Impressão do selo escalável e fabricação de superfícies de Hemiwicking
Summary
Um protocolo simples é fornecido para a fabricação de estruturas de hemiwicking de diferentes tamanhos, formas e materiais. O protocolo usa uma combinação de física de carimbo, PDMS de moldagem e modificações de superfície de película fina através de técnicas comuns de materiais deposição.
Abstract
Hemiwicking é um processo onde um líquido molha uma superfície padronizada para além do seu comprimento normal umectante devido a uma combinação de ação capilar e embebição. Este fenômeno de umectante é importante em muitos campos técnicos variando de Fisiologia a engenharia aeroespacial. Atualmente, várias técnicas diferentes existem para a fabricação de estruturas de hemiwicking. Estes métodos convencionais, no entanto, muitas vezes são demorados e são difíceis de aumentar para grandes áreas ou são difíceis de personalizar para geometrias de padronização específica, heterogêneos. O protocolo apresentado fornece a pesquisadores com um simples, escalável e cost-effective método para fabricação de superfícies de hemiwicking micromodelados. O método fabrica wicking estruturas através da utilização de revestimentos de superfície de película fina, polydimethylsiloxane (PDMS) moldagem e impressão do selo. O protocolo é demonstrado por hemiwicking com etanol em matrizes PDMS micropillar revestido com um 70 nm alumínio de espessura película fina.
Introduction
Recentemente, tem havido crescente interesse no poder tanto activa e passivamente, controlar a molhadela, evaporação e mistura de líquidos. Hemiwicking exclusivamente texturizados superfícies fornecem uma solução de romance para técnicas de resfriamento, porque essas superfícies texturizadas atuam como uma bomba de líquido (e/ou calor), sem partes móveis. Este movimento do fluido é impulsionado por uma cascata de eventos de ação capilar associada a curvatura dinâmica do líquido fino-filme. Em geral, quando um líquido molha uma superfície sólida, um curvado líquido filme fino (isto é, líquido do menisco) rapidamente forma. O perfil de curvatura e espessura fluida evoluem até atingir um mínimo de energia livre. Para referência, este perfil dinâmico umectante pode decair rapidamente a dezenas de nanômetros de espessura dentro de uma abrangência (fluido-molhamento) escala de comprimento de apenas dezenas de micrômetros. Assim, nesta região (líquido-filme) transitória pode sofrer alterações significativas na curvatura da interface do líquido. Região da transição (película fina) é onde se origina quase toda a dinâmica física e química. Em particular, a região da transição (película fina) é onde as taxas de evaporação máxima (1), gradientes de pressão (2) dis-ingresso e gradientes de pressão (3) hidrostática são encontrados1,2. Como resultado, curvas líquido-filmes desempenham um papel vital no transporte térmico, separação de fases, instabilidades fluidas e a mistura de fluidos multi-componentes. Por exemplo, no que diz respeito a transferência de calor, os fluxos de calor de parede mais alta têm sido observados nesta região de filme fino altamente curvado, transição3,4,5,6,7.
Hemiwicking os estudos recentes têm mostrado que a geometria (por exemplo, altura, diâmetro, etc.) e a colocação dos pilares determinam o perfil frontal de umectação e velocidade do fluido atravessa as estruturas8. Como fluida frente está evaporando fora da extremidade da última estrutura em uma matriz, a frente de fluido é mantida a uma distância constante e curvatura, como o líquido evaporado está sendo substituído pelo líquido armazenado na wicking estruturas9. Hemiwicking estruturas também utilizámos em tubulações de calor e em superfícies fervente para analisar e melhorar os mecanismos de transferência de calor diferentes. 10 , 11 , 12.
Um método usado atualmente para criar estruturas wicking é impressão térmica litografia13. Este método é executado pelo carimbo o layout desejado em uma camada de resistir numa amostra de molde de silicone com um carimbo de polímero termoplástico e, em seguida, remover o selo para manter as microestruturas. Uma vez retirada, a amostra é colocada através de um íon reativo, gravando o processo para remover qualquer excesso resist camada14,15. Este processo, no entanto, pode ser sensível à temperatura de fabricação das estruturas wicking e inclui várias etapas que utilizam vários revestimentos para garantir a exactidão do wicking estruturas16. É também o caso de técnicas de litografia não são práticas para macroescala, padronização; enquanto eles ainda oferecem uma maneira de criar um padrão de microestruturas sobre uma superfície, a taxa de transferência deste procedimento é distante menos do que ideal para a reprodução em grande escala. Considerando em grande escala, reprodutível texturização, tais como revestimento de spin ou mergulho, há uma inerente falta de padronização controlável. Esses métodos criar uma matriz aleatória de microestruturas sobre a superfície do alvo, mas podem ser escalados para cobrir áreas vastamente maiores do que as técnicas de litografia tradicional17.
O protocolo descrito dentro deste relatório tenta combinar os pontos fortes dos métodos tradicionais de texturização, eliminando simultaneamente as deficiências específicas de cada um; Ele define uma maneira de fabricar estruturas de personalizada hemiwicking de diferentes alturas, formas, orientações e materiais em macroescala e com potencialmente alto throughput. Vários testes padrões wicking podem ser rapidamente criados para fins de otimização de absorção características, tais como o controle direcional da velocidade do fluido, propagação e mistura de diferentes fluidos. O uso de diferentes estruturas wicking também pode fornecer diferentes espessura de película fina e perfis de curvatura, o que podem ser usados para estudar sistematicamente o acoplamento entre o calor e transferência de massa com diferentes espessuras e perfis de curvatura do líquido menisco.
Protocol
Representative Results
Discussion
Introduziu-se um método para criar matrizes de pilar padronizada para estruturas de hemiwicking; Isso é realizado por impressão cavidades em uma bolacha de plástico com um aparato de gravura que segue a padronização de um bitmap criado pelo usuário. Uma mistura PDMS é então derramada, curada e revestida com uma película fina de alumínio através de deposição. As características de matriz do pilar podem ser personalizadas dependendo do valor de escala de cinza que é atribuído no bitmap seguindo es…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este material é baseado na pesquisa parcialmente patrocinada pelo escritório dos Estados Unidos de pesquisa Naval, sob o n º de Grant N00014-15-1-2481 e a Fundação de ciência nacional sob concessão No. 1653396. As opiniões e conclusões contidas neste documento são as dos autores e não deve ser interpretadas como representando necessariamente as políticas oficiais ou endossos, expressa ou implícita, de Estados Unidos escritório de pesquisa Naval, Fundação Nacional de ciência, ou o governo dos Estados Unidos.
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).
