Tecniche di fabbricazione microfluidiche per test ad alta pressione del trasporto supercritico in schiuma di CO2 su microscala in serbatoi non convenzionali fratturati

Riepilogo

Questo documento descrive un protocollo insieme a uno studio comparativo di due tecniche di fabbricazione microfluidica, vale a dire la fotolitografia / incisione a umido / legame termico e l'incisione selettiva indotta dal laser (LES), che sono adatte per condizioni di alta pressione. Queste tecniche costituiscono piattaforme abilitanti per l'osservazione diretta del flusso di fluido in mezzi permeabili surrogati e sistemi fratturati in condizioni di serbatoio.

Abstract

I limiti di pressione di molte piattaforme microfluidici sono stati una sfida significativa negli studi sperimentali microfluidici su mezzi fratturati. Di conseguenza, queste piattaforme non sono state sfruttate appieno per l'osservazione diretta del trasporto ad alta pressione nelle fratture. Questo lavoro introduce piattaforme microfluidiche che consentono l'osservazione diretta del flusso multifase in dispositivi con supporti permeabili surrogati e sistemi fratturati. Tali piattaforme forniscono un percorso per affrontare questioni importanti e tempestive come quelle relative all'acquisizione, all'utilizzo e allo stoccaggio di CO_2. Questo lavoro fornisce una descrizione dettagliata delle tecniche di fabbricazione e una configurazione sperimentale che può servire ad analizzare il comportamento della schiuma supercritica di CO₂ (scCO_2),la sua struttura e stabilità. Tali studi forniscono importanti informazioni sui processi di recupero dell'olio potenziati e sul ruolo delle fratture idrauliche nel recupero delle risorse da serbatoi non convenzionali. Questo lavoro presenta uno studio comparativo dei dispositivi microfluidici sviluppati utilizzando due diverse tecniche: fotolitografia/incisione a umido/legame termico rispetto all'incisione selettiva indotta dal laser. Entrambe le tecniche si traducono in dispositivi chimicamente e fisicamente resistenti e tolleranti alle condizioni di alta pressione e temperatura che corrispondono a sistemi di sottosuolo di interesse. Entrambe le tecniche forniscono percorsi verso microcanali incisi ad alta precisione e dispositivi lab-on-chip capaci. La fotolitografia/incisione a umido, tuttavia, consente la fabbricazione di reti di canali complesse con geometrie complesse, il che sarebbe un compito impegnativo per le tecniche di incisione laser. Questo lavoro riassume un protocollo di fotolitografia passo-passo, incisione a umido e incollaggio termico del vetro e presenta osservazioni rappresentative del trasporto della schiuma con rilevanza per il recupero dell'olio da formazioni strette e scisto non convenzionali. Infine, questo lavoro descrive l'uso di un sensore monocromatico ad alta risoluzione per osservare il comportamento della schiuma scCO₂ in cui l'intero mezzo permeabile viene osservato contemporaneamente preservando la risoluzione necessaria per risolvere caratteristiche di dimensioni fino a 10 μm.

Introduzione

La fratturazione idraulica è stata utilizzata per un bel po 'di tempo come mezzo per stimolare il flusso soprattutto nelle formazioni strette^1. Grandi quantità di acqua necessarie nella fratturazione idraulica sono composte da fattori ambientali, problemi di^{disponibilità dell'acqua 2,danni alla formazione 3,costo 4} ed effetti sismici^5. Di conseguenza, l'interesse per metodi di fratturazione alternativi come la fratturazione senza acqua e l'uso di schiume è in aumento. Metodi alternativi possono fornire importanti benefici come la riduzione dell'uso^{dell'acqua 6,}la compatibilità con le formazioni sensibili^{all'acqua 7,}il minimo o nessun tappo^{della formazione 8,}l'elevata viscosità apparente dei fluidi di^{fratturazione 9,}la riciclabilità^10,la facilità di pulizia e la capacità di trasporto proppant⁶. La schiuma di CO₂ è un potenziale fluido di fratturazione senza acqua che contribuisce a una produzione più efficiente di fluidi petroliferi e a_{migliori capacità di stoccaggio} di CO 2 nel sottosuolo con un'impronta ambientale potenzialmente inferiore rispetto alle tecniche di fratturazione^{convenzionali 6,7,11.}

In condizioni ottimali, la schiuma supercritica di CO₂ (schiuma scCO₂₎ a pressioni oltre la pressione minima di mascibilità (MMP) di un dato serbatoio fornisce un sistema miscible multi-contatto in grado di dirigere il flusso in parti meno permeabili della formazione, migliorando così l'efficienza di sweep^{e il recupero delle risorse 12,13}. scCO_{2 fornisce} gas come diffusività e liquido come la densità¹⁴ ed è adatto per applicazioni sottosuperficie, come il recupero dell'olio e la cattura, l'utilizzo e lo stoccaggio del carbonio (CCUS)¹³. La presenza dei costituenti della schiuma nel sottosuolo aiuta a ridurre il rischio di perdite nello stoccaggio a lungo termine di CO₂¹⁵. Inoltre, gli effetti di shock termico accoppiato-comprimibilità dei sistemi di schiuma scCO₂ possono servire come efficaci sistemi di^{fratturazione 11}. Le proprietà dei sistemi di schiuma di CO 2 per applicazioni sottosuperficie sono state ampiamente studiate a varie scale, come la caratterizzazione della sua_stabilità e viscosità nei sistemi di impacchettamento della sabbia e la sua efficacia nei processi^{di spostamento 3,6,12,15,16,17.} La dinamica della schiuma a livello di frattura e le sue interazioni con i mezzi porosi sono aspetti meno studiati che sono direttamente rilevanti per l'uso della schiuma in formazioni strette e fratturate.

Le piattaforme microfluidiche consentono la visualizzazione diretta e la quantificazione dei relativi processi su microscala. Queste piattaforme forniscono il controllo in tempo reale dell'idrodinamica e delle reazioni chimiche per studiare i fenomeni su scala dei pori insieme a considerazioni di recupero¹. La generazione, la propagazione, il trasporto e la dinamica della schiuma possono essere visualizzati in dispositivi microfluidici che emulano sistemi fratturati e percorsi conduttivi frattura-microcrack-matrice rilevanti per il recupero dell'olio da formazioni strette. Lo scambio di fluidi tra frattura e matrice è espresso direttamente in base alla geometria¹⁸, evidenziando così l'importanza di rappresentazioni semplicistiche e realistiche. Nel corso degli anni sono state sviluppate diverse piattaforme microfluidiche rilevanti per studiare vari processi. Ad esempio, Tigglaar e colleghi discutono della fabbricazione e del test ad alta pressione di dispositivi di microreattore in vetro attraverso la connessione in piano di fibre per testare il flusso attraverso i capillari di vetro collegati ai microreattori¹⁹. Presentano i loro risultati relativi all'ispezione delle obbligazioni, ai test di pressione e al monitoraggio della reazione in situ ¹Spettroscopia H NMR. Come tale, la loro piattaforma potrebbe non essere ottimale per velocità di iniezione relativamente grandi, pre-generazione di sistemi fluidi multifase per la visualizzazione in situ di fluidi complessi in mezzi permeabili. Marre e colleghi discutono dell'uso di un microreattore di vetro per studiare la chimica ad alta pressione e i processi dei fluidi supercritici²⁰. Includono risultati come simulazione a elementi finiti della distribuzione delle sollecitazioni per esplorare il comportamento meccanico dei dispositivi modulari sotto il carico. Utilizzano connessioni modulari non permanenti per la fabbricazione di microreattori intercambiabili e i dispositivi microfluidici silicio/Pyrex non sono trasparenti; questi dispositivi sono adatti per lo studio cinematico, la sintesi e la produzione in ingegneria della reazione chimica in cui la visualizzazione non è una preoccupazione primaria. La mancanza di trasparenza rende questa piattaforma inadatta alla visualizzazione diretta e in situ di fluidi complessi nei media surrogati. Paydar e colleghi presentano un nuovo modo di prototipare microfluidica modulare utilizzando la stampa 3D²¹. Questo approccio non sembra adatto per applicazioni ad alta pressione poiché utilizza un polimero fotocurabile e i dispositivi sono in grado di resistere solo fino a 0,4 MPa. La maggior parte degli studi sperimentali microfluidici relativi al trasporto in sistemi fratturati riportati in letteratura si concentrano sulla temperatura ambiente e sulle condizioni di pressione relativamente bassa¹. Ci sono stati diversi studi con particolare attenzione all'osservazione diretta di sistemi microfluidici che imitano le condizioni del sottosuolo. Ad esempio, Jimenez-Martinez e colleghi introducono due studi sui meccanismi critici di flusso e trasporto dei pori in una complessa rete di fratture e matrici^22,23. Gli autori studiano sistemi trifase che utilizzano microfluidica in condizioni di serbatoio (8,3 MPa e 45 °C) per l'efficienza produttiva; valutano scCO₂ per la ristimolazione in cui la salamoia avanzi di una fratturazione precedente è immiscibile con CO₂ e l'idrocarburo residuo²³. I dispositivi microfluidici al silicio umido ad olio hanno rilevanza per la miscelazione di oil-brine-scCO₂ nelle applicazioni Enhanced Oil Recovery (EOR); tuttavia, questo lavoro non affronta direttamente la dinamica della scala dei pori nelle fratture. Un altro esempio è il lavoro di Rognmo et al.₂ generazione di schiuma²⁴. La maggior parte dei rapporti in letteratura che sfruttano la microfabbricazione si occupano di CO₂-EOR e spesso non includono importanti dettagli di fabbricazione. Per quanto ne so, manca attualmente dalla letteratura un protocollo sistematico per la fabbricazione di dispositivi capaci di alta pressione per formazioni fratturate.

Questo lavoro presenta una piattaforma microfluidica che consente lo studio di strutture in schiuma scCO_2, forme a bolle, dimensioni e distribuzione, stabilità della lamella in presenza di olio per applicazioni di fratturazione e correzione idraulica e falde acquifera. Vengono discussi la progettazione e la fabbricazione di dispositivi microfluidici utilizzando litografia ottica e Etching²⁹ (LES) indotto dal laser selettivo. Inoltre, questo lavoro descrive i modelli di frattura che hanno lo scopo di simulare il trasporto di fluidi in formazioni strette fratturate. Le vie simulate possono variare da modelli semplificati a microfese complesse basate su dati tomografici o altri metodi che forniscono informazioni sulle geometrie realistiche delle fratture. Il protocollo descrive istruzioni dettagliate di fabbricazione per dispositivi microfluidici in vetro che utilizzano fotolitografia, incisione a umido e incollaggio termico. Una sorgente luminosa collimata Ultra-Violet (UV) sviluppata internamente viene utilizzata per trasferire i motivi geometrici desiderati su un sottile strato di fotoresist, che viene infine trasferito sul substrato di vetro utilizzando un processo di incisione a umido. Come parte della garanzia della qualità, i modelli incisi sono caratterizzati utilizzando la microscopia confocale. In alternativa alla fotolitografia/wet-intching, viene utilizzata una tecnica SLE per creare un dispositivo microfluidico e viene presentata un'analisi comparativa delle piattaforme. La configurazione per esperimenti di flusso comprende bombole e pompe di gas, regolatori di pressione e trasduttori, miscelatori e accumulatori di fluidi, dispositivi microfluidici, supporti in acciaio inossidabile ad alta pressione insieme a una telecamera ad alta risoluzione e un sistema di illuminazione. Infine, vengono presentati campioni rappresentativi di osservazioni provenienti da esperimenti di flusso.

Protocollo

ATTENZIONE: Questo protocollo prevede la gestione di una configurazione ad alta pressione, un forno ad alta temperatura, sostanze chimiche pericolose e luce UV. Si prega di leggere attentamente tutte le schede di dati di sicurezza dei materiali pertinenti e seguire le linee guida sulla sicurezza chimica. Esaminare le linee guida di sicurezza per i test di pressione (idrostatici e pneumatici), compresa la formazione richiesta, il funzionamento sicuro di tutte le apparecchiature, i rischi associati, i contatti di emergenza, ecc. prima di iniziare il processo di iniezione.

1. Progettare motivi geometrici

1. Progettare una maschera fotografica contenente caratteristiche geometriche e percorsi di flusso di interesse (Figura 1, File supplementare 1: Figura S1).
2. Definite il riquadro di delimitazione (superficie del dispositivo) per identificare l'area del substrato e limitare il progetto alle dimensioni del mezzo desiderato.
3. Progettare porte di ingresso/uscita. Scegliere le dimensioni della porta (ad esempio, 4 mm di diametro in questo caso) per ottenere una distribuzione relativamente uniforme della schiuma prima di entrare nel mezzo(Figura 1).
4. Preparare una maschera fotografica del motivo geometrico progettato stampando il design su un foglio di pellicola trasparente o su un substrato di vetro.
   1. Estrudete il progetto bidimensionale alla terza quota e incorporate le porte di ingresso e uscita (da utilizzare in LES).
      NOTA: La tecnica SLE richiede un disegno tridimensionale (Figura 2).

2. Trasferire i motivi geometrici sul substrato di vetro utilizzando la fotolitografia

NOTA: Le incisioni e le soluzioni piranha devono essere gestite con estrema cura. Si raccomanda l'uso di dispositivi di protezione individuale, tra cui respiratore riutilizzabileper il facepiece, occhiali, guanti e l'uso di pinzette resistenti all'acido/corrosione (Tabella dei materiali).

1. Preparare le soluzioni necessarie nel processo di incisione a umido seguendo questa procedura (vedere anche le informazioni elettroniche di supporto fornite come file complementare 1).
   1. Versare una quantità adeguata di soluzione di incisione cromata in un becher in modo che il substrato possa essere immerso nell'incisione. Riscaldare il fluido a circa 40 °C.
   2. Preparare una soluzione di sviluppatore(Table of Materials)in acqua deionizzata (acqua DI) con un rapporto volumetrico di 1:8 in modo che il substrato sia in grado di essere completamente immerso nella miscela.
2. Imprimere il motivo geometrico su un substrato borosilicato rivestito con uno strato di cromo e uno strato di fotoresist usando l'irradiazione UV.
   1. Utilizzando mani guantate, posizionare la maschera (substrato di vetro o la pellicola trasparente recante il motivo geometrico) direttamente sul lato del substrato borosilicato ricoperto di cromo e fotoresist.
   2. Posizionare la combinazione maschera fotografica e substrato sotto la luce UV con la maschera fotografica rivolta verso la sorgente.
      NOTA: Questo lavoro utilizza la luce UV con una lunghezza d'onda di 365 nm (per corrispondere alla sensibilità di picco del fotoresist) e ad un'intensità media di 4,95 mW / cm².
   3. Trasferire il motivo geometrico nello strato di fotoresist esponendo la pila del substrato e la maschera alla luce UV.
      NOTA: Il tempo di esposizione ottimale è una funzione dello spessore dello strato fotoresist e della resistenza della radiazione UV. Photoresist è sensibile alla luce e l'intero processo di imprinting del motivo deve essere eseguito in una stanza buia dotata di illuminazione gialla.
3. Sviluppa il fotoresist.
   1. Rimuovere la maschera fotografica e la pila di substrati dallo stadio UV utilizzando le mani guantate.
   2. Rimuovere la maschera fotografica e immergere il substrato nella soluzione sviluppatore per circa 40 s, trasferendo così il modello al fotoresist.
   3. Risciacquare a cascata il substrato scorrono acqua DI dalla parte superiore del substrato e su tutte le sue superfici almeno tre volte e lasciare asciugare il substrato.
4. Incidere il motivo nel livello cromato.
   1. Immergere il substrato in un incisione cromato riscaldato a circa 40 °C per circa 40 s, trasferendo così il motivo dal fotoresist allo strato cromato.
   2. Rimuovere il substrato dalla soluzione, sciacquare a cascata il substrato utilizzando acqua DI e lasciare asciugare.
5. Incidere il modello nel substrato borosilicato.
   NOTA: Un incisore tamponato (Table of Materials) viene utilizzato per trasferire il motivo geometrico al substrato di vetro. Prima dell'uso dell'incisione tamponata, il retro del substrato viene rivestito con uno strato di fotoresist per proteggerlo dall'incisore. Lo spessore di questo strato protettivo è irrilevante per il processo complessivo di fabbricazione.
   1. Utilizzando un pennello, applicare diversi strati di esametildisilazane (HMDS) sulla faccia scoperta del substrato e lasciare asciugare.
      NOTA: L'HMDS aiuta a promuovere l'adesione del fotoresist alla superficie del substrato borosilicato.
   2. Applicare uno strato di fotoresist sopra il primer. Posizionare il substrato in un forno a 60\u201290 °C per 30-40 min.
   3. Versare una quantità adeguata dell'incisione in un contenitore di plastica e immergere completamente il substrato nell'incisione.
      NOTA: Il tasso di incisione è influenzato dalla concentrazione, dalla temperatura e dalla durata dell'esposizione. L'incisione memorizzata nel buffer utilizzata in questo lavoro è in media di 1\u201210 nm/min.
   4. Lasciare il substrato modellato nella soluzione di incisione per un periodo di tempo predeterminato in base alle profondità del canale desiderate.
      NOTA: Il tempo di incisione può essere ridotto dalla sonicazione intermittente del bagno della soluzione.
   5. Rimuovere il substrato dall'incisione utilizzando una coppia di pinzette resistente ai solventi e sciacquare a cascata il substrato utilizzando acqua DI.
   6. Caratterizzare le feature incise sul substrato per garantire che siano state raggiunte le profondità desiderate.
      NOTA: Questa caratterizzazione può essere eseguita utilizzando un microscopio confocale a scansione laser (Figura 3). In questo lavoro, viene utilizzato un ingrandimento 10x per l'acquisizione dei dati. Una volta che le profondità del canale sono soddisfacenti, passare alla fase di pulizia e incollaggio.

3. Pulire e legare

1. Rimuovere i livelli fotoresist e cromati.
   1. Rimuovere il fotoresist dal substrato esponendo il substrato a un solvente organico, come la soluzione N-Metil-2-pirrolidone (NMP) riscaldata utilizzando una piastra calda sotto una cappa a circa 65 °C per circa 30 minuti.
   2. Risciacquare a cascata il substrato con acetone (grado ACS), seguito da etanolo (grado ACS) e acqua DI.
   3. Posizionare il substrato pulito in incisione cromata riscaldata utilizzando una piastra calda sotto una cappa a circa 40 °C per circa 1 minuto, rimuovendo così lo strato cromato dal substrato.
   4. Una volta che il substrato è privo di cromo e fotoresist, caratterizzare le profondità del canale utilizzando la microscopia confocale a scansione laser.
      NOTA: questo lavoro utilizza un ingrandimento di 10 volte per l'acquisizione dei dati (Figura 4).
2. Preparare la piastra di copertura e il substrato inciso per l'incollaggio.
   1. Contrassegnare le posizioni dei fori di ingresso/uscita su un substrato di borosilicato vuoto (piastra di copertura) allineando la piastra di copertura contro il substrato inciso.
   2. Fai esplodere i fori attraverso le posizioni contrassegnate utilizzando un sabbiatore micro abrasivo e un supporto di micro sabbiatura in alluminio-ossido da 50 μm.
      NOTA: In alternativa, le porte possono essere create utilizzando un trapano meccanico.
   3. Risciacquare a cascata sia il substrato inciso che la piastra di copertura con acqua DI.
   4. Eseguire una procedura di pulizia dei wafer RCA per rimuovere i contaminanti prima dell'incollaggio utilizzando la tecnica standard. Eseguire le fasi di pulizia del wafer sotto una cappa a causa della volatilità delle soluzioni coinvolte nel processo.
   5. Portare a ebollizione una soluzione piranha 1:4 per volume H₂O 2 :H₂SO₄ e immergere il substrato e la piastra di copertura nella soluzione per 10 minuti sotto un cappuccio.
   6. Risciacquare a cascata il substrato e la piastra di copertura con acqua DI.
   7. Immergere il substrato e la piastra di copertura nell'incisione tamponata per 30-40 s.
   8. Risciacquare a cascata il substrato e la piastra di copertura con acqua DI.
   9. Immergere il substrato e la piastra di copertura per 10 minuti in una soluzione 6:1:1 per volume DI acqua:H₂O₂:HCl che viene riscaldata a circa 75 °C.
      NOTA: L'incisione e l'incollaggio vengono preferibilmente eseguiti in una camera bianca. Se una camera bianca non è disponibile, si consiglia di eseguire i seguenti passaggi in un ambiente privo di polvere. In questo lavoro, i passaggi 3.2.9–3.2.12 vengono eseguiti in un portaoggetti per ridurre al minimo la possibilità di contaminazione dei substrati.
   10. Premere saldamente il substrato e la piastra di copertura l'uno contro l'altro mentre sono sommersi.
   11. Rimuovere il substrato e la piastra di copertura dalla soluzione DI water:H₂O₂:HCl. Risciacquare a cascata con acqua DI e immergersi nell'acqua DI.
   12. Assicurarsi che il substrato e la piastra di copertura siano saldamente attaccati insieme e rimuovere accuratamente i due mentre vengono premuti uno contro l'altro dall'acqua DI.
3. Legare termicamente i substrati.
   1. Posizionare i substrati impilati (il substrato inciso e la piastra di copertura) tra due piastre lisce, spesse 1,52 cm, vetro-ceramica per l'incollaggio.
   2. Posizionare le lastre vetro-ceramica tra due piastre metalliche in Lega X(Tavolo dei Materiali),in grado di resistere alle temperature richieste senza distorsioni significative.
   3. Centrare i wafer di vetro nel supporto ceramico-metallico.
      NOTA: Questo lavoro utilizza lastre in vetro-ceramica di spessore di 10 cm x 10 cm x 1,52 cm. La configurazione in pila è protetta utilizzando bulloni e dadi da 1/4"(Figura 5).
   4. Stringere a mano i dadi e posizionare il supporto in una camera a vuoto per 60 min a circa 100 °C.
   5. Rimuovere il supporto dalla camera e stringere accuratamente i dadi utilizzando circa 10 libbre di coppia.
   6. Posizionare il supporto all'interno di un forno ed eseguire il seguente programma di riscaldamento. Aumentare la temperatura a 1 °C/min fino a 660 °C; mantenere la temperatura costante a 660 °C per 6 ore seguita da una fase di raffreddamento a circa 1 °C/min fino alla temperatura ambiente.
   7. Rimuovere il dispositivo microfluidico legato termicamente, sciacquarlo con acqua DI, posizionarlo in HCl (12,1 M) e fare il bagno sonicato (40 kHz a 100 W di potenza) la soluzione per un'ora(Figura 6).

4. Fabbricare dispositivi microfluidici in vetro incisi al laser

NOTA: La fabbricazione del dispositivo è stata eseguita da un servizio di stampa 3D in vetro di terze parti(Tavolo dei materiali)tramite un processo SLE e utilizzando un substrato di silice fuso come precursore.

1. Scrivi il modello desiderato in un substrato di silice fuso usando un raggio laser polarizzato linearmente orientato perpendicolarmente allo stadio generato attraverso una sorgente laser femtosecondo con una durata dell'impulso di 0,5 ns, una frequenza di ripetizione di 50 kHz, energia di impulso di 400 nJ e una lunghezza d'onda di 1,06 μm.
2. Rimuovere il vetro dal motivo scritto all'interno del substrato di silice fuso utilizzando una soluzione KOH (32 wt%) a 85 °C con sonicazione ad ultrasuoni(Figura 7).

5. Eseguire test ad alta pressione

1. Saturare il dispositivo microfluidico con il fluido residente (ad esempio, acqua DI, soluzione tensioattiva, olio, ecc. a seconda del tipo di esperimento) utilizzando una pompa per siringhe.
2. Preparare fluidi generatori di schiuma e strumenti correlati.
   1. Preparare la soluzione di salamoia (fluido residente) con la salinità desiderata e sciogliere il tensioattivo (come lauramidopropil betaina e alfa-olefine-sulfonato) con la concentrazione desiderata (in base alla concentrazione critica di micelle del tensioattivo) nella salamoia.
   2. Riempire i serbatoi delle pompe di CO₂ e acqua con quantità adeguate di fluidi per l'esperimento a temperatura ambiente.
   3. Riempire l'accumulatore di salamoia e le linee di flusso con la soluzione tensioattiva utilizzando una siringa. Questo lavoro utilizza un accumulatore con una capacità di 40 mL.
   4. Risciacquare la linea di salamoia con la soluzione di salamoia.
   5. Risciacquare la linea che collega l'accumulatore al dispositivo e le linee di uscita con il fluido residente (la soluzione di salamoia in questo caso).
   6. Posizionare il dispositivo microfluidico saturo in un supporto resistente alla pressione e collegare le porte di ingresso/uscita alle linee appropriate utilizzando tubi di diametro interno da 0,010" (Figura 8, File supplementare 1: Figura S5).
   7. Aumentare la temperatura del bagno circolante, che controlla la temperatura delle linee di salamoia e CO_2, alla temperatura desiderata (ad esempio, 40 °C qui (Figura 9)).
   8. Controllare tutte le linee per garantire l'integrità della configurazione prima dell'iniezione.
3. Genera la schiuma.
   1. Iniziare a iniettare la salamoia ad una velocità di 0,5 mL/min e controllare il flusso di soluzione tensioattiva nel dispositivo e nella linea di retropressione.
   2. Aumentare contemporaneamente la contropressione e la pressione della pompa di salamoia in fasi graduali (~ 0,006 MPa/s) mantenendo il flusso continuo dall'uscita del regolatore di contropressione (BPR). Aumentare la pressione fino a ~7,38 MPa (pressione scCO_{2 minima richiesta)} e arrestare le pompe.
   3. Aumentare la pressione della linea di CO₂ fino a una pressione superiore a 7,38 MPa (pressione minima di scCO_2).
   4. Aprire la valvola di CO 2 e lasciare che lo scCO_{2 miscelato} con la soluzione tensioattiva ad alta pressione fluisco_attraverso un miscelatore in linea per generare schiuma.
   5. Attendere che il flusso sia completamente sviluppato all'interno del dispositivo e che i canali siano saturi. Monitorare l'uscita per l'inizio della generazione di schiuma.
      NOTA: Le porte ausiliarie possono essere utilizzate per aiutare a pre-saturare completamente il mezzo con il fluido residente (Figura 1). Incongruenze nel tasso di accumulo di pressione e improvvisi aumenti della BPR possono portare a rotture (figura 10). Le pressioni del fluido e la contropressione devono essere sollevate gradualmente per ridurre al minimo il rischio di danni al dispositivo.
4. Eseguire l'imaging in tempo reale e l'analisi dei dati.
   1. Accendi la fotocamera per acquisire immagini dettagliate del flusso all'interno dei canali. Questo lavoro utilizza una fotocamera dotata di un sensore full-frame da 60 megapixel, monocromatico.
   2. Avviare il software di controllo dell'otturatore dedicato(Table of Materials). Selezionare una velocità dell'otturatore di 1/60, un rapporto focale (numero f) di f/8,0 e selezionare l'obiettivo appropriato.
   3. Avviare il software dedicato alla fotocamera (Table of Materials). Selezionare la fotocamera, il formato desiderato (ad esempio, IIQL) e un'impostazione ISO di 200 nel menu a discesa sotto l'impostazione "CAMERA" del software.
   4. Regolare la distanza di lavoro della fotocamera sul mezzo in base alle esigenze per concentrarsi sul mezzo. Acquisire immagini a intervalli di tempo prescritti premendo il pulsante di acquisizione nel software.
5. Depressurizzare il sistema in condizioni ambientali.
   1. Interrompere l'iniezione (pompe di gas e liquidi), chiudere le entrate della pompa di CO₂ e salamoia, aprire il resto delle valvole di linea e spegnere i riscaldatori.
   2. Diminuire gradualmente la contropressione (ad esempio, ad una velocità di 0,007 MPa/s) fino a quando il sistema non raggiunge le condizioni di pressione ambiente. Ridurre separatamente le pressioni della pompa di_{salamoia e CO 2.}
      NOTA: La diminuzione della pressione scCO₂ può comportare un deflusso BPR incoerente o turbolento, pertanto il prelievo di pressione deve essere eseguito con la necessaria cura.
6. Pulire accuratamente il dispositivo microfluidico dopo ogni esperimento secondo necessità scorrono la seguente sequenza di soluzioni attraverso il mezzo: isopropanolo/etanolo/acqua (1:1:1), soluzione HCl da 2 M, acqua DI, una soluzione di base (ACQUA DI/NH₄OH/H₂O₂ a 5:5:1) e acqua DI.
7. Post-processo immagini raccolte.
   1. Isolare lo scape dei pori escludendo lo sfondo dalle immagini.
   2. Correggere piccoli disallineamenti eseguendo la trasformazione prospettica e implementando una strategia di soglia locale in base alle esigenze per tenere conto dell'illuminazione non^{uniforme 28}_.
   3. Calcola parametri geometrici e statistici rilevanti per l'esperimento come la dimensione media della bolla, la distribuzione delle dimensioni della bolla e la forma della bolla per ogni immagine microstrutturale in schiuma nel canale.

Risultati

Questa sezione presenta esempi di osservazioni fisiche dal flusso di schiuma scCO_{2 attraverso} una frattura principale collegata a una serie di micro-crepe. Un dispositivo microfluidico in vetro realizzato tramite fotolitografia o LES è collocato all'interno di un supporto e nel campo visivo di una fotocamera dotata di un sensore da 60 megapixel, monocromatico, full-frame. La figura 11 illustra il processo di fabbricazione dei dispositivi microfluidici e il loro posizionamento nel...

Discussione

Questo lavoro presenta un protocollo relativo a una piattaforma di fabbricazione per creare dispositivi microfluidici in vetro robusti e ad alta pressione. Il protocollo presentato in questo lavoro allevia la necessità di una camera bianca eseguendo diverse delle fasi finali di fabbricazione all'interno di un portaoggetti. L'uso di una camera bianca, se disponibile, è consigliato per ridurre al minimo il potenziale di contaminazione. Inoltre, la scelta dell'incisione deve essere basata sulla rugosità superficiale desi...

Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
1/4” bolts and nuts			For fabrication of the metallic plates to sandwich the glass chip between them for thermal bonding
3.45 x 3.45 mm UV LED	Kingbright		To emitt LED light
3D measuring Laser microscope	OLYMPUS	LEXT OLS4000	To measure channel depths
40 mm x 40 mm x 10 mm 12V DC Cooling Fan	Uxcell		To cool the UV LED lights
120 mm x 38 mm 24V DC Cooling Fan	Uxcell		To cool the UV LED lights
5 ml (6 ml) NORM-JECT Syringe	HENKE SASS WOLF	Lot #16M14CB	To rinse the chip before each experiment
Acetone (Certified ACS)	Fisher Chemical	Lot #177121	For cleaning
Acid/ corossion resistive tweezer	TED PELLA		To handle the glass piece in corosive solutions
Acid/solvent resistance tweezers	TED PELLA, INC	#53009 and #53010	To handle the glass in corrosive solutions
Alloy X	AMERICAN SPECIAL METALS	Heat Number: ZZ7571XG11
Ammonium hydroxide (ACS reagent)	Sigma Aldrich	Lot #SHBG9007V	To clean the chip at the end of process
AutoCAD	Autodesk, San Rafael, CA		To design 2D patterns and 3D chips
BD Etchant for PSG-SiO2 systems	TRANSENE	Lot #028934	An improved buffered etch formulation for delineation of phosphosilica glass – SiO2 (PSG), and borosilica glass – SiO2 (BSG) systems
Blank Borofloat substrate	TELIC	CG-HF	Upper substrate for UV etching
Borofloat substrate with metalizations	TELIC	PG-HF-LRC-Az1500	Lower substrate for UV etching
Capture One photo editing software	Phase One		To Capture/Edit/Convert the pictures taken by Phase One Camera
Capture station	DT Scientific	DT Versa	To place of the chip in the field of view of the camera
Carbon dioxide gas (Grade E)	PRAXAIR	UN 1013, CAS Number 124-38-9	non-aqeous portion of foam
Chromium etchant 1020	TRANSENE	Lot #025433	High-purity ceric ammonium nitrate systems for precise, clean etching of chromium and chromium oxide films.
Circulating baths with digital temperature controller	PolyScience		To control the brine and CO2 temperatures
CO2	Airgas	100% pure - 001013 - CAS: 124-38-9	For CO2/scCO2 injection
Computer		NVIDIA Tesla K20 Graphic Card - 706 MHz Core - 5 GB GDDR5 SDRAM - PCI Express 2.0 x16	To process and visualize the images obtained via the Phase One camera
Custom made high pressure glass chip holder			To tightly hold the chip and its connections for high pressure testing
Cutrain (Custom)			To protect against UV/IR Radiations
Deionized water (DI)			For cleaning
Digital camera with monochromatic 60 MP sensor	Phase One	IQ260	Visualization system
Ethanol, Anhydrous, USP Specs	DECON LABORATORIES, INC.	Lot #A12291505J, CAS# 64-17-5	For cleaning
Facepiece reusable respirator	3M	6502QL, Gases, Vapors, Dust, Medium	To protect against volatile solution inhalation
Fused Silica (UV Grade) wafer	SIEGERT WAFER	UV grade	Glass precursor for SLE printing
GIMP	Open-source image processing software		To characterize image texture and properties
Glovebox (vinyl anaerobic chamber)	Coy		To provide a clean, dust-free environment
Heated ultrasonic cleaning bath	Fisher Scientific		To accelerate the etching process
Hexamethyldisilazane (HMDS) Cleanroom® MB	KMG	62115	Primer for photoresist coating
Hose (PEEK tubing)	IDEX HEALTH & SCIENCE	Natural 1/16" OD x .010" ID x 5ft, Part # 1531	Flow connections
Hydrochloric acid, certified ACS plus	Fisher Chemical	Lot # 187244	Solvent in RCA semiconductor cleaning protocol
Hydrogen Peroxide	Fisher Chemical	H325-500	Solvent in RCA semiconductor cleaning protocol
ImageJ	NIH		To characterize image texture and properties
ISCO syringe pump	TELEDYNE ISCO	D-SERIES (100DM, 500D)	To pump the fluids
Kaiser LED light box	Kaiser		To illuminate the chip
Laser printing machine	LightFab GmbH, Germany.	FILL	Glass-SLE chip fabrication
Laser safety glasses	FreeMascot	B07PPZHNX4	To protect against UV/IR Radiations
LED Engin 5W UV Lens	LEDiL		To emitt LED light
Light Fab 3D Printer (femtosecond laser)	Light Fab		To selectively laser Etch of fused silica
LightFab 3D printer	LightFab GmbH, Germany		To SLE print the fused silica chips
MATLAB	MathWorks, Inc., Natick, MA		To characterize image texture and properties
Metallic plates
Micro abrasive sand blasters (Problast 2)	VANIMAN	Problast 2 – 80007	To craete holes in cover plates
MICROPOSIT 351 developer	Dow	10016652	Photoresist developer solution
Muffle furnace	Thermo Scientific	Thermolyne Type 1500	Thermal bonding
N2 pure research grade	Airgas	Research Plus - NI RP300	For drying the chips in each step
NMP semiconductor grade - 0.1μm Filtered	Ultra Pure Solutions, Inc	Lot #02191502T	Organic solvent
Oven	Gravity Convection Oven	18EG
Phase One IQ260 with an achromatic sensor	Phase One	IQ260	To visulize transport in microfluidic devices using an ISO 200 setting and an aperture at f/8.
Photomask	Fine Line Imaging	20,320 DPI FILM	Pattern of channels
Photoresist (SU-8)	MICRO CHEM	Product item: Y0201004000L1PE, Lot Number: 18110975	Photoresist
Polarized light microscope	OLYMPUS	BX51	Visual examination of micro channels
Ports (NanoPort Assembly)	IDEX HEALTH & SCIENCE	NanoPort Assembly Headless, 10-32 Coned, for 1/16" OD, Part # N-333	Connections to the chip
Python	Python Software Foundation		To characterize image texture and properties
Safety face shield	Sellstrom	S32251	To protect against UV/IR Radiations
Sealing film (Parafilm)	Bemis Company, Inc		Isolation of containers
Shutter Control Software	Schneider-Kreuznach		To adjust shutter settings
Smooth ceramic plates
Stirring hot plate	Corning®	PC-620D	To heat the solutions
Sulfuric acid, ACS reagent 95.0-98.0%	Sigma Aldrich	Lot # SHBK0108	Solvent in RCA semiconductor cleaning protocol
Syringe pump (Standard Infuse/Withdraw PHD ULTRA)	Harvard Apparatus	70-3006	To saturate the chip before each experiment
Torque wrench	Snap-on	TE25A-34190	To tighten the screws
UV power meter	Optical Associates, Incorporated	Model 308	To measure the intesity of UV light
UV power meter	Optical Associates, Incorporated	Model 308	To quantify the strength of UV light
UV radiation stand (LED lights)			To transfer the pattern to glass (photoresist layer)
Vaccum pump	WELCH VACCUM TECHNOLOGY, INC	1380	To dry the chip
Variable DC power supplies	Eventek	KPS305D	To power the UV LED lights