تصنيع وتصور الجسور الشعرية في هندسة المسام الشق

David J. Broesch; Joelle Frechette

doi:10.3791/51143

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

Summary

يتم تقديم إجراء لإنشاء وتصوير الجسور الشعرية في هندسة المسام الشقية. يعتمد إنشاء الجسور الشعرية على تكوين الأعمدة لتوفير التغايرية الفيزيائية والكيميائية الاتجاهية لتثبيت السائل. يتم تشكيل الجسور الشعرية والتلاعب بها باستخدام microstages وتصور باستخدام كاميرا CCD.

Abstract

يتم تقديم إجراء لإنشاء وتصوير الجسور الشعرية في هندسة المسام الشقية. يتم تصنيع أعمدة رهاب الماء عالية نسبة الارتفاع ووظيفية لجعل أسطحها العلوية مائية. مزيج من ميزة المادية (عمود) مع الحدود الكيميائية (الفيلم hydrophilic على الجزء العلوي من العمود) يوفر كل من التغايرية الفيزيائية والكيميائية التي دبابيس خط التماس الثلاثي، وهي ميزة ضرورية لإنشاء جسور الشعرية طويلة مستقرة ولكن ضيقة. يتم إرفاق الركائز مع أعمدة إلى الشرائح الزجاجية وتأمينها في أصحاب مخصصة. ثم يتم تركيب أصحاب على أربعة محاور microstages ووضعها بحيث تكون الأعمدة موازية وتواجه بعضها البعض. تتشكل الجسور الشعرية من خلال إدخال سائل في الفجوة بين الركيزتين بمجرد أن يتم تقليل الفصل بين الأعمدة المواجهة إلى بضع مئات من الميكرومترات. ثم يتم استخدام المرحلة المصغرة المخصصة لتغيير ارتفاع الجسر الشعري. يتم وضع كاميرا CCD لتصوير إما طول أو عرض الجسر الشعري لتوصيف مورفولوجيا واجهة السوائل. تم تصنيع الأعمدة ذات العرض وصولا إلى 250 ميكرومتر والأطوال التي تصل إلى 70 مم باستخدام هذه الطريقة ، مما أدى إلى جسور شعرية بنسب عرض إلى ارتفاع (طول / عرض) تزيد عن 100^1.

Introduction

وكانت دراسة الشكل والقوى الناتجة عن الجسور الشعرية موضوع دراسات مستفيضة^2-7. في البداية تركزت معظم الجهود، بسبب بساطتها، على الجسور الشعرية المحورية. غالبا ما تكون الجسور الشعرية التي تحدث في النظم الطبيعية ، مثل تلك الموجودة في الوسائط الحبيبية والمليئة بالثغرات^8،9 والجسور المستخدمة في التطبيقات التكنولوجية ، مثل التجميع الذاتي الشعري في تقنيات رقاقة الوجه^10-15 غير متماثلة مع خصائص الترطيب غير الموحدة على الأسطح المتفاعلة. الجمع بين تقنيات الطباعة الحجرية المحسنة جنبا إلى جنب مع إمكانية الوصول إلى أدوات رقمية بسيطة لنموذج واجهات السوائل يسمح لإنشاء ونمذجة الجسور الشعرية مع زيادة التعقيد.

الجسور الشعرية في هندسة مسام الشق تقدم حلا وسطا للاهتمام: خصائص التبول الاتجاهي تؤدي إلى الجسور غير المحورية التي تحتفظ ببعض الطائرات التماثل (الذي يبسط التحليل). وقد تمت دراستها نظريا عدديا كدراسة حالة لوسائل الإعلام المسامية. غير أن الدراسات التجريبية المنهجية للجسور الشعرية في هندسة المسام الشقية كانت محدودة. هنا نقدم طريقة لإنشاء وتوصيف الجسور الشعرية في هندسة المسام الشق. باختصار، تتكون الطريقة من 1) تصنيع الأعمدة لخلق عدم التجانس الكيميائي والمادي، 2) تصميم المرحلة الدقيقة لمحاذاة والتلاعب الجسور، و 3) تصوير الجسور الشعرية إما من الأمام أو الجانبين لتوصيف مورفولوجيا بهم. يتم توفير توصيف مورفولوجيا الجسر ، جنبا إلى جنب مع مقارنات لمحاكاة السطح المتطور في منشور منفصل¹.

Protocol

يتم تقسيم نص البروتوكول إلى ثلاثة أقسام رئيسية: 1) تصنيع أعمدة PDMS (polydimethylsiloxane) ، 2) تشغيل قمم الأعمدة ، و 3) تشكيل وتوصيف الجسور الشعرية.

1. تصنيع أعمدة PDMS

هذا القسم تفاصيل تلفيق أعمدة PDMS باستخدام الصب يموت مع قالب السيليكون / SU-8.

تصنيع السيليكون / SU-8 العفن
1. ضع 4 نظيفة في رقاقة السيليكون في طبق Pyrex Petri.
2. إعداد 4:1 (من حيث الحجم) حمض الكبريتيك إلى محلول بيروكسيد الهيدروجين (البيرانا) في كوب منفصل.
  ملاحظة: هناك حاجة إلى الحذر الشديد في إعداد واستخدام محلول البيرانا. رد الفعل هو القفازات طاردة للحرارة للغاية ومعزولة ستكون هناك حاجة للتعامل مع الأكواب. بيرانا يتفاعل بعنف مع المواد العضوية. دع محلول البيرانا يبرد لدرجة حرارة الغرفة قبل التخلص منه. فقط إعداد ما يكفي من الحل المطلوب لغمر رقاقة في الطبق.
3. صب محلول البيرانا ببطء على رقاقة السيليكون حتى يتم غمرها تماما. دع الجلوس لمدة 15 دقيقة.
4. إزالة رقاقة من طبق بيتري وشطف تحت تيار من: deionized (DI) المياه لمدة 2 دقيقة، الإيثانول لمدة 30 ثانية، الأسيتون لمدة 30 ثانية، ثم ضربة الجافة مع النيتروجين.
  ملاحظة: إذا كانت بقايا الأسيتون مشكلة، ينصح بشطف إضافي مع IPA
5. جفف الرقاقة على طبق ساخن عند 150 درجة مئوية لمدة 15 دقيقة.
6. يرفع من الطبق الساخن ويترك ليبرد إلى درجة حرارة الغرفة.
7. تدور معطف SU-8 2002 على سطح رقاقة لمدة 40 ثانية في 500 دورة في الدقيقة.
8. تدور معطف SU-8 2050 على رقاقة مع برنامج معطف تدور خطوتين. الخطوة 1: 40 ثانية عند 500 دورة في الدقيقة. الخطوة 2: دقيقة واحدة عند 1500 دورة في الدقيقة.
9. إزالة رقاقة من معطف تدور ومكان على لوحة ساخنة مسخن (65 درجة مئوية) لمدة 10 دقيقة.
10. اسمحوا لتبرد لدرجة حرارة الغرفة، ثم وضع قناع على رقاقة.
11. ضعه تحت مصباح الأشعة فوق البنفسجية وفضح لمدة 30 ثانية عند 200 واط.
12. إزالة قناع ووضع رقاقة على لوحة ساخنة مسخن (95 درجة مئوية) لمدة 10 دقيقة.
13. ضع في SU-8 Developer الحل وإثارة طفيفة حتى تمت إزالة جميع SU-8 غير المكشوفة. ثم شطف في تيار من الكحول isopropyl لمدة 30 ثانية، ضربة جافة مع النيتروجين.
14. ضعه على لوح ساخن مسخن (95 درجة مئوية) لمدة 30 دقيقة للحصول على اربك نهائي.
يموت الصب من أعمدة PDMS
1. مزيج بقوة نسبة كتلة 10:1 من قاعدة PDMS sylgard-184 إلى عامل المعالجة في الكأس.
2. ديغا PDMS في غرفة فراغ حتى تختفي جميع الفقاعات.
3. وضع القالب ملفقة في القسم 1.1 في 4 كبيرة في طبق وزن البلاستيك وصب PDMS.
4. وضع الطبق مع PDMS والعفن مرة أخرى إلى غرفة فراغ. ديغا مرة أخرى حتى تختفي جميع الفقاعات.
5. ضع الطبق بأكمله في الفرن (مسخن إلى 75 درجة مئوية) لمدة ساعتين على الأقل. ثم اسمحوا لتبرد لدرجة حرارة الغرفة.
6. قطع الطبق من PDMS، وPDMS من رقاقة السيليكون مع شفرة حلاقة مستقيمة.
7. قطع منطقة PDMS مع أعمدة من الجزء الأكبر وتخزينها في طبق بيتري نظيفة.

2. وظيفية قمم الأعمدة

تتضمن هذه العملية من ثلاث خطوات أولا تبخر فيلم ذهبي على رقاقة سيليكون ، تليها الطباعة الحجرية لنقل البصمة¹⁶ من الفيلم الذهبي على أعمدة PDMS (ملفقة في القسم 1) ، وأخيرا تشغيل الفيلم الذهبي مع طبقة أحادية ذاتية التجميع لجعلها هيدروفيلية.

تصنيع الذهب على رقائق السيليكون للطباعة الحجرية نقل بصمة
1. استخدام قطع الزجاج إلى النرد 4 في رقاقة السيليكون الدائرية إلى 4 قطع متساوية الحجم. ملاحظة: يمكن تنظيف رقائق الوافر باستخدام الخطوات 1.1.2-1.1.4 وإعادة استخدامها.
2. تتبخر 20 نانومتر من الذهب مباشرة على رقاقة السيليكون.
3. اترك الرقاقة في غرفة التبخر (أو في مجفف) حتى يكتمل القسم 3 أدناه. هذا سيبقي الرقاقة نظيفة قدر الإمكان.
4. إعداد 8 ميكرولتر: 20 مل، (3-ميركابتروبيل)-تريميثوكسيسيلين (MPTS): حل تولوين في قارورة زجاجية نظيفة.
5. إعداد 200 مل من حمض الهيدروكلوريك 16 مللي متر (HCl) في كوب نظيف.
6. ضع الرقاقة مع فيلم ذهبي في مفاعل البلازما.
7. تنظيف رقاقة باستخدام البلازما الأكسجين في ضغط 300 mTorr، قوة 50 واط لمدة 10 دقيقة.
  ملاحظة: لهذا الإجراء تم استخدام مفاعل البلازما منزلي الصنع.
8. وضع رقاقة في طبق بيتري Pyrex كامل من 200 الإيثانول دليل لمدة 10 دقيقة على الأقل.
  ملاحظة: يتم القيام بهذه الخطوة لإزالة أي أكاسيد غير مستقرة تتشكل على الذهب بسبب بلازما الأكسجين.
9. شطف رقاقة مع الإيثانول، ثم ضربة الجافة مع النيتروجين.
10. تدور معطف حل MPTS على رقاقة في 500 دورة في الدقيقة لمدة 30 ثانية تليها 2750 دورة في الدقيقة لمدة 1 دقيقة.
  ملاحظة: يستخدم MPTS كطبقة التصاق بين PDMS وطبقة الذهب¹⁶.
11. تأخذ رقاقة الخروج من معطف تدور وشطف تحت تيار من الإيثانول. ثم، شطف مع الماء DI وضربة الجافة مع النيتروجين.
  ملاحظة: شطف بلطف لتجنب تقشير طبقة الذهب من رقاقة السيليكون.
12. ضع الرقاقة في طبق Pyrex Petri الذي يحتوي على محلول HCl بما يكفي 16 mM لغمر الرقاقة بالكامل. اتركيه في HCl لمدة 5 دقائق على الأقل.
  ملاحظة: ضعه في المحلول برفق لمنع الذهب من التقشير.
  ملاحظة: يتم ذلك لتحسين التصاق بين PDMS وطبقة الذهب¹⁶.
13. إزالة رقاقة من محلول HCl وضربة الجافة مع النيتروجين.
  ملاحظة: يجب استخدام رقائق لا تزيد عن 15-20 دقيقة بعد اكتمال هذه الخطوة.
بصمة نقل الطباعة الحجرية للذهب من رقاقة إلى أعمدة PDMS
1. إعداد شريحة زجاجية مقاس 25 مم × 75 مم لكل عينة PDMS عن طريق شطفها بالإيثانول وماء DI وتجفيفها بالنيتروجين.
2. ضع أعمدة PDMS في غرفة البلازما واجر البلازما بالأوكسجين بضغط 300 متور وقوة 50 واط لمدة 30 ثانية.
  ملاحظة: التعرض المفرط ل PDMS إلى بلازما الأكسجين سوف يسبب تكسير. ضبط ظروف البلازما وفقا لذلك.
3. ربط الجزء الخلفي من PDMS الركائز إلى الشرائح الزجاجية النظيفة عن طريق تطبيق ضغط الضوء عليها. تسهل الشريحة الزجاجية التلاعب بأعمدة PDMS وتركيبها على الجهاز الموضح في الخطوة 3.
4. قم بقلب ركائز PDMS المدعومة بالزجاج واضغط على الأعمدة لأسفل على الأفلام الذهبية التي تعمل ب MPTS (الخطوة 2.1). تطبيق ضغط معتدل في البداية، ومن ثم وضع الوزن (حوالي 100 غرام) على الشريحة الزجاجية لضمان الاتصال المطابق.
5. اترك الركيزة على اتصال مع رقاقة السيليكون لمدة 12 ساعة على الأقل.
6. فصل الركيزة PDMS من رقاقة. إذا كانت ركيزة PDMS عالقة، فاستخدم شفرة حلاقة مستقيمة لابعاد حافة PDMS بعناية من الرقاقة.
7. عند هذه النقطة يجب أن يكون هناك فيلم ذهبي موحد على الجزء العلوي من أعمدة PDMS. استخدم المجهر الضوئي للتحقق من أن الفيلم الذهبي غير متصدع أو أنه لا توجد أجزاء مفقودة على طول العمود.
تشغيل الذهب في الجزء العلوي من أعمدة PDMS
1. إعداد ما يكفي من 1 mM حمض ميركابتوهيكساديكانويك (MHA) في ثنائي ميثيل كبريت اكسيد (DMSO) لغمر تماما الذهب على رأس أعمدة PDMS.
  ملاحظة: يستخدم DMSO لانخفاض PDMS عامل تورم¹⁷.
2. ضع ركائز PDMS في محلول MHA وابقها هناك لمدة 24 ساعة على الأقل.
3. إزالة الركيزة من محلول MHA وشطف مع الماء DI، ثم ضربة الجافة مع النيتروجين.
4. ضعه في غرفة فراغ (الضغط < 100 mTorr عند 25 درجة مئوية) لمدة 12 ساعة على الأقل.

ملاحظة: للتحقق من نجاح عملية التشغيل، يمكن تنفيذ الخطوة 2 على جزء كبير من PDMS (بدون أعمدة) ويمكن اختبار زاوية الترطيب في مقياس ال غونيمتر. يجب أن يكون للأفلام الذهبية MHA زوايا اتصال مائية تقدم وانحسار <15 درجة و ~ 0 درجة على التوالي. ¹⁸

3. تشكيل وتوصيف الجسور الشعرية

يفصل هذا القسم كيف يمكن إدخال جسر سائل بين ركيزتين متبوعا بتوصيفه عبر التصوير على ارتفاعات مختلفة وحجم سائل.

باستخدام اثنين من ركائز الأعمدة (المحرز في الخطوات 1-2)، ضع واحدة في الجزء العلوي وواحدة في أصحاب القاع. تأمين الركائز باستخدام مسامير التوتر الجانب.
ملاحظة: انظر الشكل 1 والنتائج التمثيلية للحصول على تفاصيل الجهاز.
تجميع الجهاز عن طريق إرفاق المرحلة الركيزة العليا إلى لوحة الخبز بحيث الركيزة العليا هو تقريبا فوق الركيزة السفلية. تقليل الارتفاع بين الركيزتين المواجهتين إلى حوالي 1 مم.
محاذاة الخام: باستخدام س، ص، ومقابض دوران على المرحلة الركيزة السفلي محاذاة (عن طريق العين) شرائط الذهب لاثنين من الركائز بحيث تكون متوازية (يبحث أعلى إلى أسفل من خلال الركيزة العليا).
محاذاة دقيقة: ضع الكاميرا للنظر لأسفل طول عمود PDMS. باستخدام تغذية الكاميرا الحية على شاشة الكمبيوتر، قم بتعديل موضع الركيزة السفلية بحيث تكون الأعمدة متوازية.
حرك الكاميرا إلى الجانب الآخر من الجهاز وكرر الخطوة 3.4.
تقليل الفصل بين العمودين حتى يقوم العمود العلوي بالاتصال بالعمود السفلي (باستخدام تغذية الكاميرا المباشرة). صفر المرحلة الرقمية الصغرى. سيتم تعريف هذا على أنه ارتفاع مسام صفر.
زيادة ارتفاع المسام إلى ما يقرب من 200 ميكرومتر.
إعداد حقنة مع 1-5 ميكرولتر من 80٪ الجلسرين، 20٪ محلول المياه. إرفاق إبرة 30 G إلى نهاية الحقنة، والتأكد من عدم وجود فقاعات الهواء المحاصرين داخل الإبرة.
ملاحظة: يستخدم خليط الماء / الجلسرين للحد من التبخر أثناء التجربة. كما يمكن استخدام المياه.
قم بتركيب المحاقن إلى مرحلة ترجمة حقنة xyz بمشبك ميكانيكي.
ضبط ميكرومتر على مرحلة تحديد المواقع حقنة بحيث الإبرة يناسب المسام شق (موازية لطول الأعمدة).
تقليل ارتفاع المسام الشق بحيث الأسطح العلوية والسفلية الاتصال بلطف الإبرة. وهذا سوف نتأكد من أن السائل سوف تلمس كلا السطوح وتشكل تلقائيا جسر الشعرية.
الاستغناء عن السائل من الحقنة في المسام شق ببطء.
استخدام ميكرومتر على مرحلة تحديد المواقع حقنة لإزالة الإبرة من المسام الشق.
ملاحظة: عند هذه النقطة، يمكن أن تختلف ارتفاع المسام شق والجسر السائل في الصورة.
ملاحظة: يمكن تحليل الصور مع حزمة البرامج مفتوحة المصدر ImageJ.

النتائج

وصف الجهاز التجريبي

يمكن تقسيم الجهاز التجريبي إلى أربعة أجزاء رئيسية: 1) مرحلة الركيزة العليا ، 2) مرحلة الركيزة السفلية ، 3) مرحلة ترجمة المحاقن / الحقنة xyz و 4) الكاميرا / البصريات وحامل الكاميرا. تفاصيل كل متابعة:

أعلى مرحلة الركيزة. يتم إرفاق مرحلة الترجمة الر?...

Discussion

الطريقة المعروضة هنا يوفر وسيلة لإنشاء الجسور الشعرية في هندسة المسام الشق، وأيضا وسيلة لتصوير هذه الجسور بحيث يمكن تحليل مورفولوجيا ومقارنتها إلى المحاكاة والنظرية.

تتضمن هذه الطريقة الإغاثة المادية وكذلك النقش الكيميائي الانتقائي لإنشاء خصائص ترطيب غير متماثلة. إذا كا...

Disclosures

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

Acknowledgements

ويشكر المؤلفون على دعم المؤسسة الوطنية للعلوم في إطار المنحة رقم 1000/ 1999. CMMI-00748094 وN000141110629.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
99.999% Gold wire	Kurt J. Lesker	EVMAU40040
Acetone	Pharmco-AAPER	C1107283
Dimethyl sulfoxide	Fisher	D128-500
Ethanol (200 proof)	Pharmco-AAPER	111000200
Hydrochloric acid	EMD	HX0603-4
Hydrogen peroxide (30%)	EMD	HX0635-3
Isopropyl alcohol	Fisher	L-13597
Mercapto hexadecanoic acid (90%)	Sigma-Aldrich	448303-1G
Mercapto-propyl-trimethoxy-silane (MPTS)	Gelest	Sim6476-O-100GM
Milli-Q DI water	Millipore	Milli-Q
Nitrogen (gas)	Airgas	UN1066
Oxygen (gas)	Airgas	UN1072
Silicon wafers (4 in)	WRS Materials	CC8506
SU-8 2002 (negative photo resist)	MicroChem	SU82002
SU-8 2050 (negative photoresist)	MicroChem	SU82050
SU-8 Developer solution	MicroChem	Y020100 4000L1PE
Sulfuric acid	J.T. Baker	9681-03
Poly dimethy sulfoxide (PDMS)	Dow Corning	Sylgard -184
Toluene	Omnisolv	TX0737-1

References

Broesch, D. J., Frechette, J. From Concave to Convex: Capillary Bridges in Slit Pore Geometry. Langmuir. 28, 15548-15554 (2012).
Orr, F. M., Scriven, L. E., Rivas, A. P. Pendular rings between solids - meniscus properties and capillary force. J. Fluid Mech. 67, 723-742 (1975).
Rose, W. Volumes and surface areas of pendular rings. J. Appl. Phys. 29, 687-691 (1958).
Erle, M. A., Dyson, D. C., Morrow, N. R. Liquid bridges between cylinders, in a torus, and between spheres. Aiche J. 17, 115-121 (1971).
Lambert, P., Chau, A., Delchambre, A., Regnier, S. Comparison between two capillary forces models. Langmuir. 24, 3157-3163 (2008).
Mason, G., Clark, W. C. . Liquid Bridges Between Spheres. Chem. Eng. Sci. 20, 859-866 (1965).
De Souza, E. J., Brinkmann, M., Mohrdieck, C., Arzt, E. Enhancement of capillary forces by multiple liquid bridges. Langmuir. 24, 8813-8820 (2008).
Hornbaker, D. J., Albert, R., Albert, I., Barabasi, A. L., Schiffer, P. What keeps sandcastles standing. Nature. 387, 765-765 (1997).
Scheel, M., et al. Morphological clues to wet granular pile stability. Nat. Mater. 7, 189-193 (2008).
Mastrangeli, M., Ruythooren, W., Celis, J. -. P., Van Hoof, C. Challenges for Capillary Self-Assembly of Microsystems. IEEE T. Compon. Pack. 1, 133-149 (2011).
Josell, D., Wallace, W. E., Warren, J. A., Wheeler, D., Powell, A. C. Misaligned flip-chip solder joints: Prediction and experimental determination of force-displacement curves. J. Electron. Pack. 124, 227-233 (2002).
Lin, W., Patra, S. K., Lee, Y. C. Design of Solder Joints for Self-Aligned Optoelectronic Assemblies. IEEE T. Compon. Pack. B. 18, 543-551 (1995).
Berthier, J., et al. Capillary self-alignment of polygonal chips: a generalization for the shift-restoring force. Microfluid. Nanofluid. 14, 845-858 (2013).
Lambert, P., Mastrangeli, M., Valsamis, J. B., Degrez, G. Spectral analysis and experimental study of lateral capillary dynamics for flip-chip applications. Microfluid. Nanofluid. 9, 797-807 (2010).
Mastrangeli, M., Valsamis, J. B., Van Hoof, C., Celis, J. P., Lambert, P. Lateral capillary forces of cylindrical fluid menisci: a comprehensive quasi-static study. J. Micromech. Microeng. 20, 10-1088 (2010).
Childs, W. R., Nuzzo, R. G. Large-area patterning of coinage-metal thin films using decal transfer lithography. Langmuir. 21, 195-202 (2005).
Lee, J. N., Park, C., Whitesides, G. M. Solvent compatibility of poly(dimethylsiloxane)-based microfluidic devices. Anal. Chem. 75, 6544-6554 (2003).
Olivier, G. K., Shin, D., Gilbert, J. B., Monzon, L. A. A., Frechette, J. . Supramolecular Ion-Pair Interactions To Control Monolayer Assembly. Langmuir. 25, 2159-2165 (2009).
Ferraro, D., et al. Morphological Transitions of Droplets Wetting Rectangular Domains. Langmuir. 28, 13919-13923 (1021).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

83 Microfluidics fluidics polydimethylsiloxane

This article has been published

Video Coming Soon

Keep me updated: