חותמת מדרגי והדפסת פבריקציה נוספת של Hemiwicking משטחים
Summary
פרוטוקול פשוט מסופק להרכבת מבנים hemiwicking של גדלים, צורות וחומרים שונים. הפרוטוקול משתמשת בשילוב של החתמת הפיזי, PDMS צורניים, שינויים משטח דק באמצעות חומרים התצהיר טכניקות נפוצות.
Abstract
Hemiwicking הוא תהליך שבו נוזל מרטיב משטח בדוגמת מעבר אורך נורמלי הרטבה עקב שילוב של נימיות imbibition. התופעה הרטבה חשוב בתחומים טכניים רבים, החל פיזיולוגיה הנדסת אווירונאוטיקה. כיום, קיימות מספר טכניקות שונות עבור בדיית hemiwicking מבנים. אלה שיטות קונבנציונליות, אולם, לעיתים זמן רב, קשה הסולם לשטחים גדולים או קשים להתאים ספציפית, nonhomogeneous המתבנת גיאומטריות. פרוטוקול הציג מספק חוקרים עם פשוטה, מדרגי, ובאיזו שיטה חסכונית בדיית hemiwicking בדוגמת מיקרו משטחים. השיטה fabricates הפתילה מבנים באמצעות הדפסת הבולים, polydimethylsiloxane (PDMS) צורניים ו ציפוי משטח דק. הפרוטוקול הוא הפגין עבור hemiwicking עם אתנול במערכים micropillar PDMS מצופה 70 nm אלומיניום בעובי דק-סרט.
Introduction
לאחרונה חלה עניין מוגבר שהוא מסוגל לשלוט באופן פעיל והן פסיבי של הרטבה, אידוי, ערבוב של נוזלים. משטחים hemiwicking עם מרקם ייחודי לספק פתרון הרומן לקירור טכניקות כי משטחים בעלי מרקם אלה לשמש משאבה נוזלים (ו/או חום) ללא חלקים נעים. זו תנועה נוזל הוא מונע על ידי מפל של נימיות באירועים המשויכים שכדור דינמי נוזלי סרט דק. באופן כללי, כאשר נוזל מרטיב משטח יציב, מעוקל נוזלי סרט דק (קרי, נוזלי מניסקוס) במהירות טפסים. עובי הנוזל ואת פרופיל עקמומיות להתפתח עד למינימום אנרגיה חופשית. לעיון, פרופיל הרטבה דינמי זה יכול במהירות להירקב על עשרות ננומטר בעובי בתוך הפורש (נוזל-הרטבה) אורך-מידה של היחידה עשרות מיקרומטר. לפיכך, האזור (נוזל-סרט) המעבר ניתן לעבור שינויים משמעותיים נוזלי-ממשק עקמומיות. האזור (סרט דק) המעבר הינו שם כמעט כל כימיה ופיזיקה דינמי מקורו. בפרט, האזור (סרט דק) המעבר הינו שבו נמצאים המחירים המרבי (1) אידוי, מעברי צבע לחץ (2) והחסרונות מצטרף ומילויים הדרגתיים הלחץ ההידרוסטטי (3)1,2. כתוצאה מכך, נוזל מעוקל-סרטים ממלאים תפקיד חיוני תחבורה תרמי, שלב ההפרדה, instabilities נוזלים ו מערבוב נוזלים מרובה רכיבים. למשל, לגבי העברת החום, נצפו פלקסים החום הגבוהה קיר זה אזור סרט דק מאוד מעוקל, מעבר3,4,5,6,7.
Hemiwicking מחקרים שנעשו לאחרונה הראו כי הגיאומטריה (למשל, גובה, קוטר, וכו ‘) ואת המיקום של עמודי לקבוע את פרופיל הקבלה הרטבה והמהירות של הנוזל רץ דרך מבנים8. כמו החזית נוזלים הולכת ונמוגה לבטל הקצה של המבנה האחרון במערך, החזית הנוזלים נשמר מרחק קבוע, עקמומיות, כמו הנוזל המתאיידים מוחלפות הנוזל המאוחסנים ב מבנים wicking9. מבנים Hemiwicking היו בשימוש גם חום צינורות ועל משטחים רותחים כדי לנתח ולשפר את מנגנוני העברת חום שונות. 10 , 11 , 12.
אחת השיטות בשימוש כיום כדי ליצור מבנים הפתילה היא החותם התרמי ליתוגרפיה13. שיטה זו מבוצעת על ידי החתמת את הפריסה הרצויה לשכבה להתנגד על מדגם תבנית סיליקון עם חותמת פולימר תרמופלסטי, ואז להסיר את חותמת לשמור את מזערים. הוסר, לאחר המדגם היא לשים דרך של יון תגובתי התחריט כדי להסיר את כל ה14,שכבה להתנגד עודף15. תהליך זה, אולם, יכולה להיות רגיש עד הטמפרטורה של הזיוף של המבנים wicking, כולל מספר שלבים לנצל ציפויים שונים על מנת להבטיח את הדיוק של ה-מבנים wicking16. זה גם במקרה זה טכניקות הדפס אבן אינן מעשיות עבור מאקרו סרגל תכנים; בעוד הם עדיין מספקים דרך ליצור דפוס של מזערים על משטח, התפוקה של הליך זה הוא הרבה פחות אידיאלי עבור רבייה בקנה מידה גדול. בהתחשב בקנה מידה גדול, לשחזור texturing, כגון ציפוי ספין או מטבל, יש חוסר הטבועה המתבנת לשליטה. שיטות אלה ליצור מערך אקראי של מזערים על פני המטרה אך וניתן לשנותם כדי לכסות אזורים גדולים בהרבה מאשר טכניקות הדפס אבן מסורתית17.
פרוטוקול המפורטים בדוח זה מנסה לשלב את נקודות החוזק של שיטות מסורתיות מרקמים תוך צמצום בו זמנית את החולשות הספציפי של כל אחד; הוא מגדיר דרך לפברק hemiwicking מותאם אישית מבנים שונים הייטס, צורות, כיוונים, ועוד חומרים בקנה מידה מאקרו, עם תפוקה גבוהה פוטנציאל. דפוסים שונים wicking ניתן ליצור במהירות לצורך אופטימיזציה של הפתילה מאפיינים, כגון בקרה כיוונית של נוזל מהירות, הפצת ערבוב של נוזלים שונים. השימוש של מבנים שונים הפתילה יכול גם לספק עובי הסרט דק בדרגות שונות של עקמומיות פרופילים, אשר ניתן ללמוד באופן שיטתי את צימוד בין חום העברה המונית עם עובי שונה ופרופילים עקמומיות של הנוזל מניסקוס.
Protocol
Representative Results
Discussion
כבר הציג שיטה ליצירת עמוד בדוגמת מערכים של מבנים hemiwicking; זו מושגת על ידי החתמה חללים על רקיק פלסטיק עם מנגנון תחריט שבאה המתבנת בעקבות מפת שנוצרו על-ידי המשתמש. לאחר מכן, תערובת PDMS הוא שפך, לרפא, מצופה בשכבה דקיקה של אלומיניום באמצעות התצהיר. יכול להיות מותאם אישית עמוד מערך המאפיינים ב?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
חומר זה מבוסס על מחקר חלקית בחסות ארה ב Office של חיל הים המחקר תחת גרנט מס N00014-15-1-2481, הקרן הלאומית למדע תחת גרנט מס 1653396. מנופים ומסקנות הכלולים במסמך זה הם אלה של המחברים, אין לפרש כמייצג בהכרח את מדיניות רשמית או חסויות, גם בין מפורשת ובין משתמעת, המחקר של ארצות הברית Office של חיל הים, הקרן הלאומית למדע, או ממשלת ארצות הברית.
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).
