Fabrication et visualisation de ponts capillaires en géométrie des pores fendus

Résumé

Un procédé pour créer et imager des ponts capillaires dans la géométrie de fente-pore est présenté. La création de ponts capillaires repose sur la formation de piliers pour fournir une hétérogénéité physique et chimique directionnelle pour épingler le fluide. Les ponts capillaires sont formés et manipulés à l’aide de micro-scènes et visualisés à l’aide d’une caméra CCD.

Résumé

Un procédé pour créer et imager des ponts capillaires dans la géométrie de fente-pore est présenté. Les piliers hydrophobes à rapport d’aspect élevé sont fabriqués et fonctionnalisés pour rendre leurs surfaces supérieures hydrophiles. La combinaison d’une caractéristique physique (le pilier) avec une limite chimique (le film hydrophile sur le dessus du pilier) fournit à la fois une hétérogénéité physique et chimique qui épingle la triple ligne de contact, une caractéristique nécessaire pour créer des ponts capillaires longs mais étroits stables. Les substrats avec les piliers sont attachés à des lames de verre et fixés dans des supports personnalisés. Les supports sont ensuite montés sur quatre micro-étages d’axe et positionnés de manière à ce que les piliers soient parallèles et se font face. Les ponts capillaires se forment en introduisant un fluide dans l’espace entre les deux substrats une fois que la séparation entre les piliers de parement a été réduite à quelques centaines de micromètres. La micro-scène personnalisée est ensuite utilisée pour faire varier la hauteur du pont capillaire. Une caméra CCD est positionnée pour imager la longueur ou la largeur du pont capillaire afin de caractériser la morphologie de l’interface fluide. Des piliers d’une largeur allant jusqu’à 250 μm et de longueurs allant jusqu’à 70 mm ont été fabriqués avec cette méthode, ce qui a conduit à des ponts capillaires avec des rapports d’aspect (longueur/ largeur) supérieurs à 100^1.

Introduction

L’étude de la forme et des forces résultantes causées par les ponts capillaires a fait l’objet d’études approfondies^2-7. Initialement, la plupart des efforts ont été concentrés, en raison de leur simplicité, sur les ponts capillaires axisymétriques. Souvent, les ponts capillaires présents dans les systèmes naturels, tels que ceux que l’on trouve dans les milieux granulaires et poreux^8,9 et les ponts utilisés dans les applications technologiques, telles que pour l’auto-assemblage capillaire dans les technologies de puces à bascule^10-15 sont asymétriques avec des propriétés de mouillage non uniformes sur les surfaces en interaction. La combinaison de techniques de lithographie améliorées et de l’accessibilité d’outils numériques simples pour modéliser des interfaces fluides permet la création et la modélisation de ponts capillaires avec une complexité croissante.

Les ponts capillaires en géométrie à pores fendus offrent un compromis intéressant: les propriétés de mouillage directionnel conduisent à des ponts nonaxisymétriques qui conservent certains plans de symétrie (ce qui simplifie l’analyse). Ils ont été étudiés théoriquement et numériquement comme une étude de cas pour les milieux poreux. Les études expérimentales systématiques des ponts capillaires en géométrie des pores fendus ont cependant été limitées. Nous présentons ici une méthode pour créer et caractériser des ponts capillaires en géométrie des pores fendus. En bref, la méthode consiste en 1) la fabrication de piliers pour créer une hétérogénéité chimique et physique, 2) la conception d’une micro-scène pour aligner et manipuler les ponts, et 3) l’imagerie des ponts capillaires soit de l’avant, soit des côtés pour caractériser leur morphologie. La caractérisation de la morphologie du pont, ainsi que les comparaisons avec les simulations d’évolution de surface sont fournies dans une publication distincte¹.

Protocole

Le texte du protocole est divisé en trois sections principales : 1) la fabrication des piliers PDMS (polydiméthylsiloxane), 2) la fonctionnalisation des sommets des piliers, et 3) la formation et la caractérisation des ponts capillaires.

1. Fabrication des piliers PDMS

Cette section détaille la fabrication des piliers PDMS à l’aide d’un moulage sous pression avec un moule en silicium / SU-8.

1. Fabrication de moules en silicium/SU-8
   1. Placez une plaquette propre de 4 dans du silicium dans une boîte de Pétri pyrex.
   2. Préparer une solution d’acide sulfurique 4:1 (en volume) en solution de peroxyde d’hydrogène (piranha) dans un bécher séparé.
      Remarque: Une extrême prudence est nécessaire dans la préparation et l’utilisation de la solution de piranha. La réaction est très exothermique et des gants isolés seront nécessaires pour manipuler les béchers. Piranha réagit violemment avec les matières organiques. Laisser la solution de piranha refroidir à température ambiante avant de l’éliminer. Préparez seulement suffisamment de solution nécessaire pour immerger la plaquette dans le plat.
   3. Versez lentement la solution de piranha sur la plaquette de silicium jusqu’à ce qu’elle soit complètement immergée. Laisser reposer pendant 15 min.
   4. Retirer la plaquette de la boîte de Pétri et rincer sous un jet d’eau désionisée (DI) pendant 2 min, éthanol pendant 30 sec, acétone pendant 30 sec, puis sécher au chalumeau avec de l’azote.
      Remarque: Si les résidus de l’acétone sont un problème, un rinçage supplémentaire avec IPA est recommandé
   5. Sécher la plaquette sur une plaque chauffante à 150 °C pendant 15 min.
   6. Retirer de la plaque chauffante et laisser refroidir à température ambiante.
   7. Spin coat SU-8 2002 sur la surface de la plaquette pendant 40 sec à 500 rpm.
   8. Spin coat SU-8 2050 sur la plaquette avec un programme de spin coater en deux étapes. Étape 1: 40 sec à 500 rpm. Étape 2 : 1 min à 1 500 tr/min.
   9. Retirez la plaquette de l’enrobeur de spin et placez-la sur une plaque chauffante préchauffée (65 °C) pendant 10 min.
   10. Laisser refroidir à température ambiante, puis placer le masque sur la plaquette.
   11. Placer sous lampe ultraviolette et exposer pendant 30 sec à 200 watts.
   12. Retirez le masque et placez la plaquette sur une plaque chauffante préchauffée (95 °C) pendant 10 min.
   13. Placez dans la solution SU-8 Developer et agitez légèrement jusqu’à ce que tous les SU-8 non exposés aient été retirés. Rincer ensuite dans un jet d’alcool isopropylique pendant 30 sec, sécher au chalumeau avec de l’azote.
   14. Placer sur une plaque chauffante préchauffée (95 °C) pendant 30 min pour un tour de fer final.
2. Moulage sous pression des piliers PDMS
   1. Mélanger vigoureusement un rapport de masse de 10:1 de la base PDMS sylgard-184 à l’agent de durcissement dans le bécher.
   2. Dégaz PDMS dans une chambre à vide jusqu’à ce que toutes les bulles aient disparu.
   3. Placez le moule fabriqué à la section 1.1 dans un grand plat de pesée en plastique 4 et versez le PDMS.
   4. Placez la vaisselle avec PDMS et moulez-la dans la chambre à vide. Dégaz à nouveau jusqu’à ce que toutes les bulles aient disparu.
   5. Placer le plat entier dans un four (préchauffé à 75 °C) pendant au moins 2 heures. Ensuite, laissez refroidir à température ambiante.
   6. Coupez le plat du PDMS et le PDMS de la plaquette de silicium avec une lame de rasoir droite.
   7. Découpez la région PDMS avec les piliers du vrac et stockez-les dans une boîte de Pétri propre.

2. Fonctionnalisation des sommets des piliers

Ce procédé en trois étapes implique d’abord l’évaporation d’un film d’or sur une plaquette de silicium, puis la lithographie de transfert d’empreinte¹⁶ du film d’or sur les piliers PDMS (fabriqués en section 1), et enfin la fonctionnalisation du film d’or avec une monocouche auto-assemblée pour le rendre hydrophile.

1. Fabrication d’or sur des plaquettes de silicium pour la lithographie par transfert d’empreintes
   1. Utilisez un coupe-verre pour découper une plaquette de silicium circulaire 4 en 4 morceaux de taille égale. Remarque : Les plaquettes peuvent être nettoyées à l’aide des étapes 1.1.2 à 1.1.4 et réutilisées.
   2. Évaporer 20 nm d’or directement sur la plaquette de silicium.
   3. Laisser la plaquette dans la chambre d’évaporation (ou dans un dessicateur) jusqu’à ce que la section 3 ci-dessous soit terminée. Cela gardera la plaquette aussi propre que possible.
   4. Préparer une solution de (3-mercaptopropyl)-triméthoxysilane (MPTS) de 8 μl:20 ml dans un flacon en verre propre.
   5. Préparer 200 ml d’acide chlorhydrique (HCl) 16 mM dans un bécher propre.
   6. Mettez la plaquette avec un film d’or dans le réacteur à plasma.
   7. Nettoyez la plaquette à l’aide de plasma d’oxygène à une pression de 300 mTorr, puissance de 50 W pendant 10 min.
      Remarque : Pour cette procédure, un réacteur à plasma construit à la maison a été utilisé.
   8. Mettez la plaquette dans une boîte de Pyrex Petri pleine d’éthanol à l’épreuve de 200 pendant au moins 10 min.
      Remarque: Cette étape est effectuée pour éliminer tous les oxydes instables qui se forment sur l’or en raison du plasma d’oxygène.
   9. Rincez la plaquette avec de l’éthanol, puis séchez-la avec de l’azote.
   10. Faites tourner la solution MPTS sur la plaquette à 500 tr/min pendant 30 sec suivi de 2 750 tr/min pendant 1 min.
       Remarque : Le MPTS est utilisé comme couche d’adhérence entre le PDMS et la couche or^16.
   11. Retirez la plaquette de l’enrobeur de spin et rincez sous un jet d’éthanol. Ensuite, rincez à l’eau DI et séchez-le à l’azote.
       Remarque: Rincez doucement pour éviter le pelage de la couche d’or de la plaquette de silicium.
   12. Placez la plaquette dans une boîte de Pyrex Petri qui contient suffisamment de solution de HCl de 16 mM pour submerger complètement la plaquette. Laisser en HCl pendant au moins 5 min.
       Remarque: Placez doucement dans la solution pour empêcher l’or de se décoller.
       Remarque : Ceci est fait pour améliorer l’adhérence entre le PDMS et la couche d’or^16.
   13. Retirez la plaquette de la solution de HCl et séchez-la avec de l’azote.
       Remarque: les plaquettes ne doivent pas être utilisées plus de 15 à 20 minutes après la fin de cette étape.
2. Lithographie de transfert d’empreinte de l’or de la plaquette aux piliers PDMS
   1. Préparez une lame de verre de 25 mm x 75 mm pour chaque échantillon PDMS en la rinçant avec de l’éthanol, de l’eau DI et séchez-la à l’azote.
   2. Placez les piliers PDMS dans la chambre à plasma et effectuez du plasma d’oxygène à une pression de 300 mTorr et une puissance de 50 W pendant 30 sec.
      Remarque : la surexposition du PDMS au plasma d’oxygène provoquera des fissures. Ajustez les conditions plasmatiques en conséquence.
   3. Liez l’arrière des substrats PDMS aux lames de verre propres en leur appliquant une légère pression. La lame de verre facilite les manipulations des piliers PDMS et le montage sur le dispositif décrit à l’étape 3.
   4. Retournez les substrats PDMS à dos de verre et appuyez sur les piliers sur les films d’or fonctionnalisés MPTS (étape 2.1). Appliquez d’abord une pression modérée, puis mettez un poids (environ 100 g) sur la lame de verre pour assurer le contact conforme.
   5. Laissez le substrat en contact avec la plaquette de silicium pendant au moins 12 heures.
   6. Séparez le substrat PDMS de la plaquette. Si le substrat PDMS est coincé, utilisez une lame de rasoir droite pour arracher soigneusement un bord du PDMS de la plaquette.
   7. À ce stade, un film d’or uniforme devrait être présent sur le dessus des piliers PDMS. Utilisez un microscope optique pour vérifier que le film d’or n’est pas fissuré ou qu’il n’y a pas de pièces manquantes le long du pilier.
3. Fonctionnalisation de l’or sur le dessus des piliers PDMS
   1. Préparer suffisamment d’acide mercaptohexadécanoïque (MHA) de 1 mM dans du diméthylsulfoxyde (DMSO) pour submerger complètement l’or sur les piliers PDMS.
      Remarque: Le DMSO est utilisé pour son faible facteur de gonflement PDMS^17.
   2. Placez les substrats PDMS dans la solution MHA et conservez-les là pendant au moins 24 heures.
   3. Retirez le substrat de la solution de MHA et rincez à l’eau DI, puis séchez-le avec de l’azote.
   4. Placer dans une chambre à vide (pression < 100 mTorr à 25 °C) pendant au moins 12 h.

Remarque: Pour vérifier que le processus de fonctionnalisation a réussi, l’étape 2 peut être effectuée sur un morceau en vrac de PDMS (sans piliers) et l’angle de mouillage peut être testé dans un goniomètre. Les films d’or MHA devraient avoir des angles de contact avec l’eau d’avancement et de recul de <15° et ~0°, respectivement. ^{18 ans}

3. Formation et caractérisation des ponts capillaires

Cette section détaille comment un pont liquide peut être introduit entre deux substrats, suivi de sa caractérisation par imagerie à différentes hauteurs et volumes de fluides.

1. À l’aide de deux substrats de piliers (réalisés aux étapes 1 à 2), placez-en un dans le haut et un dans les supports inférieurs. Fixez les substrats à l’aide de vis de tension latérales.
   Remarque : voir la figure 1 et les résultats représentatifs pour les détails de l’appareil.
2. Assemblez l’appareil en fixant l’étage supérieur du substrat à la planche à pain de sorte que le substrat supérieur soit à peu près au-dessus du substrat inférieur. Diminuer la hauteur entre les deux piliers faisant face à environ 1 mm.
3. Alignement approximatif: en utilisant les boutons x, y et rotation sur l’étage inférieur du substrat, alignez (à l’œil nu) les bandes d’or pour les deux substrats afin qu’elles soient parallèles (en regardant de haut en bas à travers le substrat supérieur).
4. Alignement fin: positionnez la caméra pour regarder vers le bas de la longueur du pilier PDMS. À l’aide du flux de caméra en direct sur l’écran de l’ordinateur, ajustez davantage la position du substrat inférieur afin que les piliers soient parallèles.
5. Déplacez la caméra du côté opposé de l’appareil et répétez l’étape 3.4.
6. Diminuez la séparation entre les deux piliers jusqu’à ce que le pilier supérieur entre en contact avec le pilier inférieur (en utilisant l’alimentation de la caméra en direct). Zéro la micro-étape numérique. Cela sera défini comme une hauteur de pores de zéro.
7. Augmenter la hauteur des pores à environ 200 μm.
8. Préparez une seringue avec 1-5 μl d’une solution d’eau à 80% de glycérol, 20%. Fixez une aiguille de 30 G à l’extrémité de la seringue, en vous assurant qu’aucune bulle d’air n’est piégée à l’intérieur de l’aiguille.
   Remarque: le mélange eau/ glycérol est utilisé pour réduire l’évaporation pendant l’expérience. L’eau peut également être utilisée.
9. Montez la seringue sur l’étage de traduction xyz de la seringue à l’aide d’une pince mécanique.
10. Ajustez les micromètres sur l’étage de positionnement de la seringue afin que l’aiguille s’insère dans le pore de la fente (parallèlement à la longueur des piliers).
11. Diminuez la hauteur des pores de fente afin que les surfaces supérieure et inférieure contactent doucement l’aiguille. Cela permettra de s’assurer que le liquide touchera les deux surfaces et formera spontanément un pont capillaire.
12. Distribuez lentement le liquide de la seringue dans le pore de la fente.
13. Utilisez les micromètres sur l’étape de positionnement de la seringue pour retirer l’aiguille du pore de la fente.
    Remarque: À ce stade, la hauteur du pore fendu peut être modifiée et le pont liquide écrédé.
    Remarque: Les images peuvent être analysées avec le progiciel open source ImageJ.

Résultats

Description du dispositif expérimental

Le dispositif expérimental peut être divisé en quatre parties principales: 1) l’étage de substrat supérieur, 2) l’étage de substrat inférieur, 3) l’étage de traduction xyz seringue / seringue et 4) l’étage de caméra / optique et le support de caméra. Les détails de chacun d’eux sont les suivants:

1. Étage de substrat supérieur. Un étage de traduction numérique est fixé à une pince de montage de la séri...

Discussion

La méthode présentée ici fournit un moyen de créer des ponts capillaires en géométrie des pores fendus, ainsi qu’une méthode d’imagerie de ces ponts afin que leur morphologie puisse être analysée et comparée à la simulation et à la théorie.

Cette méthode intègre un relief physique ainsi qu’un modelage chimique sélectif pour créer des propriétés de mouillage asymétriques. Si seule une hétérogénéité chimique est présente, une goutte liquide restera épinglée sur ...

matériels

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