Масштабируемые печати и изготовления Hemiwicking поверхностей
Summary
Простой протокол предоставляется для изготовления hemiwicking структур различных размеров, форм и материалов. Протокол использует сочетание физических тиснения, PDMS формования и тонкопленочных поверхностных модификаций через общие материалы осаждения техники.
Abstract
Hemiwicking представляет собой процесс, где жидкость смачивает поверхность узорной за пределы длины его нормального увлажнения благодаря сочетанию капиллярность и пропитывание. Это явление смачивания имеет важное значение во многих технических областях, начиная от физиологии до аэрокосмической техники. В настоящее время для изготовления hemiwicking структур существуют несколько различных методов. Эти традиционные методы, однако, зачастую много времени и трудны для масштабирования для крупных районов или трудны для настройки для конкретных, неоднородных патронирования геометрий. Представленные протокол обеспечивает исследователей с простым, масштабируемые и эффективный метод для изготовления микро узорные hemiwicking поверхностей. Этот метод производит влагу структур с использованием печати, полидиметилсилоксан (PDMS) формования и тонкопленочных покрытий поверхности. Протокол продемонстрировал для hemiwicking с этанолом на PDMS micropillar массивы, покрытые 70 нм толщиной алюминия тонкопленочных.
Introduction
Последнее время наблюдается повышенный интерес к возможности активно и пассивно контролировать смачивания, испарения и перемешивания жидкостей. Однозначно текстурированных hemiwicking поверхности обеспечивают оригинальное решение для охлаждения методы, потому что эти текстурированной поверхности выступать в качестве жидкости (или тепло) насос без подвижных частей. Это движение жидкости управляется Каскад капиллярность событий, связанных с динамической кривизны жидкого тонкопленочных. В общем когда жидкость смачивает твердой поверхности, изогнутые жидкого тонкопленочных (т.е., жидкий мениска) быстро образует. Жидкости толщина и кривизны профиля развиваться до минимума свободно энергии. Для справки этот профиль динамической смачивания может быстро распада десятков нанометров толщиной в связующего (жидкость смачивания) Длина масштабе только десятков микрометров. Таким образом этот переходный региона (жидкость фильм) могут претерпевают значительные изменения в жидкость интерфейса кривизны. Переходные (тонкопленочных) регион является, где происходит почти все динамической физики и химии. В частности переходных (тонкопленочных) регион является, где испарения максимальное (1), (2) дис присоединения градиентов давления и градиентов (3) гидростатического давления находятся1,2. В результате изогнутые жидкость фильмы играют важную роль в тепловой транспорта, разделение фаз, жидкости неустойчивостей и смешивания многокомпонентной жидкости. Например в отношении передачи тепла, наблюдались высокие стены потоков тепла в этой весьма изогнутые, переходный тонкопленочных региона3,4,5,6,7.
Недавние hemiwicking исследования показали, что геометрия (например, высота, диаметр и т.д.) и размещение опор определяют смачивания фронт профиль и скорости жидкости, проходящей через структуры8. Как фронт жидкости испаряется от конца последнего структуры массива, жидкости фронт поддерживается на постоянном расстоянии и кривизны, как испаряющейся жидкости сменяется жидкости, хранящиеся в влагу структуры9. Hemiwicking структур использовались также в тепловых труб и на кипящей поверхностях для анализа и улучшения механизмов передачи различных тепла. 10 , 11 , 12.
Один из методов, в настоящее время используется для создания влагу структур является тепловой отпечаток литографии13. Этот метод выполняется путем штамповки нужный макет в сопротивлять слой на образце формы кремния с отметкой термопластичный полимер, а затем удаление отметку для поддержания микроструктур. После удаления, образец помещается через реактивного ионного травления процесс, чтобы удалить любой избыток противостоять слой14,15. Этот процесс, однако, могут быть чувствительны к температуре изготовление влагу структур и включает в себя несколько шагов, которые используют различные покрытия для обеспечения точности влагу структуры16. Это также случай, который литографии методы не являются практичным для макро масштабе кучность; Хотя они по-прежнему предоставляют способ для создания шаблона микроструктур на поверхности, пропускная способность этой процедуры гораздо меньше, чем идеально подходит для крупномасштабных воспроизводства. Учитывая крупномасштабных, воспроизводимые текстурирование, таких как спина или dip покрытия, является неотъемлемым отсутствие контролируемый патронирования. Эти методы создания случайного массива микроструктур на поверхности целевого но может масштабироваться для покрытия значительно больше областей, чем традиционные литографии методы17.
Протокола, изложенные в настоящем докладе предпринимается попытка совместить преимущества традиционных методов текстурирования при одновременно устранения конкретных недостатков каждого; Он определяет способ изготовления пользовательских hemiwicking структур различных высот, формы, ориентации и материалов в макро-масштабе и с потенциально высокой пропускной способности. Различные влагу шаблоны могут быть быстро созданы с целью оптимизации влагу характеристики, такие как распределители жидкости скорости, распространения и смешивания различных жидкостей. Использование различных влагу структур также может предоставить различной толщины тонкопленочных и кривизны профилей, которые могут быть использованы для систематически изучать связь между тепло- и массообмена с различной толщины и кривизны профили жидкости мениска.
Protocol
Representative Results
Discussion
Метод был введен для создания массивов узорной компонент для hemiwicking структур; Это достигается путем импринтинга полостей на пластиковых пластин гравировка аппаратом, ниже кучность из растрового изображения, созданные пользователем. PDMS смесь затем выливают, вылечить и покрытая тонкой …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Этот материал основан на исследования, частично при поддержке управления военно-морских исследований США Грант № N00014-15-1-2481 и Национальный научный фонд под Грант № 1653396. Мнения и выводы, содержащиеся в настоящем документе являются мнениями авторов и не должны толковаться как обязательно представляющие официальную политику или одобрения, либо явно выраженных или подразумеваемых, в США управлением военно-морских исследований, Национальный научный фонд, или Правительство Соединенных Штатов.
Materials
| 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., Wayner, P. C. 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. , (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., 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).
