Summary
Ett enkelt protokoll tillhandahålls för tillverkning av hemiwicking strukturer i varierande storlekar, former och material. Protokollet använder en kombination av fysiska stämpling, PDMS gjutning och tunnfilms-ytmodifieringar via vanliga material nedfall tekniker.
Abstract
Hemiwicking är en process där en vätska kissar en mönstrad yta utanför dess normala vätning längd på grund av en kombination av kapillärkraften och uppsugning. Fenomenet vätning är viktig inom många tekniska områden alltifrån fysiologi till flygteknik. För närvarande finns flera olika tekniker för att tillverka hemiwicking strukturer. Dessa konventionella metoder, men är ofta tidskrävande och är svåra att skala upp för stora områden eller är svåra att anpassa för specifika, ickehomogena mallning geometrier. Presenterade protokollet ger forskare med en enkel, skalbar och kostnadseffektiv metod för att fabricera mikro-mönstrad hemiwicking ytor. Metoden fabricerar fuktspridande strukturer med hjälp av stämpelutskrift, Polydimetylsiloxan (PDMS) gjutning och tunnfilms-ytbeläggningar. Protokollet är visat för hemiwicking med etanol på PDMS micropillar matriser belagd med en 70 nm tjock aluminium thin-film.
Introduction
Nyligen har man ökat intresse för att kunna både aktivt och passivt styra vätning, avdunstning, och blandning av vätskor. Unikt texturerat hemiwicking ytor ger en ny lösning för kylning tekniker eftersom dessa texturerade ytor fungerar som en vätska (eller värme) pump utan rörliga delar. Denna flytande rörelse drivs av en kaskad av kapillärkraften händelser i samband med dynamisk krökning av den flytande thin-filmen. I allmänhet när en vätska kissar en fast yta, bildar snabbt en böjd flytande tunn film (dvs flytande menisken). Flytande tjocklek och krökning profil utvecklas tills fri energi minst nås. För referens, kan denna dynamiska vätning profil snabbt sönderfalla till tiotals nanometer i tjocklek inom en spanning (vätska-vätning) längd-skala bara tiotals mikrometrar. Således kan denna övergångsperiod (vätska-film) region genomgå betydande förändringar i vätska-interface krökning. Övergångsbestämmelser (thin-film) regionen är där nästan alla dynamiska fysik och kemi härrör. Övergångsbestämmelser (thin-film) regionen är särskilt där maximal (1) avdunstningen, (2) dis-gå trycket lutningar och (3) hydrostatiska trycket lutningar finns1,2. Som ett resultat, spelar böjda vätska-filmerna en viktig roll i termisk transport, fasseparation, flytande instabilitet och blandning av flera olika komponenter vätskor. Exempelvis när det gäller värmeöverföring, har högsta väggen värme flödena observerats i denna starkt böjda, övergångsbestämmelser tunnfilms-region3,4,5,6,7.
Senaste hemiwicking studier har visat att geometri (t.ex. höjd, diameter, etc.) och placeringen av pelarna bestämma vätning frontprofilen och hastighet av vätska rinner genom de strukturer8. Som vätska framsidan är indunstning stänga i slutet av den sista strukturen i en matris, bibehålls vätska framsidan på ett konstant avstånd och krökning, som avdunstad vätska ersätts av den vätska som lagras i fuktspridande strukturer9. Hemiwicking strukturer har också använts i heatpipes och på kokande ytor att analysera och förbättra olika värme överföring mekanismer. 10 , 11 , 12.
En metod som används för att skapa fuktspridande strukturer är termisk imprint litografi13. Denna metod utförs av stämpling önskad layout till ett motstå lager på ett silikon mögel prov med en termoplastisk polymer stämpel och sedan ta bort stämpeln för att upprätthålla mikrostrukturer. När tagits bort sätts provet genom en reactive ion etsning process för att ta bort någon av de överskjutande motstå lager14,15. Denna process, men kan vara känsliga för temperaturen på tillverkning av fuktspridande strukturer och omfattar flera steg som utnyttjar olika beläggningar för att säkerställa riktigheten av de fuktspridande strukturer16. Det är också så att litografi tekniker inte är praktiska för makronivå mönstring; medan de ger fortfarande ett sätt att skapa ett mönster av mikrostrukturer på en yta, är genomströmning av detta förfarande långt mindre än idealisk för storskalig reproduktion. Med tanke på storskaliga, reproducerbara texturering, såsom spin eller dopp beläggning, finns det en inneboende brist kontrollerbar mallning. Dessa metoder skapar du en slumpmässiga matris av mikrostrukturer på mål ytan men kan skalas för att täcka betydligt större utrymmen än traditionella litografi tekniker17.
Protokollet beskrivs i detta betänkande försöker kombinera styrkorna hos traditionella texturgivande metoder och samtidigt eliminera särskilda svagheterna i varje; Det definierar ett sätt att fabricera anpassade hemiwicking strukturer på olika höjder, former, riktlinjer och material på en makronivå och med potentiellt hög genomströmning. Olika fuktspridande mönster kan skapas snabbt för optimering av fuktspridande egenskaper såsom riktad kontroll av vätska hastighet, förökning och blandning av olika vätskor. Användningen av olika fuktspridande strukturer kan också ge varierande tunnfilms-tjocklek och krökning profiler, som kan användas för att systematiskt studera kopplingen mellan värme- och massöverföring med olika tjocklek och krökning profiler av vätskan menisken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. skapa mallning karta
- Använda en grafikredigerare, skapa det önskade mönstret för de hemiwicking strukturerna representeras som en bitmappsbild.
Obs: Vissa fuktspridande design parametrar (dvs vinkeln lutning, djup lutning) kan göras beroende av gråskalevärdena tilldelas varje pixel. Dessa gråskalevärdena är sedan redigeras för att ändra önskad parameter. - Spara bitmappen som bärbara nätverk grafik (.png) och placera filen i en lättillgänglig mapp.
2. Placera plast till stämplas för gjutning
- Börja genom att översätta den stämpling lite bort från arbetsytan för att undvika oavsiktlig kontakt som kan orsaka brott på den tip (+z deplacement, figur 1).
- Säkra plast stämpling mögel/wafer till en stödplåten för efterföljande stämpling på x, y översättning skede (se figur 1). Säkra den prov/stödplåten vidare till x, y motoriserade stämpling scenen (figur 1)
- Justera mitten av plast mögel/rånet med stämpling lite stämpling axel. Detta är fulländat via datoriserade ±x och ±y förskjutningar med x, y motoriserade stämpling scenen.
- Översätta den stämpling lite mot plast mögel/rånet (-z deplacement, figur 1) tills den stämpling biten är nästan i kontakt med mögel/wafer ytan.
3. stämpling plast provet för PDMS gjutning
- Med hjälp av datoriserade stämpling kontrollprogrammet, ange avståndet mellan den stämpling lite (spets) och plast mögel/wafer ytan.
- Översätta den stämpling lite i små steg (-δz deplacement, figur 1) mot ytan av provet tills verktygen är i kontakt med plasten.
Obs: Lite bör endast lätt kontakta ytan. - Efter kontakt, översätta den stämpling lite bort från provet till undvika möjliga kontakt mellan bit och prov under efterföljande översättning (δz ≈ 100 μm).
- Tilldela ett pixelavstånd (i micron), högsta och lägsta hålighet djup (i micron), högsta och lägsta vinkel (i grader), x och y pixel utgångsläget av mönster och pixel tröskeln för någon gråskala länkade mallning stämpling förfarandet.
- Laddar upp mallning karta (skapade i steg 1.1) för att läsas av programmet. Baserat på pixel avståndet och mallning karta, skickas platserna för alla frimärken till stegmotorerna.
- Säkerställa att värme lasern är inriktad på spetsen av stämpling lite och endast aktiveras medan den stämpling lite rör sig mot och in i plast mögel.
- Skapa hålrum genom att trycka på lite i plasten samtidigt efter mönstring kartan för att uppnå önskad hemiwicking mönstret.
- Ta bort den stämplade plast mögel för efterföljande surface lackering och polering.
- Polera ytan av plast mögel med 9000 grit, finare våt/torr sandpapper.
Obs: Alternativt micromesh-slipande kan användas för borttagning av surface insättningar som orsakar kratrar runt pelarna i PDMS mögel.
4. skapa PDMS listerna
- Häll 2 g av elastomer bas och 0.2 g av elastomer bota agent i en bägare och blanda grundligt i 3 min.
- Lägg blandningen i en evakuerade kammare att släppa eventuella luftbubblor som fångats i blandningen. Detta steg kan behöva upprepas flera gånger.
Obs: För prover av varierande volymkrav på, justera mängden bas och bota agent som behövs samtidigt som förhållandet 10:1. - Placera stämplad plast mögel i en muromgärdad behållare, helst inte mycket större än den yttre diametern av mögel, för att bota inträffa.
- Häll PDMS blandningen utan luftfickor på den stämplade plasten och i behållaren. Häll i en spiral, start från centrera av stämplade området, att försöka fördela PDMS blandningen så lika som möjligt.
- Upprepa steg 4,2 för några luftfickor som kan ha bildats från hälla blandningen på stämplat mönstret. Placera PDMS blandning och plast bit med stämplad mönster på en värmeplatta och värma församlingen vid 100 ° C i 15 min. Värm sedan en ytterligare 25 min på 65 ° C.
- Låt blandningen svalna och botemedel mot 20 min innan hantering PDMS.
- Klipp kanterna av PDMS plast från behållaren väggen och ta bort PDMS plasten från mögel. Lagra PDMS plasten i en täckt container att undvika dammpartiklar från att samla på ytan.
5. deponera tunnfilms-metallen på PDMS
- Placera provet PDMS inuti nedfall kammaren lämnar tillräckligt utrymme för att slutaren öppnas och stängas obehindrad.
- Tryckutjämna nedfall kammaren till minst 10 mTorr.
- Engagera det torra pumpsystemet och ange spin till 75 kRPM. Tillåta kammaren att nå ett tryck på 10-8 Torr.
Anmärkning: Detta tar bort de flesta föroreningar från kammaren. processen kan ta upp till 12 h att slutföra. - Makt på kylaren och DC power supply och ange makt till 55 W.
- Öppna ventilen argon något och trycksätta kammaren ordningen 10-3 Torr. Ange den torr pump system 50 kRPM och vänta tills denna inställd hastighet uppnås.
- Minska makten till 35 W och tryckutjämna kammaren till 13 mTorr. Öppna slutaren antände plasma och starta timern.
Obs: Antände plasma bör avger en blå, glödande lyster. Timern bör ställas in för önskad tjocklek av filmen insättning. Det har fastställts att för 35 W och tryck av ca 13 mTorr, väntas en hastighet av 7 nm nedfall per minut. - När den önskad filmtjockleken har uppnåtts, stänga slutaren och stänga av strömförsörjningen.
- Stäng alla ventiler i nedfall kammaren och Stäng av det torra pumpsystemet. Ge tid för torr-pump fläkten att komma till ett fullständigt stopp.
- Långsamt trycksätta kammaren tills den når lokala lufttrycket och ta bort provet, lagra den för framtida experiment.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 1 ger en schematisk bild av hur stämpling mekanismen skulle skapa mögel för fuktspridande strukturer på en plast mögel. För att undersöka kvaliteten på stämpling apparaten i tillverkning fuktspridande filmer, skapades två olika pelare matriser för att analysera kvaliteten på pelarna för framtida fuktspridande experiment. Aspekter av apparater undersökt var noggrannheten av höjden av pelarna (med och utan en djup övertoning), kvaliteten på pelarna efter PDMS listerna, kvaliteten på pelarna efter fräsande nedfall bearbeta och förmåga att strukturer för att skapa hemi-fuktspridande. För att åstadkomma detta, skapades två fuktspridande mönster varianter, en som visas en djup lutning och en annan av enhetliga djup.
Figur 2a visar bitmappen som användes för att skapa djup och vinkel Övertoningarna. Det kan ses att varje pelare kolumn har tilldelats olika gråskalan värdet varierar från 0 till 95. Detta gjordes för att få ett annat djup för varje pelare kolumn. Siffror 2b och 2 c visar pelarna på den PDMS skapad av gjutprocessen. Detta verifierar att de grå skalvärdena användes påverka djupet i den plast gjutningen och därför höjden av pelaren på PDMS prov. Tabell 1 beskriver data från djup toningen och visar andelen av den beräknade höjden från stamping mönstret. Dessa data samlades från mätningar på 50 pelare, eller en komplett matris, visas i figur 2. Den beräknade höjden pelare med viss gråskalan värdena beräknades utifrån följande ekvation:
(1)
där hexp är beräknade höjden, hmax är den maximala höjden som definierats av användaren, hmin är den lägsta höjden som definierats av användaren, PT är tröskeln pixel som definieras av användaren och GSV är gråskalan värde. Det kan ses att för gråskalan värdet noll (dvs, svart), beräknade höjden blir den maximala höjden och medan gråskalan värdet är lika med tröskelvärdet pixel, beräknade höjden blir den lägsta höjden.
Figur 3a visar den bitmappsfil som används för att skapa en större fuktspridande struktur array konstant pelare höjd. Varje svart pixel representerar en hålighet läge med avståndet mellan stämpling instanser som definieras i programmet genom pixel avståndet. Detta binärt synsätt, i motsats till figur 1a, skapar en enhetlig array med vinkel och pelaren höjder. Figur 3b och 3 c ge en topp och sida vy av pelarna, respektive. Det kan ses att trots en uniform-höjd pelaren specifikation, produceras minimimåtten pelare. Medan den maximala höjden sattes till 100 μm, konstaterades det att den genomsnittliga höjden av pelarna var ungefär 71.89 ± 10.18 μm, baserat på 38 pelare. Detta kan tillskrivas på eventuella brister som kan hittas i hålrum medan de görs eller på grund av eventuella luftfickor som hade bildats och förblev i hålen.
Figur 4 visar fyra individuella bilder av pelarna efter aluminium deponerades på PDMS prov. Figur 4a och 4b visar sidan och ovanifrån av pelarna, respektive, utan en arbetsvätska fuktspridande struktur. Liknar vad som sågs med PDMS provet, höjderna av proverna inte var konsekvent över alla pelarna. De höjder och standardavvikelser av PDMS och Al proven jämförs och visas i tabell 2. Dessa data samlades efter mätning pelare (n = 38) både före och efter nedfallet av aluminium på PDMS. Anmärkningsvärda ytjämnhet var också närvarande; Det är tänkt att slipning förfarandet används på prov plattan överförs till PDMS provet och speglades på ytan av aluminium filmen. Det är också möjligt att ojämnheten tillskrivs enbart nedfall processen.
Figur 4 c och 4 d visualisera sida och topp visningar av pelarna, respektive med en arbetsvätska fuktspridande struktur. Den arbetsvätska som användes i det här exemplet var etanol. Dock uppvisar vatten inte samma hemi-fuktspridande förekomsten som etanol gör med detta urval. Detta fenomen kan hänföras till följande (eller kombination av): 1) en icke-ideala ytstruktur, 2) återstående ytjämnhet (som visas i figur 4b), 3) orenheter i aluminium beläggning, och 4) för tunt av en infödd aluminium oxid lagret. Med det sagt, kunde etanol transportera eftersom lyophilicity av aluminiumoxid som bildats på aluminium ytan. Även om aluminium koldioxid är lyophilic, visar det inte hydrofila egenskaper, förbud mot vattnet från fuktspridande. Användning av kemiska ytbehandlingar PDMS fuktspridande struktur är en annan metod som kan användas för att förändra hydrophilicitet provets -t.ex., våta kemi bearbetning kan användas för att skapa hydrofila själv montering enskiktslager (SAMs)18 . Trots dessa brister bevisar detta att fuktspridande struktur skapas genom det beskrivna förfarandet är kunna skapa hemi-fuktspridande för en arbetsvätska.
Figur 1: schematiskt av stämpling lite apparater för tillverkning av mikro-mönstrad plastformar. Rörelsen av plast mögel längs x- och y- axlarna bestäms av två dator-kontrollerade stepper motor/etapper (en för varje riktning). Likaså styrs den stämpling vinkel (θ) och stämpling djup (Δz) av stämpling lite av två separata, datorstyrda stepper motor/etapper. Datorstyrda värme Lasern aktiveras medan lite skapar stämpling hålrummet i plast mögel. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: djup-gradient pelaren array mönstret och PDMS basera. (a) den bitmapp som används för att tillverka en ”djup-gradient' micropillar matris. För prägling, pixel tröskelvärdet är satt till 100, det maximala djupet är inställd på 100 μm, minsta djup är inställd på 25 μm och varje pixel är inställd att representera ett avstånd av 100 μm. Baserat på dessa värden, avgränsas varje rad med 100 μm medan avståndet mellan två pelare i rad är 200 μm. Gråskalan värdet för varje bildpunkt bestämmer avståndet stämpling lite reser in plast mögel. Därför, som gråskala värden ökningen går över bitmappen minska höjderna av pelarna. Pelarna med motsvarande gråskalan värden beräknade höjder finns. (b) bilder av pelaren kolumnerna 1 till 5 för PDMS basen från området blå ruta i det nedre vänstra hörnet på bitmappen. (c) bilder av pelaren kolumner 5 till 10 för PDMS basen från den röda rutan i nedre högra hörnet på bitmappen. Bilden pixel avståndet för (b) och (c) är 0.335 μm/pixel. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: mönstret och PDMS basera för fuktspridande strukturer för hemiwicking. (a) den bitmapp som används för att skapa rektangulära fuktspridande struktur. Djupet är inställd på 100 μm och varje pixel är inställd att representera ett avstånd av 100 μm. Eftersom alla grå skala värden är desamma i denna bitmapp, bör alla pelare höjder vara samma. Dessutom liknar mönstret i figur 2, varje rad avgränsas med 100 μm medan avståndet mellan två pelare i rad är 200 μm. (b) en ovanifrån av pelarna i den PDMS fuktspridande struktur som är gjuten med hjälp av plast mögel baserat på bitmappen i (a). Bildens upplösning är 0.176 μm/pixel. (c) en sidovy av pelarna i den PDMS fuktspridande struktur som är gjuten med hjälp av plast mögel baserat på bitmappen i (a). Till skillnad från de fuktspridande strukturer som presenteras i figur 2, är pelaren höjderna i fuktspridande strukturen mer konsekventa i höjd. Bildens upplösning är 0.723 μm/pixel. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: den fuktspridande strukturer efter Al nedfall med och utan hemiwicking. (a) en sidovy av fuktspridande pelarna skapade i figur 3 efter Al nedfall utan etanol. Tjockleken på aluminium ovanpå PDMS är ungefär 70 μm. (b) en ovanifrån av fuktspridande pelarna skapade i figur 3 efter Al nedfall utan etanol. (c) en sidovy av fuktspridande pelarna skapade i figur 3 efter Al nedfall med etanol fuktspridande i strukturer (etanolen kan mestadels ses längs basen av fokuserad pelarna). (d) en ovanifrån av fuktspridande pelarna skapade i figur 3 efter Al nedfall med etanol fuktspridande i strukturer. För (a) och (c), bildens upplösning är 0.723 μm/pixel och (b) och (d), bildens upplösning är 0.176 μm/pixel. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
| Pelaren | Grå skalvärdet | Beräknade höjd (μm) | Uppmätt höjd (μm) | procent av förväntat |
| 1 | 0 | 100 | 59,6 | 59,6 |
| ± 4,58 | ||||
| 2 | 10 | 92,5 | 59.71 | 64.55 |
| ± 5,88 | ||||
| 3 | 21 | 84.25 | 54.71 | 64,94 |
| ± 5,57 | ||||
| 4 | 31 | 76.75 | 46,48 | 60.56 |
| ± 2,61 | ||||
| 5 | 42 | 68,5 | 46,59 | 68.01 |
| ± 5,21 | ||||
| 6 | 53 | 60.25 | 38.92 | 64,6 |
| ± 1,62 | ||||
| 7 | 63 | 52,75 | 31,8 | 60.28 |
| ± 0,73 | ||||
| 8 | 74 | 44,5 | 26,58 | 59.73 |
| ± 1,49 | ||||
| 9 | 85 | 36.25 | 20.13 | 55.53 |
| ± 1,44 | ||||
| 10 | 95 | 28,75 | 16.01 | 55.69 |
| ± 1,94 |
Tabell 1: Beräknade och uppmätta höjderna i alla kolumner i pelaren för djup gradient mönster.
| Beräknade höjd (μm) | Menar uppmätt höjd (μm) | Standardavvikelse (μm) | |
| PDMS prov utan Al insättning | 100 | 71,89 | 10.18 |
| PDMS prov med Al insättning | 100 | 61.59 | 8.493 |
Tabell 2: PDMS med och utan Al nedfall pelare höjd jämförelse.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
En metod har införts för att skapa mönstrade pelaren arrayer för hemiwicking strukturer. Detta sker genom prägling hålrum på en plast wafer med en gravyr apparat som följer mönster från en bitmapp som skapats av användaren. En PDMS blandning hälls sedan, botas och belagda med en tunn film av aluminium via nedfall. Pelaren array egenskaper kan anpassas beroende på gråskalan värdet som tilldelas i bitmappsbilden efter detta protokoll. Detta avgörande aspekt för mallning kan skapa ett brett utbud av möjliga fuktspridande strukturer att testa som kan användas i olika tillämpningar, inklusive tunnfilms-forskning och direkta ansökningar i termiska system. Ett annat område av sorten som inte nämns i Representativa resultat är övertoningens vinkel som kan genomföras i matrisen. Liknar djup övertoningen, ändra gråskalan värdet av olika pixlar kan ändra vinkeln på borrkronan (θ, figur 1).
Ett annat viktigt steg som bör tas noterar är skapandet av PDMS basen. Skillnader i pelaren höjder och missbildningar på och runt pelarna är vanliga i fuktspridande strukturer. Slipning av ytan med micromesh- eller slipande slam hjälper till att skapa symmetriska prover och även PDMS tjocklek. Dessutom utformades de evakuering och värmebehandling processerna äga rum samtidigt, som värmeelement införlivades inom mögel själv. Detta begränsar effektivt hantering av användaren och alla associerade oegentligheter, samt luftburen förorening (dvs damm partiklar) under härdningen. Dessa överväganden kommer att genomföras för framtida prover.
Nedfallet av material på PDMS basen är ytterligare ett viktigt steg som måste skräddarsys till varje experiment. De villkor som nämns i protokollet är aluminium specifika och som sådan, måste ändra som deponerar materiella ändringar. Om en annan metall är att föredra, bör förändringar i uteffekt, kammare trycket och sputtring tid ändras för att få de perfekta ytan villkor för deponerar materialet. För framtida prover sätts metaller med olika ytenergier (dvs, guld, germanium) för att testa deras respektive fuktspridande förmåga. Vid insättning av olika metaller i framtiden, måste protokollet uppdateras för att korrekt sätta in önskad metallen på PDMS.
Det största problemet som har införts i förfarandet för att göra de hemiwicking strukturerna är ytfinheten av provet. Det kan ses att ytdefekter finns på PDMS mögel (figur 3b) och Al ytan (figur 3b, 3d); Detta kunde härröra från antingen slipning processen eller metall nedfall processen. Ytdefekter ses som problematiska, eftersom ytdefekter kan påverka fuktspridande hastighet och främre avståndet av arbetsvätskan. Ett perfekt experiment skulle ha en slät yta på och mellan pelarna, så vätskan kan flöda genom fuktspridande strukturen obehindrat av ytförhållanden. Den föreslagna lösningen är att använda högre grad (dvs, finare grus) slipmedel för slipning plast rånet före nedfall, liksom längre slipning gånger. Sett från tabell 1 och tabell 2, utifrån den pelaren höjder inte tillverkas som förväntat de värden som ges till stegmotorerna. Detta kan bero på omläggning av provet längs stämpling axeln medan biten prägling i plasten. Problemet kan lösas genom att öka avståndet lite har att resa in i plast; Detta, lämnar dock en möjligt inkonsekvens med pelaren höjder och pelaren-base diametrar för framtida experiment. Metoder måste utvecklas för att begränsa beloppet av deformationen provet erfarenheter, till exempel öka temperaturen i spetsen att begränsa motståndet från plasten eller säkra provet på ett annat sätt.
Medan utmaningar kvarstår i förfina stämpling processen, är beskrivs metoden effektiv för att skapa beställde matriser av jämförbara geometri. Den metod som används för att skapa hemiwicking strukturer, eller någon mikro-mönstrad yta funktionen, visar att prover snabbt kan produceras för senare bearbetning på andra labs eller forskningsföretag till en låg kostnad och snabbare än moderna metoder. Dessa hemiwicking strukturer kan fabriceras enkelt replikera den optimala tunnfilms-krökning och fuktspridande främre hastighet. Fuktspridande främre hastigheten skulle mätas med en höghastighetskamera analysera vätska fram resor från stolpe till stolpe. Samtidigt, kan tjocklek och krökning profilen erhållas med en reflectometry och interferometri metod som har visat i tidigare experiment på kanten pelare6. Självreglerande beskaffenhet fuktspridande strukturerna kommer att bidra till att upprätthålla en konstant tunnfilms-region för analys, trots de olika ytenergier i olika vätskor och på ytan. Med den här metoden kan fuktspridande struktur varianter fabriceras snabbt för att förstå de effekter fuktspridande geometri har på tunnfilms-regionen och fuktspridande framsidan av olika vätskor.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inga upplysningar att nämna för detta papper.
Acknowledgments
Detta material bygger på forskning delvis sponsrade av USA Office of Naval Research under Grant nr N00014-15-1-2481 och National Science Foundation under Grant nr 1653396. De åsikter och slutsatser häri är författarnas och bör inte tolkas som nödvändigtvis representerar officiella politik eller påskrifter, antingen uttryckliga eller underförstådda, av amerikanska Office of Naval Research, National Science Foundation, eller Förenta staternas regering.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| NI-DAQ 9403 | National Instruments | 370466AE-01 | The communication interface between the camera and the control switch for the laser. |
| Control Switch | Crouzet | GN84134750 | A controller to use for the laser that activates the laser based on the voltage sent by the DAQ. |
| Flea Camera | FLIR | FL3-U3-120S3C-C | A flea camera used for imaging the drill bit on the plastic mold. |
| Flea Imaging Camera | Point Grey | FL3-U3-20E4M-C | A flea camera used for obtaining the side images of the pillars. |
| 200 Steps/rev, 12V-350mA Stepper Motor (x2) | AdaFruit | 324 | The stepper motors are used to control the depth and angle of the end mill. |
| 10x Infinity Corrected Long Working Distance Objective | Mitutoyo | #46-144 | The objective used to get the image of the side of the pillars. |
| 15x Infinite Conjugate, UV Coated, ReflX Objective | TechSpec | #58-417 | The objective used to get the image of the top of the pillars. |
| 72002 0.002D X 0.006 LOC Carbide SQ 2FL Miniature End Mill | Harvey Tools | 72002 | The drill bit that was used to create holes in the plastic mold. |
| DC Power Delivery at 1 kW | Advanced Energy | MDX-1K | Used to power the deposition sputterer. |
| Turbo-V 70LP Nacro Torr Pump | Varian | 9699336 | Turbo Pump used to reduce pressure inside deposition chamber. |
| 2000mw, 405nm High-Power Blue Light Focus Laser | WDLasers | KREE | Sample Heating Laser |
| 5.875" I.D. Dessicator w/ 0.25" Tube Connections | McMaster-Carr | 2204K5 | PDMS Dessicator |
| SYLGARD 184 Silicone Elastomer, 0.5kg Kit | Dow-Corning | 4019862 | The PDMS Kit used to make the base. |
| Diaphragm Air Compressor / Vacuum Pump | Gast | DOL-701-AA | Dessicator Vacuum Pump |
| Motorized Linear Stages (2x) | Standa | 8MT175 | The stepper motors used to control the sample plate in the x- and y- direction. |
| 2" Diameter Unmounted Poistive Achromatic Doublets, AR Coated: 400-700 nm | ThorLabs | AC508-150-A | The achromat was ued in order to obtain the images of the side of the pillars. |
| Flea 3 Mono Camera, 2448 X 2048 Pixels | Point Grey | FL3-GE-50S5M-C | A flea camera used for imiaging the top of the pillars. |
| Digital Vacuum Transducer | Thyrcont Vacuum Instruments | 4940-CF-212734 | Used for monitoring pressure inside deposition chamber. |
| Pressurized Argon Tank Resovoir | Airgas | AR RP300 | Gas used in deposition process. |
| 1-D Translation Stage | Newport Corporation | TSX-1D | A translation stage used to move the camera to focus on the end mill. |
| Cylindrical Laser Mount (x2) | Newport Corporation | ULM-TILT-M | The laser mount was used to move the camera to focus on the end mill. |
| Benchtop Chiller with Centrifugal Pump, 120V, 60Hz | Polyscience | LS51MX1A110C | A chiller used for the deposition assembly. |
| Alcatel Adixen 2010SD XP, Explosion Proof Motor, Rotary Vane Vacuum Pump, 1-Phase | Ideal Vacuum Products | 210SDMLAM-XP | A vacuum pump used for the deposition assembly. |
| Fan, 105 CFM, 115 V (x2) | Comair Rotron | MU2A1 | A fan used for cooling certain aspects of the deposition assembly. |
References
- Plawsky, J. L., et al. Nano- and Micro-structures for Thin Film Evaporation - A Review. Nanoscale and Microscale Thermophysical Engineering. 18, 251-269 (2014).
- Derjaguin, B. V., Churaev, N. V. On the question of determining the concept of disjoining pressure and its role in the equilibrium and flow of thin films. Journal of Colloid and Interface Science. 66, 389 (1978).
- Ma, H. B., Cheng, P., Borgmeyer, B., Wang, Y. X. Fluid flow and heat transfer in the evaporating thin film region. Microfluidics and Nanofluidics. 4 (3), 237-243 (2008).
- Hohmann, C., Stephan, P. Microscale temperature measurement at an evaporating liquid meniscus. Experimental Thermal and Fluid Science. 26 (2-4), 157-162 (2002).
- Potask, M. Jr, Wayner, P. C. Jr Evaporation from a two-dimensional extended meniscus. International Journal of Heat Mass Transfer. 15 (10), 1851-1863 (1972).
- Panchamgam, S. S., Plawsky, J. L., Wayner, P. C. Microscale heat transfer in an evaporating moving extended meniscus. Experimental Thermal and Fluid Science. 30 (8), 745-754 (2006).
- Arends, A. A., Germain, T. M., Owens, J. F., Putnam, S. A. Simultaneous Reflectometry and Interferometry for Measuring Thin-film Thickness and Curvature. Review of Scientific Instruments. 89 (5), (2018).
- Zhu, Y., Antao, D. S., Lu, Z., Somasundaram, S., Zhang, T., Wang, E. N. Prediction and characterization of dry out heat flux in micropillar wick structures. Langmuir. 32 (7), 1920-1927 (2016).
- Kim, J., Moon, M. W., Kim, H. Y. Dynamics of hemiwicking. Journal of Fluid Mechanics. 800, 57-71 (2016).
- Ding, C., Soni, G., Bozorgi, P., Meinhart, C. D., MacDonald, N. C. Wicking Study of Nanostructured Titania Surfaces for Flat Heat Pipes. Nanotech Conference & Expo. , Houston, TX. (2009).
- Chen, R., Lu, M. C., Srinivasan, V., Wang, Z., Cho, H. H., Majumdar, A. Nanowires for Enhanced Boiling Heat Transfer. Nano Letters. 9 (2), 548-553 (2009).
- Kim, B. S., Choi, G., Shim, D. II, Kim, K. M., Cho, H. H. Surface roughening for hemi-wicking and its impact on convective boiling heat transfer. International Journal of Heat and Mass Transfer. 102, 1100-1107 (2016).
- Mikkelsen, M. B., et al. Controlled deposition of sol-gel sensor material using hemiwicking. Journal of Micromechanics and Microengineering. 21 (11), (2011).
- Haatainen, T., Ahopelto, J. Pattern Transfer using Step&Stamp Imprint Lithography. Physica Scripta. 67 (4), 357-360 (2003).
- Chou, S. Y., Krauss, P. R., Renstrom, P. J. Nanoimprint lithography. Journal of vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena. 14 (6), 4129 (1996).
- Pozzato, A., et al. Superhydrophobic surfaces fabricated by nanoprint lithography. Microelectronic Engineering. 83 (4-9), 884-888 (2006).
- Nair, R. P., Zou, M. Surface-nano-texturing by aluminum-induced crystallization of amorphous silicon. Surface and Coatings Technology. 203 (5-7), 675-679 (2008).
- Ashby, P. D., Lieber, C. M. Ultra-sensitive Imaging and Interfacial Analysis of Patterned Hydrophilic SAM Surfaces Using Energy Dissipation Chemical Force Microscopy. Journal of the American Chemical Society. 127 (18), 6814-6818 (2005).
