Fabricação e Visualização de Pontes Capilares em Geometria de Poros Cortados

Resumo

Um procedimento para criar e imagem pontes capilares na geometria de fenda-poros é apresentado. A criação de pontes capilares conta com a formação de pilares para proporcionar uma heterogeneidade física e química direcional para fixar o fluido. Pontes capilares são formadas e manipuladas usando microestálulas e visualizadas usando uma câmera CCD.

Resumo

Um procedimento para criar e imagem pontes capilares na geometria de fenda-poros é apresentado. Pilares hidrofóbicos de alta proporção são fabricados e funcionalizados para tornar suas superfícies superiores hidrofílicas. A combinação de uma característica física (o pilar) com um limite químico (o filme hidrofílico no topo do pilar) fornece uma heterogeneidade física e química que fixa a linha de contato triplo, uma característica necessária para criar pontes capilares longas e estreitas estáveis. Os substratos com os pilares são anexados a lâminas de vidro e fixados em suportes personalizados. Os suportes são então montados em microestácções de quatro eixos e posicionados de tal forma que os pilares são paralelos e voltados uns para os outros. As pontes capilares são formadas pela introdução de um fluido na distância entre os dois substratos, uma vez que a separação entre os pilares voltados foi reduzida a algumas centenas de micrômetros. O microestálula personalizado é então empregado para variar a altura da ponte capilar. Uma câmera CCD está posicionada para visualizar o comprimento ou a largura da ponte capilar para caracterizar a morfologia da interface do fluido. Pilares com larguras até 250 μm e comprimentos de até 70 mm foram fabricados com este método, levando a pontes capilares com proporções (comprimento/largura) de mais de 100¹.

Introdução

O estudo da forma e das forças resultantes causadas por pontes capilares tem sido objeto de extensos estudos^2-7. Inicialmente, a maioria dos esforços foi focada, devido à sua simplicidade, em pontes capilares capilares de eixos. Muitas vezes pontes capilares que ocorrem em sistemas naturais, como as encontradas em mídias granulares e porosas^8,9 e pontes empregadas em aplicações tecnológicas, como para automontagem capilar em tecnologias de flip chip^10-15 são assimétricas com propriedades de molhar não uniforme nas superfícies interativas. A combinação de técnicas aprimoradas de litografia, juntamente com a acessibilidade de ferramentas numéricas simples para modelar interfaces fluidas permite a criação e modelagem de pontes capilares com crescente complexidade.

Pontes capilares na geometria de porose oferecem um compromisso interessante: as propriedades de molhar direcionais levam a pontes nãoximétricas que retêm alguns planos de simetria (o que simplifica a análise). Eles têm sido estudados teoricamente e numericamente como um estudo de caso para a mídia porosa. Estudos experimentais sistemáticos de pontes capilares na geometria de poros cortados têm, no entanto, sido limitados. Aqui apresentamos um método para criar e caracterizar pontes capilares na geometria dos poros cortados. Resumidamente, o método consiste em 1) a fabricação de pilares para criar uma heterogeneidade química e física, 2) o desenho de um microestácia para alinhar e manipular as pontes, e 3) a imagem das pontes capilares tanto da frente quanto das laterais para caracterizar sua morfologia. A caracterização da morfologia da ponte, juntamente com comparações com simulações de evoludores de superfície são fornecidas em uma publicação separada¹.

Protocolo

O texto do protocolo é dividido em três seções principais: 1) a fabricação dos pilares PDMS (polidimimetilsiloxano), 2) a funcionalidade dos topos dos pilares, e 3) a formação e caracterização das pontes capilares.

1. Fabricação dos Pilares PDMS

Esta seção detalha a fabricação dos pilares PDMS usando fundição de die com um molde de silício/SU-8.

1. Fabricação de molde de silício/SU-8
   1. Coloque um 4 limpo em wafer de silício em uma placa Pyrex Petri.
   2. Prepare uma solução de ácido sulfúrico 4:1 (em volume) para peróxido de hidrogênio (piranha) em um béquer separado.
      Nota: É necessário extrema cautela na preparação e utilização da solução piranha. A reação é altamente exotérmica e luvas isoladas serão necessárias para lidar com béquers. Piranha reage violentamente com orgânicos. Deixe a solução de piranha esfriar à temperatura ambiente antes de descartar. Apenas prepare a solução suficiente necessária para submergir o wafer no prato.
   3. Despeje lentamente a solução de piranha no wafer de silício até ficar completamente submersa. Deixe descansar por 15 minutos.
   4. Retire o wafer da placa de Petri e enxágue sob um fluxo de: água deionizada (DI) por 2 min, etanol por 30 segundos, acetona por 30 segundos, depois seque com nitrogênio.
      Nota: Se os resíduos de acetona forem um problema, recomenda-se uma lavagem adicional com IPA
   5. Seque o wafer em uma placa quente a 150 °C por 15 min.
   6. Retire da placa quente e deixe esfriar até a temperatura ambiente.
   7. Gire o casaco SU-8 2002 na superfície do wafer por 40 segundos a 500 rpm.
   8. Gire o casaco SU-8 2050 no wafer com um programa de revestimento de giro de duas etapas. Passo 1: 40 segundos a 500 rpm. Passo 2: 1 min a 1.500 rpm.
   9. Retire o wafer do revestimento de giro e coloque em uma placa de aquecimento pré-aquecido (65 °C) por 10 minutos.
   10. Deixe esfriar até a temperatura ambiente, em seguida, coloque máscara sobre wafer.
   11. Coloque sob lâmpada ultravioleta e exponha por 30 segundos a 200 watts.
   12. Remova a máscara e coloque o wafer em uma placa de aquecimento pré-aquecido (95 °C) por 10 minutos.
   13. Coloque na solução SU-8 Developer e levemente agitar até que todo o SU-8 não exposto tenha sido removido. Em seguida, enxágue em um fluxo de álcool isopropílico por 30 segundos, seque com nitrogênio.
   14. Coloque em uma placa de aquecimento pré-aquecido (95 °C) por 30 min para uma última cobake.
2. Fundição de die de pilares PDMS
   1. Misture vigorosamente uma proporção de massa de 10:1 de base sylgard-184 PDMS para agente de cura em béquer.
   2. Degas PDMS em uma câmara de vácuo até que todas as bolhas se foram.
   3. Coloque o molde fabricado na seção 1.1 em um grande 4 em prato de pesagem de plástico e despeje o PDMS.
   4. Coloque prato com PDMS e molde de volta na câmara de vácuo. Degas novamente até que todas as bolhas se foram.
   5. Coloque o prato inteiro em forno (pré-aquecido a 75 °C) por pelo menos 2 horas. Então deixe esfriar até a temperatura ambiente.
   6. Corte o prato do PDMS, e o PDMS do wafer de silício com uma lâmina de barbear reta.
   7. Corte a região do PDMS com os pilares do granel e armazene em uma placa de Petri limpa.

2. Funcionalização dos Topos dos Pilares

Este processo de três etapas envolve primeiro a evaporação de uma película de ouro em um wafer de silício, seguido pela litografia de transferência de impressão¹⁶ do filme de ouro para os pilares PDMS (fabricado na seção 1), e por último a funcionalização do filme de ouro com uma monocamada auto-montada para torná-lo hidrofílico.

1. Fabricação de ouro em bolachas de silício para litografia de transferência de impressão
   1. Use um cortador de vidro para colocar um 4 em wafer de silício circular em 4 pedaços igualmente dimensionados. Nota: Os wafers podem ser limpos usando as etapas 1.1.2-1.1.4 e reutilizados.
   2. Evaporar 20 nm de ouro diretamente no wafer de silício.
   3. Deixe o wafer na câmara de evaporação (ou em um dessecador) até que a seção 3 abaixo esteja completa. Isso manterá o wafer o mais limpo possível.
   4. Prepare uma solução de 8 μl:20 ml, (3-mercaptopropil)-trimetoxisilano (MPTS) : solução de tolueno em um frasco de vidro limpo.
   5. Prepare 200 ml de ácido clorídrico de 16 mM (HCl) em um béquer limpo.
   6. Coloque o wafer com filme de ouro no reator de plasma.
   7. Limpe o wafer usando plasma de oxigênio a uma pressão de 300 mTorr, potência de 50 W por 10 minutos.
      Nota: Para este procedimento foi utilizado um reator de plasma construído em casa.
   8. Coloque o wafer em uma placa Pyrex Petri cheia de 200 etanol à prova por pelo menos 10 minutos.
      Nota: Este passo é feito para remover quaisquer óxidos instáveis que se formam no ouro devido ao plasma de oxigênio.
   9. Enxágüe o wafer com etanol, depois seque com nitrogênio.
   10. Gire a solução MPTS no wafer a 500 rpm por 30 segundos, seguido por 2.750 rpm por 1 min.
       Nota: O MPTS é usado como uma camada de adesão entre o PDMS e a camada de ouro¹⁶.
   11. Tire o wafer do revestimento de giro e enxágue sob um fluxo de etanol. Em seguida, enxágue com água DI e seque com nitrogênio.
       Nota: Enxágüe suavemente para evitar a descascamento da camada de ouro do wafer de silício.
   12. Coloque o wafer em uma placa Pyrex Petri que contém solução HCl suficiente de 16 mM para submergir totalmente o wafer. Deixe em HCL por pelo menos 5 minutos.
       Nota: Coloque na solução suavemente para evitar que o ouro se retire.
       Nota: Isso é feito para melhorar a adesão entre o PDMS e a camada de ouro¹⁶.
   13. Remova o wafer da solução HCl e seque com nitrogênio.
       Nota: os wafers não devem ser usados mais do que 15-20 minutos após esta etapa estar completa.
2. Imprimir litografia de transferência do ouro de wafer para pilares PDMS
   1. Prepare um slide de vidro de 25 mm x 75 mm para cada amostra de PDMS enxaguando-a com etanol, água DI e secar com nitrogênio.
   2. Coloque pilares PDMS na câmara de plasma e realize plasma de oxigênio a uma pressão de 300 mTorr e potência de 50 W por 30 segundos.
      Nota: a superexposição do PDMS ao plasma de oxigênio causará rachaduras. Ajuste as condições do plasma de acordo.
   3. Amarre a parte de trás dos substratos PDMS aos slides de vidro limpos, aplicando pressão luminosa a eles. O slide de vidro facilita as manipulações dos pilares PDMS e a montagem no dispositivo descrito na etapa 3.
   4. Vire os substratos PDMS apoiados em vidro e pressione os pilares para baixo nas películas de ouro funcionalizadas pelo MPTS (passo 2.1). Aplique pressão moderada inicialmente e, em seguida, coloque um peso (aproximadamente 100 g) na lâmina de vidro para garantir o contato conformal.
   5. Deixe o substrato em contato com o wafer de silício por pelo menos 12 horas.
   6. Separe o substrato PDMS do wafer. Se o substrato PDMS estiver preso, use uma lâmina de barbear reta para arrancar cuidadosamente uma borda do PDMS do wafer.
   7. Neste ponto, uma película de ouro uniforme deve estar presente no topo dos pilares do PDMS. Use um microscópio óptico para verificar se a película de ouro não está rachada ou se não há partes faltando ao longo do pilar.
3. Funcionalização do ouro no topo dos pilares do PDMS
   1. Prepare o suficiente 1 mM de ácido mercaptohexadecanoico (MHA) em sulfóxido de dimetila (DMSO) para submergir totalmente o ouro em cima dos pilares do PDMS.
      Nota: O DMSO é usado para o seu fator de inchaço PDMS baixo¹⁷.
   2. Coloque os substratos PDMS na solução MHA e mantenha-os lá por pelo menos 24 horas.
   3. Remova o substrato da solução MHA e enxágue com água DI e depois seque com nitrogênio.
   4. Coloque na câmara de vácuo (pressão < 100 mTorr a 25 °C) por pelo menos 12 horas.

Nota: Para verificar se o processo de funcionalização foi bem sucedido, a etapa 2 pode ser realizada em uma peça a granel de PDMS (sem pilares) e o ângulo de molhar pode ser testado em um goniômetro. Os filmes de ouro MHA devem ter avançado e recuando ângulos de contato de água de <15° e ~0°, respectivamente. ¹⁸

3. Formação e Caracterização das Pontes Capilares

Esta seção detalha como uma ponte líquida pode ser introduzida entre dois substratos seguidos por sua caracterização através de imagens em diferentes alturas e volumes de fluidos.

1. Utilizando dois substratos de pilares (feitos nas etapas 1-2), coloque um na parte superior e outro nos suportes inferiores. Fixar os substratos usando parafusos de tensão lateral.
   Nota: veja a Figura 1 e os resultados representativos para detalhes do dispositivo.
2. Monte o dispositivo anexando o estágio superior do substrato à placa de pão de tal forma que o substrato superior esteja aproximadamente acima do substrato inferior. Diminua a altura entre os dois pilares voltados para cerca de 1mm.
3. Alinhamento áspero: usando os botões x, y e rotação no estágio inferior do substrato alinham (por olho) as tiras de ouro para os dois substratos de modo que sejam paralelas (olhando de cima para baixo através do substrato superior).
4. Alinhamento fino: posicione a câmera para olhar para baixo o comprimento do pilar PDMS. Usando o feed da câmera ao vivo na tela do computador, ajuste ainda mais a posição do substrato inferior para que os pilares sejam paralelos.
5. Mova a câmera para o lado oposto do dispositivo e repita o passo 3.4.
6. Diminua a separação entre os dois pilares até que o pilar superior faça contato com o pilar inferior (usando alimentação de câmera ao vivo). Zero o micro estágio digital. Isso será definido como uma altura de poros de zero.
7. Aumente a altura dos poros para aproximadamente 200 μm.
8. Prepare uma seringa com 1-5 μl de uma solução de 80% de glicerol, 20% de água. Coloque uma agulha de 30 G na extremidade da seringa, certificando-se de que nenhuma bolha de ar fique presa dentro da agulha.
   Nota: a mistura água/glicerol é usada para reduzir a evaporação durante o experimento. A água também pode ser empregada.
9. Monte a seringa no estágio de tradução de xyz de seringa com um grampo mecânico.
10. Ajuste os micrômetros no estágio de posicionamento da seringa para que a agulha se encaixe no poro cortado (paralelo ao comprimento dos pilares).
11. Diminua a altura do poro cortado para que as superfícies superior e inferior entrem em contato suavemente com a agulha. Isso garantirá que o líquido toque em ambas as superfícies e forme espontaneamente uma ponte capilar.
12. Distribua o líquido da seringa lentamente no poro cortado.
13. Use os micrômetros no estágio de posicionamento da seringa para remover a agulha do poro cortado.
    Nota: Neste ponto, a altura do poro cortado pode ser variada e a ponte líquida imagem.
    Nota: As imagens podem ser analisadas com o pacote de software de código aberto ImageJ.

Resultados

Descrição do dispositivo experimental

O dispositivo experimental pode ser dividido em quatro partes principais: 1) o estágio superior do substrato, 2) o estágio inferior do substrato, 3) o estágio de seringa/seringa xyz-tradução e 4) a câmera/óptica e o suporte da câmera. Os detalhes de cada um seguem:

1. Estágio de substrato superior. Um estágio de tradução digital é anexado a um grampo de montagem série P através de uma peça conectora personalizada. ...

Discussão

O método aqui apresentado fornece uma maneira de criar pontes capilares na geometria dos poros cortados, e também um método para a imagem dessas pontes para que sua morfologia possa ser analisada e comparada com simulação e teoria.

Este método incorpora alívio físico, bem como padronização química seletiva para criar propriedades de molhar assimétricas. Se apenas uma heterogeneidade química estiver presente, uma gota líquida permanecerá presa na heterogeneidade até que o ângul...

Materiais

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