Summary

Stampa timbro scalabile e fabbricazione delle superfici Hemiwicking

Published: December 18, 2018
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Summary

Un semplice protocollo è fornito per la realizzazione di strutture di hemiwicking di varie dimensioni, forme e materiali. Il protocollo utilizza una combinazione di fisica stampaggio, stampaggio PDMS e modifiche di superficie di film sottili tramite comuni materiali tecniche di deposizione.

Abstract

Hemiwicking è un processo dove un liquido bagna una superficie modellata oltre la sua lunghezza di bagnatura normale a causa di una combinazione di capillarità e imbibizione. Questo fenomeno di bagnatura è importante in molti settori tecnici che vanno dalla fisiologia per ingegneria aerospaziale. Attualmente, diverse tecniche esistano per la realizzazione di strutture hemiwicking. Questi metodi convenzionali, tuttavia, sono spesso molto tempo e sono difficili da scalabilità per grandi aree o sono difficili da personalizzare per geometrie specifiche, nonhomogeneous patterning. Il protocollo presentato fornisce i ricercatori con un semplice, scalabile e conveniente metodo per la realizzazione di superfici micro-fantasia hemiwicking. Il metodo fabbrica wicking strutture attraverso l’uso di timbro stampa, polidimetilsilossano (PDMS) stampaggio e rivestimenti di superficie di film sottile. Il protocollo è dimostrato per hemiwicking con etanolo sulle matrici di micropillar PDMS ricoperto di 70 nm in alluminio di spessore sottile-film.

Introduction

Recentemente c’è stato interesse aumentato nel riuscire a sia attivamente e passivamente la bagnatura, evaporazione, di controllo e miscelazione dei fluidi. Le superfici in modo univoco martellata hemiwicking forniscono una soluzione di romanzo per tecniche di raffreddamento perché queste superfici strutturate agiscono come una pompa di liquido (e/o calore) senza parti in movimento. Questo fluido movimento è guidato da una cascata di eventi azione capillare associata con la curvatura dinamica del liquido thin-film. In generale, quando un liquido bagna una superficie solida, un curvato liquido film sottile (i.e., menisco liquido) forma rapidamente. Il profilo di curvatura e spessore fluido evolvere fino a quando non viene raggiunto un minimo di energia libera. Per riferimento, questo profilo dinamico bagnante può decadere rapidamente a decine di nanometri di spessore all’interno di un spanning (fluido-bagnante)-scala di lunghezza di solo le decine di micrometri. Così, questa regione (liquido-pellicola) transitoria può subire cambiamenti significativi nella curvatura di interfaccia liquido. La regione (film sottile) transitoria è dove quasi tutti la dinamica fisica e chimica originario. In particolare, la regione (film sottile) transitoria è dove i tassi di evaporazione di massima (1), (2) dis-giunzione gradienti di pressione e gradienti di pressione (3) idrostatica si trovano1,2. Di conseguenza, curve liquido-pellicole giocano un ruolo fondamentale nel trasporto termico, separazione di fase, instabilità del fluido e la miscelazione di liquidi multi-componente. Per esempio, per quanto riguarda il trasferimento di calore, i flussi di calore più alti muro sono stati osservati in questa regione di film sottile altamente curvo, transitorio3,4,5,6,7.

Recenti studi di hemiwicking hanno dimostrato che la geometria (ad esempio, altezza, diametro, ecc.) e il posizionamento dei pilastri determinare il profilo anteriore di bagnatura e la velocità del fluido che attraversa le strutture8. Come parte anteriore liquido evapora fuori la fine dell’ultima struttura in una matrice, la parte anteriore di fluido viene mantenuta a una distanza costante e curvatura, come il fluido evaporato viene rimpiazzato dal fluido memorizzato nel wicking strutture9. Strutture di Hemiwicking sono stati utilizzati in tubi di calore e sulle superfici bollente per analizzare e migliorare i meccanismi di trasferimento di calore differente. 10 , 11 , 12.

Un metodo attualmente utilizzato per creare strutture di traspirazione è impronta termica Litografia13. Questo metodo viene eseguito da stampaggio il layout desiderato in uno strato di fotoresist su un campione di stampo di silicone con un timbro di polimero termoplastico, quindi rimuovere il timbro per mantenere le microstrutture. Una volta rimosso, il campione è messo attraverso un ione reattivo mordenzatura per rimuovere qualsiasi di resistere in eccesso strato14,15. Questo processo, tuttavia, può essere sensibile alla temperatura di fabbricazione delle strutture wicking e include più passaggi che utilizzano vari rivestimenti per garantire l’accuratezza delle strutture wicking16. È anche il caso che non sono pratici per macro-scala patterning; tecniche di Litografia mentre ancora forniscono un modo per creare un modello di microstrutture su una superficie, la velocità effettiva di questa procedura è molto meno di ideale per la riproduzione su larga scala. Considerando su larga scala, riproducibile texturing, come rivestimento di spin o tuffo, c’è una mancanza intrinseca di patterning controllabile. Questi metodi, creano una matrice casuale di microstrutture sulla superficie di destinazione ma possono essere regolati per coprire aree notevolmente più grandi rispetto a tecniche di Litografia tradizionale17.

Il protocollo descritto all’interno di questa relazione tenta di combinare i punti di forza dei metodi tradizionali di testurizzazione eliminando contemporaneamente le specifiche debolezze di ciascuno; definisce un modo per fabbricare strutture personalizzate hemiwicking di varie altezze, forme, orientamenti e materiali su scala macro e con potenzialmente elevato throughput. Vari modelli wicking possono essere rapidamente creati allo scopo di ottimizzazione di wicking caratteristiche, come il controllo direzionale della velocità del fluido, la propagazione e la miscelazione di fluidi diversi. L’utilizzo di differenti strutture traspirante in grado di fornire anche diverso film sottile spessore e curvatura profili, che possono essere usati per studiare sistematicamente l’accoppiamento tra calore e trasferimento di massa con diverso spessore e curvatura del liquido menisco.

Protocol

1. creare la mappa di campitura Utilizzando un editor di grafica, creare il modello desiderato per le strutture di hemiwicking rappresentato come immagine bitmap.Nota: Alcuni dei parametri design traspirante (cioè, angolo di pendenza, pendenza di profondità) può essere fatto per essere dipendente dai valori di scala di grigi assegnati a ciascun pixel. Questi valori di scala di grigi vengono quindi modificati al fine di modificare il parametro desiderato. Salvare l’immagine bitmap come …

Representative Results

Figura 1 fornisce uno schema di come il meccanismo di timbratura sarebbe creare lo stampo per le strutture traspirante su uno stampo di plastica. Per studiare la qualità dell’apparato stampaggio nella produzione di film traspirante, due matrici diverse pilastro sono state create per analizzare la qualità dei pilastri per futuri esperimenti anti-umidità. Aspetti dell’apparato studiato erano la precisione dell’altezza dei pilastri (con e senza un gradiente d…

Discussion

Un metodo è stato introdotto per creare matrici di pilastro modellato per strutture hemiwicking; Questa operazione viene eseguita da imprinting cavità su un wafer di plastica con un apparato di incisione che segue patterning da una bitmap creata dall’utente. Una miscela PDMS è poi versata, cured e rivestita con un sottile strato di alluminio tramite deposizione. Le caratteristiche di matrice pilastro possono essere personalizzate a seconda del valore di scala di grigi che viene assegnato nella bitmap seguendo…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Questo materiale è basato sulla ricerca parzialmente sponsorizzato da United States Office of Naval Research Grant No. N00014-15-1-2481 e National Science Foundation Grant No. 1653396. Le viste e le conclusioni contenute nel presente documento sono quelle degli autori e non devono essere interpretate come necessariamente che rappresentano le politiche ufficiali o specializzazioni, sia espressa o implicita, di US Office of Naval Research, la National Science Foundation, o il governo degli Stati Uniti.

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

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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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