Un protocole simple est fourni pour la fabrication de structures hemiwicking de différentes tailles, formes et matériaux. Le protocole utilise une combinaison de piétinement physique, PDMS de moulage et modifications de surface minces par matériaux dépôts techniques courantes.
Hemiwicking est un processus où un liquide mouille une surface à motifs au-delà de sa longueur de mouillage normale due à une combinaison de l’action capillaire et l’imbibition. Ce phénomène de mouillage est important dans de nombreux domaines techniques, allant de la physiologie à l’ingénierie aérospatiale. Actuellement, plusieurs techniques existent pour la fabrication de structures de hemiwicking. Ces méthodes conventionnelles, cependant, sont souvent beaucoup de temps et sont difficiles à l’échelle supérieure pour les grandes surfaces ou sont difficiles à personnaliser pour des géométries de structuration spécifique, non homogènes. Le protocole présenté offre aux chercheurs avec un simple, évolutif et une méthode rentable pour la fabrication de surfaces aux motifs micro hemiwicking. La méthode fabrique des structures mèche grâce à l’impression de timbre, polydiméthylsiloxane (PDMS) moulage et minces revêtements de surface. Le protocole est démontré pour hemiwicking avec de l’éthanol sur PDMS micropillar baies recouvertes d’un 70 nm en aluminium épais minces.
Récemment, il y a eu un intérêt accru pour pouvoir tant activement que passivement contrôler le mouillage, l’évaporation et le mélange des fluides. Hemiwicking unique texturé surfaces offrent une solution originale pour techniques de refroidissement parce que ces surfaces texturées agissent comme une pompe liquide (et/ou de la chaleur) sans les pièces mobiles. Ce mouvement du fluide est entraîné par une cascade d’événements action capillaire associée à la courbure dynamique de la couche mince liquide. En général, lorsqu’un liquide mouille une surface solide, une courbe liquide minces (c.-à-d., le ménisque liquide) est rapidement forme. L’épaisseur de fluide et le profil de courbure évoluent jusqu’à ce qu’un minimum d’énergie libre est atteinte. Pour référence, ce profil de mouillage dynamique peut se désintégrer rapidement à quelques dizaines de nanomètres d’épaisseur dans un enjambement (fluide-mouillage)-échelle de longueur de seul des dizaines de micromètres. Ainsi, cette zone de transition (liquide-film) peut subir des changements importants dans la courbure de l’interface liquide. La région de transition (minces) est d’où provient la quasi-totalité la dynamique physique et la chimie. En particulier, la région de transition (minces) est où le taux maximum d’évaporation (1), (2) dis-assemblage des gradients de pression et des gradients de pression (3) hydrostatique sont trouvent1,2. Ainsi, courbes liquide-films jouent un rôle essentiel dans le transport thermique, séparation des phases, des instabilités fluides et le mélange des fluides multi-composants. Par exemple, en ce qui concerne le transfert de chaleur, le flux de chaleur mur plus élevés ont été observés dans cette région de minces fortement courbées, transition3,4,5,6,7.
Hemiwicking des études récentes ont montré que la géométrie (p. ex., hauteur, diamètre, etc.) et le placement des piliers déterminent la mouillant barre de charge et la vitesse du fluide traversant les structures8. Comme le front de fluide est évaporation l’extrémité de la dernière structure dans un tableau, le front de fluide est maintenu à une distance constante et de la courbure, comme le liquide évaporé est remplacé par le liquide stocké dans la mèche de structures9. Hemiwicking structures ont également servis à caloducs et sur des surfaces bouillante pour analyser et améliorer les mécanismes de transfert de chaleur différents. 10 , 11 , 12.
Une méthode actuellement utilisée pour créer des structures de mèche est empreinte thermique lithographie13. Cette méthode est exécutée en emboutissant la disposition souhaitée dans une couche de résistance sur un échantillon de moule silicone avec un timbre de polymère thermoplastique, puis en retirant le timbre pour maintenir les microstructures. Une fois enlevé, l’échantillon est soumis à un ion réactif gravure le processus pour enlever tout l’excès resist couche14,15. Ce processus, cependant, peut être sensible à la température de la fabrication des structures mèche et comprend plusieurs étapes qui utilisent divers revêtements pour assurer l’exactitude de la mèche de structures16. Il arrive également que des techniques de lithographie ne sont pas pratiques à macro-échelle patterning ; alors qu’elles continuent de fournir un moyen de créer un modèle de microstructures sur une surface, le débit de cette procédure est beaucoup moins qu’idéal pour la reproduction à grande échelle. Compte tenu de la texturation à grande échelle, reproductible, comme revêtement spin ou dip, il y a un manque inhérent de structuration contrôlable. Ces méthodes créer un tableau aléatoire des microstructures sur la surface de la cible, mais peuvent être redimensionnées pour couvrir des domaines beaucoup plus grandes que la lithographie traditionnelle techniques17.
Le protocole décrit dans le présent rapport tente de combiner les points forts de texturation des méthodes traditionnelles tout en éliminant les faiblesses spécifiques de chacun ; Il définit une façon de fabriquer des structures hemiwicking personnalisé de différentes hauteurs, formes, orientations et matériaux sur une échelle et avec un débit potentiellement élevé. Mèche de divers modèles peuvent être créés rapidement aux fins d’optimisation de l’effet de mèche caractéristiques, telles que la maîtrise de la vitesse du fluide, propagation et le mélange de différents fluides. L’utilisation de différentes structures mèche peut également fournir plusieurs épaisseurs minces et les profils de courbure, qui peuvent servir à étudier systématiquement le couplage entre chaleur et transfert de masse avec différentes épaisseurs et les profils de courbure du liquide ménisque.
Une méthode a été introduite afin de créer des tableaux à motifs pilier aux structures des hemiwicking ; Ceci est accompli par imprégnation de cavités sur une plaquette en plastique avec un appareil de gravure qui suit la structuration d’une bitmap créée par l’utilisateur. Un mélange PDMS est alors versé, guéri et recouvertes d’une mince couche d’aluminium par dépôt. Les caractéristiques de tableau de pilier peuvent être personnalisés selon la valeur d’échelle de gris qui est affect?…
The authors have nothing to disclose.
Ce matériel est basé sur la recherche, partiellement financée par l’United States Office of Naval Research Grant no N00014-15-1-2481 et la National Science Foundation sous concession No 1653396. Les vues et les conclusions contenues dans ce document sont celles des auteurs et ne doit pas être interprétées comme représentant nécessairement la politique officielle ou les avenants, soit expresse ou implicite, de l’US Office of Naval Research, la National Science Foundation, ou le gouvernement des États-Unis.
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. |