Fabbricazione e visualizzazione di ponti capillari in geometria dei pori a fessura

Riepilogo

Viene presentata una procedura per la creazione e l'imaging di ponti capillari in geometria a fessura.po por. La creazione di ponti capillari si basa sulla formazione di pilastri per fornire un'eterogeneità fisica e chimica direzionale per fissare il fluido. I ponti capillari sono formati e manipolati utilizzando microstaggi e visualizzati utilizzando una telecamera CCD.

Abstract

Viene presentata una procedura per la creazione e l'imaging di ponti capillari in geometria a fessura.po por. I pilastri idrofobi ad alto rapporto di aspetto sono fabbricati e funzionalizzati per rendere idrofile le loro superfici superiore. La combinazione di una caratteristica fisica (il pilastro) con un confine chimico (la pellicola idrofila sulla parte superiore del pilastro) fornisce un'eterogeneità fisica e chimica che inchioda la linea di contatto tripla, una caratteristica necessaria per creare ponti capillari lunghi ma stretti stabili. I substrati con i pilastri sono attaccati a vetrini e fissati in supporti personalizzati. I supporti vengono quindi montati su microstaggi a quattro assi e posizionati in modo che i pilastri siano paralleli e rivolti l'uno verso l'altro. I ponti capillari si formano introducendo un fluido nello spazio tra i due substrati una volta ridotta la separazione tra i pilastri rivolti a poche centinaia di micrometri. Il microstaggio personalizzato viene quindi utilizzato per variare l'altezza del ponte capillare. Una telecamera CCD è posizionata per l'immagine della lunghezza o della larghezza del ponte capillare per caratterizzare la morfologia dell'interfaccia del fluido. Pilastri con larghezze fino a 250 μm e lunghezze fino a 70 mm sono stati fabbricati con questo metodo, portando a ponti capillari con proporzioni (lunghezza/larghezza) di oltre 100¹.

Introduzione

Lo studio della forma e delle forze risultanti causate da ponti capillari è stato oggetto di approfonditi^{studi 2-7}. Inizialmente la maggior parte degli sforzi si concentravano, grazie alla loro semplicità, sui ponti capillari assimmetrici. Spesso i ponti capillari presenti nei sistemi naturali, come quelli presenti nei mezzi granulari e porosi^8,9 e i ponti impiegati nelle applicazioni tecnologiche, come per l'auto-assemblaggio capillare nelle tecnologie flip chip^10-15 sono asimmetrici con proprietà di bagnatura nonuniformi sulle superfici interagenti. La combinazione di tecniche litografiche migliorate insieme all'accessibilità di semplici strumenti numerici per modellare interfacce fluide consente la creazione e la modellazione di ponti capillari con crescente complessità.

I ponti capillari in geometria a fessura offrono un interessante compromesso: le proprietà di bagnatura direzionale portano a ponti nonaxisimmetrici che mantengono alcuni piani di simmetria (il che semplifica l'analisi). Sono stati studiati teoricamente e numericamente come caso di studio per i mezzi porosi. Gli studi sperimentali sistematici sui ponti capillari nella geometria dei pori a fessura sono stati tuttavia limitati. Qui presentiamo un metodo per creare e caratterizzare ponti capillari in geometria a poro a fessura. In breve, il metodo consiste in 1) la fabbricazione di pilastri per creare un'eterogeneità chimica e fisica, 2) la progettazione di un microstaggio per allineare e manipolare i ponti, e 3) l'imaging dei ponti capillari sia dalla parte anteriore che da quella dei lati per caratterizzarne la morfologia. La caratterizzazione della morfologia del ponte, insieme ai confronti con le simulazioni di evolutore di superficie, sono fornite in una pubblicazione separata¹.

Protocollo

Il testo del protocollo è suddiviso in tre sezioni principali: 1) la fabbricazione dei pilastri PDMS (polidimetilossano), 2) la funzionalizzazione delle cime dei pilastri e 3) la formazione e caratterizzazione dei ponti capillari.

1. Fabbricazione dei pilastri PDMS

Questa sezione descrive in dettaglio la fabbricazione dei pilastri PDMS utilizzando la pressofusione con uno stampo in silicio/ SU-8.

1. Fabbricazione di stampi in silicio/SU-8
   1. Mettere un 4 pulito in wafer di silicio in una piastra pyrex petri.
   2. Preparare una soluzione di acido solforico 4:1 (in volume) a perossido di idrogeno (piranha) in un becher separato.
      Nota: È necessaria estrema cautela nella preparazione e nell'uso della soluzione di piranha. La reazione è altamente esotermica e i guanti isolati saranno necessari per maneggiare i becher. Piranha reagisce violentemente con l'organico. Lasciare raffreddare la soluzione di piranha a temperatura ambiente prima di smaltire. Preparare solo una soluzione sufficiente necessaria per immergere il wafer nel piatto.
   3. Versare lentamente la soluzione di piranha sul wafer di silicio fino a quando non è completamente sommerso. Lasciare riposare per 15 minuti.
   4. Togliere il wafer dalla piastra di Petri e risciacquare sotto un flusso di: acqua deionizzata (DI) per 2 min, etanolo per 30 sec, acetone per 30 sec, quindi asciugare con azoto.
      Nota: Se i residui di acetone sono un problema, si consiglia un risciacquo aggiuntivo con IPA
   5. Asciugare il wafer su una piastra calda a 150 °C per 15 minuti.
   6. Rimuovere dalla piastra calda e lasciare raffreddare a temperatura ambiente.
   7. Spin coat SU-8 2002 sulla superficie del wafer per 40 secondi a 500 giri/min.
   8. Cappotto di spin SU-8 2050 sul wafer con un programma di spin coater in due gradini. Passo 1: 40 sec a 500 giri/min. Passo 2: 1 min a 1.500 giri/min.
   9. Rimuovere il wafer dal mandrino di spin e posizionarsi su una piastra calda preriscaldata (65 °C) per 10 minuti.
   10. Lasciare raffreddare a temperatura ambiente, quindi posizionare la maschera sul wafer.
   11. Posizionare sotto la lampada ultravioletta ed esporre per 30 secondi a 200 watt.
   12. Rimuovere la maschera e posizionare il wafer su una piastra calda preriscaldata (95 °C) per 10 minuti.
   13. Posizionare nella soluzione sviluppatore SU-8 e agitare leggermente fino a quando tutti i SU-8 non esposti non sono stati rimossi. Quindi risciacquare in un flusso di alcol isopropile per 30 secondi, asciugare con azoto.
   14. Posizionare su una piastra calda preriscaldata (95 °C) per 30 minuti per un hardbake finale.
2. Pressofusione di pilastri PDMS
   1. Mescolare vigorosamente un rapporto di massa 10:1 di base di Sylgard-184 PDMS con agente polimerizzante nel becher.
   2. Degas PDMS in una camera a vuoto fino a quando tutte le bolle sono sparite.
   3. Posizionare lo stampo fabbricato nella sezione 1.1 in un grande piatto da 4 in plastica e versare il PDMS.
   4. Riposizionare il piatto con PDMS e lo stampo nella camera a vuoto. Degas di nuovo fino a quando tutte le bolle sono sparite.
   5. Mettere l'intero piatto in forno (preriscaldato a 75 °C) per almeno 2 ore. Quindi lasciare raffreddare a temperatura ambiente.
   6. Tagliare il piatto dal PDMS e il PDMS dal wafer di silicio con una lama di rasoio dritta.
   7. Ritaglia la regione PDMS con i pilastri dalla massa e conservalo in una piastra di Petri pulita.

2. Funzionalizzazione delle cime dei pilastri

Questo processo in tre fasi prevede prima l'evaporazione di un film d'oro su un wafer di silicio, seguito dalla litografia^{di trasferimento dell'impronta 16} del film d'oro sui pilastri PDMS (fabbricati nella sezione 1), e infine la funzionalizzazione del film d'oro con un monostrato auto-assemblato per renderlo idrofilo.

1. Fabbricazione di oro su wafer di silicio per litografia a trasferimento di impronte
   1. Usa una taglierina di vetro per tagliare a dadini un wafer di silicio circolare da 4 pezzi di dimensioni uguali. Nota: i wafer possono essere puliti utilizzando i passaggi 1.1.2-1.1.4 e riutilizzati.
   2. Evaporare 20 nm di oro direttamente sul wafer di silicio.
   3. Lasciare il wafer in camera di evaporazione (o in un essiccatore) fino al completamento del punto 3. Questo manterrà il wafer il più pulito possibile.
   4. Preparare una soluzione di 8 μl:20 ml,(3-mercaptopropil)-trimetossisilano (MPTS): soluzione di toluene in una fiala di vetro pulita.
   5. Preparare 200 ml di acido cloridrico (HCl) da 16 mM in un bicchiere pulito.
   6. Metti il wafer con pellicola d'oro nel reattore al plasma.
   7. Pulire il wafer utilizzando plasma di ossigeno a una pressione di 300 mTorr, potenza di 50 W per 10 min.
      Nota: Per questa procedura è stato utilizzato un reattore al plasma costruito in casa.
   8. Mettere il wafer in una piastra pyrex petri piena di 200 etanolo a prova per almeno 10 minuti.
      Nota: Questo passaggio viene fatto per rimuovere eventuali ossidi instabili che si formano sull'oro a causa del plasma di ossigeno.
   9. Risciacquare il wafer con etanolo, quindi asciugare con azoto.
   10. Spin rivestire la soluzione MPTS sul wafer a 500 giri/min per 30 secondi seguita da 2.750 giri/min per 1 min.
       Nota: MPTS viene utilizzato come strato di adesione tra il PDMS e lo strato d'oro¹⁶.
   11. Togliere il wafer dal filatore e risciacquare sotto un flusso di etanolo. Quindi, sciacquare con acqua DI e asciugare con azoto.
       Nota: Risciacquare delicatamente per evitare il peeling dello strato d'oro dal wafer di silicio.
   12. Posizionare il wafer in una piastra pyrex petri che contiene una soluzione HCl da 16 mM sufficiente per immergere completamente il wafer. Lasciare in HCl per almeno 5 minuti.
       Nota: Mettere delicatamente nella soluzione per evitare che l'oro si stagni.
       Nota: questo viene fatto per migliorare l'adesione tra il PDMS e lo strato d'oro¹⁶.
   13. Rimuovere il wafer dalla soluzione HCl e asciugare con azoto.
       Nota: i wafer devono essere utilizzati non più di 15-20 minuti dopo il completamento di questo passaggio.
2. Litografia di trasferimento dell'impronta dell'oro dal wafer ai pilastri PDMS
   1. Preparare uno scivolo di vetro da 25 mm x 75 mm per ogni campione PDMS risciacquarlo con etanolo, acqua DI e asciugare con azoto.
   2. Posizionare i pilastri PDMS nella camera al plasma ed eseguire plasma di ossigeno a una pressione di 300 mTorr e una potenza di 50 W per 30 secondi.
      Nota: la sovraesposizione del PDMS al plasma di ossigeno causerà crepe. Regolare le condizioni plasmatiche di conseguenza.
   3. Legare la parte posteriore dei substrati PDMS ai vetri puliti applicando loro una leggera pressione. Lo scivolo in vetro facilita le manipolazioni dei pilastri PDMS e il montaggio sul dispositivo descritto al passaggio 3.
   4. Capovolgere i substrati PDMS con supporto in vetro e premere i pilastri verso il basso sulle pellicole in oro funzionalizzate MPTS (passo 2.1). Applicare inizialmente una pressione moderata, quindi mettere un peso (circa 100 g) sul vetrino per garantire un contatto conforme.
   5. Lasciare il substrato a contatto con il wafer di silicio per almeno 12 ore.
   6. Separare il substrato PDMS dal wafer. Se il substrato PDMS è bloccato, utilizzare una lama di rasoio dritta per far infilare con cura un bordo del PDMS fuori dal wafer.
   7. A questo punto dovrebbe essere presente un film d'oro uniforme sulla parte superiore dei pilastri PDMS. Utilizzare un microscopio ottico per verificare che la pellicola d'oro non sia incrinato o che non manchino parti lungo il pilastro.
3. Funzionalizzazione dell'oro sulla parte superiore dei pilastri PDMS
   1. Preparare abbastanza acido mercaptoesadecanoico da 1 mM (MHA) in solfossido di dimetile (DMSO) per immergere completamente l'oro sopra i pilastri PDMS.
      Nota: DMSO viene utilizzato per il suo basso fattore di gonfiore PDMS¹⁷.
   2. Posizionare i substrati PDMS nella soluzione MHA e conservarli lì per almeno 24 ore.
   3. Rimuovere il substrato dalla soluzione MHA e risciacquare con acqua DI, quindi asciugare con azoto.
   4. Mettere in camera a vuoto (pressione < 100 mTorr a 25 °C) per almeno 12 ore.

Nota: per verificare che il processo di funzionalizzazione abbia avuto esito positivo, il passaggio 2 può essere eseguito su un pezzo sfuso di PDMS (senza pilastri) e l'angolo di bagnatura può essere testato in un goniometro. Le pellicole in oro MHA dovrebbero avere angoli di contatto dell'acqua in avanzamento e in recupero rispettivamente di <15° e ~0°. ^{18 di cui: la commissione per i}

3. Formazione e caratterizzazione dei ponti capillari

Questa sezione descrive in dettaglio come un ponte liquido può essere introdotto tra due substrati seguito dalla sua caratterizzazione tramite imaging a diverse altezze e volumi di fluidi.

1. Utilizzando due substrati a pilastri (realizzati nei passaggi 1-2), posizionare uno nella parte superiore e uno nei supporti inferiori. Fissare i substrati utilizzando viti di tensione laterale.
   Nota: vedere la figura 1 e i risultati rappresentativi per i dettagli del dispositivo.
2. Assemblare il dispositivo collegando lo stadio superiore del substrato alla tavola del pane in modo che il substrato superiore sia approssimativamente sopra il substrato inferiore. Diminuire l'altezza tra i due pilastri rivolti a circa 1 mm.
3. Allineamento approssimativo: utilizzando le manopole x, y e rotazione sullo stadio inferiore del substrato allineare (a occhio) le strisce dore per i due substrati in modo che siano parallele (guardando dall'alto verso il basso attraverso il substrato superiore).
4. Allineamento preciso: posizionare la fotocamera per guardare in basso la lunghezza del pilastro PDMS. Utilizzando il feed della fotocamera dal vivo sullo schermo del computer, regolare ulteriormente la posizione del substrato inferiore in modo che i pilastri siano paralleli.
5. Spostare la fotocamera sul lato opposto del dispositivo e ripetere il passaggio 3.4.
6. Diminuire la separazione tra i due pilastri fino a quando il pilastro superiore non prende contatto con il pilastro inferiore (utilizzando il feed della fotocamera dal vivo). Azzerare il micro stage digitale. Questo sarà definito come un'altezza dei pori pari a zero.
7. Aumentare l'altezza dei pori a circa 200 μm.
8. Preparare una siringa con 1-5 μl di un 80% di glicerolo, soluzione di acqua al 20%. Attaccare un ago da 30 G all'estremità della siringa, assicurandosi che nessuna bolla d'aria sia intrappolata all'interno dell'ago.
   Nota: la miscela acqua/glicerolo viene utilizzata per ridurre l'evaporazione durante l'esperimento. L'acqua può anche essere utilizzata.
9. Montare la siringa nella fase di traslazione xyz della siringa con un morsetto meccanico.
10. Regolare i micrometri sullo stadio di posizionamento della siringa in modo che l'ago si inserisca nel poro a fessura (parallelo alla lunghezza dei pilastri).
11. Diminuire l'altezza del poro fessurato in modo che le superfici superiore e inferiore contattino delicatamente l'ago. Ciò farà in modo che il liquido tocchi entrambe le superfici e formi spontaneamente un ponte capillare.
12. Erogare lentamente il liquido dalla siringa nel poro fessurato.
13. Utilizzare i micrometri sullo stadio di posizionamento della siringa per rimuovere l'ago dal poro a fessura.
    Nota: A questo punto, l'altezza del poro a fessura può essere variata e il ponte liquido è stato immaginato.
    Nota: le immagini possono essere analizzate con il pacchetto software open source ImageJ.

Risultati

Descrizione del dispositivo sperimentale

Il dispositivo sperimentale può essere suddiviso in quattro parti principali: 1) lo stadio superiore del substrato, 2) lo stadio inferiore del substrato, 3) lo stadio di traduzione xyz della siringa / siringa e 4) la fotocamera / ottica e il supporto della fotocamera. I dettagli di ciascuno seguono:

1. Stadio superiore del substrato. Uno stadio di traduzione digitale è collegato a un morsetto di montaggio della serie P tramite ...

Discussione

Il metodo qui presentato fornisce un modo per creare ponti capillari in geometria dei pori a fessura, e anche un metodo per l'imaging di questi ponti in modo che la loro morfologia possa essere analizzata e confrontata con la simulazione e la teoria.

Questo metodo incorpora sollievo fisico e modelli chimici selettivi per creare proprietà di bagnatura asimmetriche. Se è presente solo un'eterogeneità chimica, una goccia di liquido rimarrà appuntata sull'eterogeneità fino a quando l'angolo d...

Materiali

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