Summary

Skalierbare Stempeldruck und Fertigung von Hemiwicking Oberflächen

Published: December 18, 2018
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Summary

Ein einfaches Protokoll ist für die Herstellung von Hemiwicking Strukturen unterschiedlicher Größen, Formen und Materialien zur Verfügung gestellt. Das Protokoll verwendet eine Kombination von physischen Stanzen, PDMS Guß und Dünnschicht-Oberflächenmodifikationen über gängige Materialien Ablagerung Techniken.

Abstract

Hemiwicking ist ein Prozess, wo eine Flüssigkeit eine gemusterte Oberfläche außerhalb seiner normalen Benetzung Länge durch eine Kombination von Kapillarwirkung und Imbibition benetzt. Dieses Phänomen der Benetzung ist in vielen technischen Bereichen von Physiologie bis hin zu Luftfahrttechnik wichtig. Derzeit gibt es verschiedene Techniken zur Herstellung von Hemiwicking Strukturen. Diese konventionellen Methoden, jedoch sind oft zeitaufwändig und sind schwer zu skalieren für große Flächen oder schwer für spezifische, Grundstimmung Musterung Geometrien anpassen. Die vorgestellte Protokoll sieht Forscher mit einer einfachen, skalierbare und kostengünstige Methode zur Herstellung von Mikro-gemusterte Hemiwicking Oberflächen. Die Methode fertigt Feuchtigkeitstransport Strukturen durch den Einsatz von Stempeldruck, Polydimethylsiloxan (PDMS) Formen und Dünnschicht-Oberflächenbeschichtungen. Das Protokoll wird für Hemiwicking mit Ethanol auf PDMS-Micropillar-Arrays mit einer 70 nm dicken Aluminium Dünnschicht-beschichtet demonstriert.

Introduction

Vor kurzem gab es erhöhte Interesse an in der Lage, sowohl aktiv als auch passiv die Benetzung, Verdunstung, Steuern und Mischen von Flüssigkeiten. Einzigartig texturierte Hemiwicking Flächen sorgen für eine neuartige Lösung zur Kühlung Techniken, weil diese strukturierten Oberflächen als Flüssigkeit (und/oder Wärme) Pumpe ohne bewegte Teile handeln. Diese flüssigen Bewegung wird durch eine Kaskade der Kapillarwirkung Ereignisse im Zusammenhang mit der dynamischen Krümmung des flüssigen Dünnschicht angetrieben. Im Allgemeinen wenn eine Flüssigkeit mit eine feste Oberfläche benetzt, bildet eine geschwungene flüssige Dünnschicht-(z. B. flüssige Meniskus) schnell. Die flüssige Stärke und Krümmung Profil entwickeln bis ein freie-Energie-Minimum erreicht ist. Als Referenz kann dieses dynamischen Benetzung Profil bis zu zehn Nanometern Dicke innerhalb einer spanning (Flüssigkeit-Benetzung) Längenskala von nur zehn Mikrometer schnell zerfallen. Somit kann dieser Übergangsbereich (Flüssigkeit-Film) wesentliche Änderungen in der Flüssigkeit-Schnittstelle Krümmung unterziehen. Die Übergangsregion (Dünnschicht) ist, wo fast alle dynamische Physik und Chemie stammt. Insbesondere ist der Übergangsbereich (Dünnschicht), wo maximale Verdunstungsraten (1), (2) DIS-Beitritt Druckgradienten und (3) hydrostatischen Druckgradienten1,2gefunden werden. Infolgedessen, spielen gebogene Flüssigkeit-Filme eine entscheidende Rolle im Wärmetransport, Phasentrennung Fluid Instabilitäten und die Vermischung von Mehrkomponenten Flüssigkeiten. Beispielsweise sind in Bezug auf die Wärmeübertragung, die höchste Wand Wärmestromes in dieser stark gekrümmten, Übergangs-Dünnschicht-Region3,4,5,6,7beobachtet worden.

Hemiwicking Studien haben gezeigt, dass die Geometrie (z. B. Höhe, Durchmesser, etc.) und die Platzierung der Säulen der Benetzung Frontprofil und die Geschwindigkeit der Flüssigkeit durch die Strukturen8bestimmen. Als Flüssigkeit vorne am Ende der letzten Struktur in einem Array verdunstet ist, wird Flüssigkeit vorne in einem konstanten Abstand und Krümmung, die verdampfte Flüssigkeit durch die Flüssigkeit in den Feuchtigkeitstransport Strukturen9gespeicherten abgelöst wird aufrechterhalten. Hemiwicking Strukturen wurden auch benutzt in Heatpipes und kochende Oberflächen zu analysieren und zu verbessern verschiedene Wärme Übertragung Mechanismen. 10 , 11 , 12.

Eine Methode, die derzeit zur Feuchtigkeitsregulierung Strukturen zu schaffen, ist thermische Imprint Lithografie13. Diese Methode erfolgt durch das gewünschte Layout in eine Lackschicht auf eine Silizium-Schimmel-Probe mit einem thermoplastischen Polymer Stempel Stempeln, dann entfernen den Stempel um die Mikrostrukturen zu erhalten. Einmal entfernt, ist die Probe durch eine reaktive Ionen Ätzprozess um überschüssige Resist Schicht14,15entfernen gestellt. Dieser Prozess jedoch kann empfindlich auf die Temperatur der Fabrikation der Feuchtigkeitstransport Strukturen und umfasst mehrere Schritte, die verschiedenen Schichten um die Richtigkeit der Feuchtigkeitstransport Strukturen16nutzen. Es ist auch der Fall, die Lithografie Techniken nicht praktisch für Makro-Maßstab Musterung; während sie immer noch eine Möglichkeit zur Erstellung einer Anordnung von Mikrostrukturen auf einer Oberfläche bieten, ist der Durchsatz dieses Verfahrens weit weniger als ideal für großflächige Reproduktion. In Anbetracht der groß angelegte, reproduzierbare Texturierung, z. B. Spin oder Dip Beschichtung, fehlt eine inhärente steuerbare Musterung. Diese Methoden erstellen Sie eine zufällige Auswahl von Mikrostrukturen auf der Zielfläche aber können skaliert werden, um weitaus größere Gebiete als traditionelle Lithographie Techniken17abzudecken.

Das Protokoll in diesem Bericht beschriebenen Versuche, die Stärken der traditionellen Texturierung Methoden kombinieren und ersparen sich gleichzeitig die spezifischen Schwächen des einzelnen; Es definiert eine Möglichkeit, benutzerdefinierte Hemiwicking Strukturen der verschiedenen Höhen, Formen, Orientierungen und Materialien auf Makro-Ebene und mit potenziell hohem Durchsatz zu fabrizieren. Verschiedene Feuchtigkeitstransport Muster können zum Zwecke der Optimierung der Feuchtigkeitstransport Merkmale, z. B. Richtungssteuerung Fluidgeschwindigkeit, Ausbreitung und Mischen verschiedener Flüssigkeiten schnell erstellt werden. Die Verwendung von unterschiedlichen Feuchtigkeitstransport Strukturen bieten auch unterschiedliche Dünnschicht-Stärke und Krümmung, die verwendet werden können, um systematisch die Kopplung zwischen Wärme- und Stoffaustausch mit unterschiedlicher Dicke zu studieren und Krümmung Profile der Flüssigkeit Meniskus.

Protocol

(1) die Musterung Karte erstellen Mit einem Grafikeditor, erstellen Sie das gewünschte Muster für die Hemiwicking Strukturen als ein Bitmap-Bild dargestellt.Hinweis: Einige der Feuchtigkeitstransport Design-Parameter (z. B. Winkel Farbverlauf, Tiefe Gradient) erfolgen, abhängig von der Graustufenwerte, jedes Pixel zugewiesen werden. Diese Graustufenwerte sind dann bearbeitet, um den gewünschten Parameter zu ändern. Speichern Sie die Bitmap als eine tragbare Netzgrafik (.png) und lege…

Representative Results

Abbildung 1 zeigt eine schematische Darstellung des wie Stanzen Mechanismus die Form für die Feuchtigkeitsregulierung Strukturen auf eine Kunststoff-Formenbau führen würde. Um die Qualität der Stempel Vorrichtung in der Herstellung von Feuchtigkeitstransport Filme zu untersuchen, wurden zwei verschiedene Säule Arrays geschaffen, um die Qualität der Säulen für zukünftige Feuchtigkeitstransport Experimente zu analysieren. Aspekte des Geräts untersucht…

Discussion

Eine Methode wurde eingeführt, um gemusterte Säule Arrays für Hemiwicking Strukturen zu schaffen; Dies geschieht durch Prägung Hohlräume auf einem Kunststoff-Wafer mit einer Gravur-Vorrichtung, die Strukturierung von einer Bitmap, die vom Benutzer erstellten folgt. Eine PDMS-Mischung ist dann gegossen, geheilt und mit einem dünnen Film von Aluminium über Abscheidung beschichtet. Die Säule-Array-Eigenschaften können je nach den Grauwert angepasst werden, die in der Bitmap nach diesem Protokoll zugewiesen…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dieses Material basiert auf Forschung teilweise gesponsert von der United States Office of Naval Research Grant No. N00014-15-1-2481 und die National Science Foundation unter Grant Nr. 1653396. Ansichten und Schlussfolgerungen enthaltenen sind diejenigen der Autoren und nicht notwendigerweise repräsentiert die offizielle Politik oder Vermerke, entweder ausdrücklich oder stillschweigend, des U.S. Office of Naval Research, der National Science Foundation, interpretiert werden oder die Regierung der Vereinigten Staaten.

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.

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Cite This Article
Germain, T., Brewer, C., Scott, J., Putnam, S. A. Scalable Stamp Printing and Fabrication of Hemiwicking Surfaces. J. Vis. Exp. (142), e58546, doi:10.3791/58546 (2018).

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