法を有する充填されたスリット細孔を示す。 図4b は 、図4aに直交する遠近法、すなわち、スリット孔の長さに垂直である。 図4c は、 図4bと同じ視点からチャネルを充填するプロセスを示しています。充填段階では、液体をゆっくりと注射器から分配することが重要です。突然の大きな流速からの力は、ピラーの上から液体を取り除き、疎水性PDMS領域に広がる原因となる。この場合、基板を洗浄して乾燥させ、充填プロセスを繰り返す必要があります。
図 1.完全な実験セットアップの図。 PDMS基板は、X、Y、zと回転ステージの組み合わせによって、可変距離離れた場所に保持されます。マイクロステージの別のセット(右端)は、スリット孔幾何学でキャピラリーブリッジを作成するために狭い隙間に液体を導入するために注射器を保持します。CCDカメラ(写真左)は、毛穴の分離が変更されると、結果として生じる毛細血管橋を画像化するために使用されます。その結果、得られた画像をオープンソース画像解析ソフトウェア ImageJ で解析することができます。 ここをクリックすると、より大きな画像を表示できます。
図 2.MHA自己組み立て単層によって機能する20nm Au層を有するPDMS基板。 低水接触角度は、手順が成功したことを示しています。差し込みは、上げられた機能化されたPDMS/Auピラーの低下を示す。 ここをクリックすると、より大きな画像を表示できます。
図 3.20 nmAu層の転写後にPDMSピラーを昇上した。a)転送に成功しました。 b)移送プロセス中のPDMS基板の横運動による引裂。 c)移送プロセス中のPDMS基板の曲げによる割れ。 ここをクリックすると、より大きな画像を表示できます。
図 4.実験装置の柱上の毛細管橋の画像。a)柱の長さに平行な視野。b)柱の長さに垂直な視野。c)スリット細孔の充填過程を示す(bと同じ視点)。b)とc)の定規のマイナーな卒業は500 μmです。
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Discussion
ここで示す方法は、スリット細孔幾何学で毛細血管橋を作成する方法と、これらの橋梁の形態を解析し、シミュレーションや理論と比較できるようにイメージングする方法を提供します。
この方法は、非対称湿潤特性を作成するために、物理的な救済だけでなく、選択的な化学的パターニングを組み込んでいます。化学不均一性のみが存在する場合、接触角度が濡れの少ない(下面エネルギー)領域の範囲を超えるまで、液体の低下は不均一性に固定されたままになります。PDMSが低表面エネルギーの領域である場合、親水性/疎水性境界における最大達成可能な接触角は約100°です。柱の形で物理的な異質性を加えることで、図2に示すように、柱の端(>140°)で大幅に大きな水接触角を可能にする(類似の基質を作成するための代替方法はFerraroらによって提示される)。19)接触角が高いほど、液体の滴や橋は特定の領域に限定され、純粋に化学的不均一性に対して可能な場合よりも高い圧力を維持できることを意味します。
PDMSピラーの上の金は自己組み立て単層で機能しているので、異なるチオール前駆体を使用して異なる機能化が可能である。また、スリット細孔の高さを調整できることに加えて、マイクロステージの組み合わせは、横方向および回転オフセットの両方のリアルタイム調整を可能にする。この機能により、インクジェットやグラビア印刷に関連するような動的キャピラリーブリッジシステムのイメージングに最適なデバイスになります。
プロトコル内の重要なステップ
再現可能な毛細管橋形態を得るためには、化学的および物理的な異質性の調製に注意が必要です。たとえば、厚さ勾配の柱は、PDMS が厚い細孔の端部に位置する橋につながります。成形工程中に液体PDMSを保持するプラスチック計量皿が完全に平坦でない場合、厚さの勾配が生じることがあります。細孔の長さに沿った高さの変化はまた、液体の曲率の変化、歪んだ画像データにつながる可能性があります。この厚さ変動の範囲は、ステップ 3.6 でゼロ点が設定されている場合に評価できます。トップ基板ホルダの傾きは、上部の基板ホルダと基板ホルダ-zステージコネクタピースの間に柔らかいスペーサーを配置することで軽減することができます(マスキングまたはフォームテープのいくつかの層はこれに適しています)。コネクタピースを基板ホルダーに取り付けるネジの張力を変化させることで、傾きをシステムから排除できます。
また、24時間DMSO/MHAが浸漬した後に、余分なDMSOが基板上に残らないようにすることも重要です。DI水で厳密にリンスした後でも、少量の残留DMSOが基板上に存在する可能性があります。この時点で基板が使用される場合、過剰なDMSOは毛細管橋に浸出することができます。過剰なDMSOは、真空チャンバー(圧力<100 mTorr、25°C)に少なくとも12時間置くことによってサンプルから蒸発させることができる。
テクニックの制限
高いアスペクト比キャピラリーブリッジを形成するために上昇した柱を使用することの主な制限は、イメージング中に明らかになります。一定の体積で細孔の高さが変化すると、液体は細孔1の中心に向かって端から後退する。その結果、ストリップの幅に垂直なイメージングを行うと、ブリッジが焦点を合わせなくなる可能性があります。この焦点の損失は、スリット細孔の端と液体ブリッジの間の距離がカメラの被写界深度を超えたときに発生します。したがって、特定の実験に必要な最短のスリット孔の長さを使用することが重要です。被写界深度は、光学系を変更したり、倍率を下げたりすることで拡張できますが、解像度にコストがかかります。
PDMSピラーの上部は、高い表面エネルギー(低い水接触角)を有するように機能化されている。その結果、周囲環境または流体のいずれかから来る汚染の影響を受けやすいです。クリーンルーム(クラス1000)で実験を行い、表面の劣化が目立つ前にサンプルを5~10回試験することができました。汚染は、柱の幅に平行な接触線の濡れ角度の固定につながります。
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Disclosures
著者は開示するものは何もありません。
Acknowledgments
著者らは、グラントNo.の下で国立科学財団の支援に感謝しています。CMMI-00748094およびONR N00014110629。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 99.999% Gold wire | Kurt J. Lesker | EVMAU40040 | |
| Acetone | Pharmco-AAPER | C1107283 | |
| Dimethyl sulfoxide | Fisher | D128-500 | |
| Ethanol (200 proof) | Pharmco-AAPER | 111000200 | |
| Hydrochloric acid | EMD | HX0603-4 | |
| Hydrogen peroxide (30%) | EMD | HX0635-3 | |
| Isopropyl alcohol | Fisher | L-13597 | |
| Mercapto hexadecanoic acid (90%) | Sigma-Aldrich | 448303-1G | |
| Mercapto-propyl-trimethoxy-silane (MPTS) | Gelest | Sim6476-O-100GM | |
| Milli-Q DI water | Millipore | Milli-Q | |
| Nitrogen (gas) | Airgas | UN1066 | |
| Oxygen (gas) | Airgas | UN1072 | |
| Silicon wafers (4 in) | WRS Materials | CC8506 | |
| SU-8 2002 (negative photo resist) | MicroChem | SU82002 | |
| SU-8 2050 (negative photoresist) | MicroChem | SU82050 | |
| SU-8 Developer solution | MicroChem | Y020100 4000L1PE | |
| Sulfuric acid | J.T. Baker | 9681-03 | |
| Poly dimethy sulfoxide (PDMS) | Dow Corning | Sylgard -184 | |
| Toluene | Omnisolv | TX0737-1 |
References
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