Técnicas de fabricação microfluidica para testes de alta pressão do transporte de espuma de CO2 supercrítica de microescala em reservatórios não convencionais fraturados

Resumo

Este artigo descreve um protocolo juntamente com um estudo comparativo de duas técnicas de fabricação microfluida, a fotolitografia/gravura úmida/ligação térmica e Gravura Seletiva induzida por laser (SLE), que são adequadas para condições de alta pressão. Essas técnicas constituem plataformas de habilitação para observação direta do fluxo de fluidos em mídia permeável substituta e sistemas fraturados em condições de reservatório.

Resumo

Limitações de pressão de muitas plataformas microfluídicas têm sido um desafio significativo em estudos experimentais microfluidos de mídia fraturada. Como resultado, essas plataformas não foram totalmente exploradas para observação direta do transporte de alta pressão em fraturas. Este trabalho introduz plataformas microfluídicas que permitem a observação direta do fluxo multifásico em dispositivos com mídia permeável substituta e sistemas fraturados. Tais plataformas fornecem um caminho para abordar questões importantes e oportunas, como aquelas relacionadas à captura, utilização e armazenamento de CO_2. Este trabalho fornece uma descrição detalhada das técnicas de fabricação e uma configuração experimental que pode servir para analisar o comportamento da espuma supercrítica de CO₂ (scCO_2),sua estrutura e estabilidade. Tais estudos fornecem importantes insights sobre o aprimoramento dos processos de recuperação de óleo e o papel das fraturas hidráulicas na recuperação de recursos de reservatórios não convencionais. Este trabalho apresenta um estudo comparativo de dispositivos microfluidos desenvolvidos utilizando duas técnicas diferentes: fotolitografia/gravura úmida/ligação térmica versus Etching Selective induced a Laser. Ambas as técnicas resultam em dispositivos que são quimicamente e fisicamente resistentes e tolerantes a condições de alta pressão e temperatura que correspondem a sistemas subsuperfícies de interesse. Ambas as técnicas fornecem caminhos para microcanais gravados de alta precisão e dispositivos capazes de laboratório em chip. A fotolithografia/gravura úmida, no entanto, permite a fabricação de redes de canais complexas com geometrias complexas, o que seria uma tarefa desafiadora para técnicas de gravação a laser. Este trabalho resume um protocolo de fotolitografia passo a passo, gravura úmida e vidro e apresenta observações representativas do transporte de espuma com relevância para a recuperação do óleo de formações não convencionais de xisto e cilira. Finalmente, este trabalho descreve o uso de um sensor monocromático de alta resolução para observar o comportamento da espuma scCO₂ onde a totalidade do meio permeável é observada simultaneamente, preservando a resolução necessária para resolver características tão pequenas quanto 10 μm.

Introdução

A fratura hidráulica tem sido usada há algum tempo como forma de estimular o fluxo especialmente em formações apertadas¹. Grandes quantidades de água necessárias na fratura hidráulica são agravadas com fatores ambientais, problemas de disponibilidade de água^2,dano de formação^3,custo⁴ e efeitos sísmicos⁵. Como resultado, o interesse em métodos alternativos de fraturamento, como fraturas sem água e o uso de espumas está em ascensão. Métodos alternativos podem proporcionar benefícios importantes como a redução do uso da água^6,compatibilidade com formações sensíveis à água^7,mínimas para nenhuma conexão da formação^8,alta viscosidade aparente dos fluidos de fraturamento^9,reciclagem^10,facilidade de limpeza e capacidade de transporte proppant⁶. A espuma de CO₂ é um potencial fluido de fraturamento sem água que contribui para uma produção mais eficiente de fluidos de petróleo e melhores capacidades de armazenamento de CO₂ na subsuperfície com uma pegada ambiental potencialmente menor em comparação com as técnicas convencionais de fraturamento^6,7,11.

Em condições ideais, a espuma de CO₂ supercrítica (espuma scCO₂₎ em pressões além da pressão de miscibilidade mínima (MMP) de um determinado reservatório fornece um sistema miscível multi-contato que é capaz de direcionar o fluxo para partes menos permeáveis da formação, melhorando assim a eficiência de varredura e a recuperação dos recursos^12,13. o scCO₂ fornece gás como difusividade e líquido como a densidade¹⁴ e é adequado para aplicações subsuperficial, como recuperação de óleo e captura de carbono, utilização e armazenamento (CCUS)¹³. A presença dos constituintes de espuma na subsuperfície ajuda a reduzir o risco de vazamento no armazenamento a longo prazo de CO₂¹⁵. Além disso, os efeitos de choque térmicos de compressão acoplado dos sistemas de espuma scCO₂ podem servir como sistemas eficazes de fraturamento¹¹. As propriedades dos sistemas de espuma de CO₂ para aplicações subsuperficial têm sido estudadas extensivamente em diversas escalas, como a caracterização de sua estabilidade e viscosidade em sistemas de embalagem de areia e sua eficácia nos processos de deslocamento^{3,6,12,15,16,17}. A dinâmica da espuma de nível de fratura e suas interações com os meios porosos são aspectos menos estudados que são diretamente relevantes para o uso de espuma em formações apertadas e fraturadas.

As plataformas microfluídicas permitem a visualização direta e quantificação dos processos de microescala relevantes. Essas plataformas fornecem controle em tempo real da hidrodinâmica e reações químicas para estudar fenômenos em escala de poros ao lado de considerações de recuperação¹. A geração, a propagação, o transporte e a dinâmica podem ser visualizados em dispositivos microfluidos que emulam sistemas fraturados e vias condutoras de matriz de fraturas e microcracias relevantes para a recuperação do óleo de formações apertadas. A troca de fluidos entre fratura e matriz é expressa diretamente de acordo com a geometria¹⁸, destacando assim a importância de representações simplistas e realistas. Várias plataformas microfluídicas relevantes foram desenvolvidas ao longo dos anos para estudar diversos processos. Por exemplo, Tigglaar e colegas discutem a fabricação e testes de alta pressão de dispositivos microreatores de vidro através da conexão in-plane de fibras para testar o fluxo através de capilares de vidro conectados aos microreatores¹⁹. Eles apresentam seus achados relacionados à inspeção de títulos, testes de pressão e monitoramento de reação in-situ por ¹Espectroscopia H NMR. Como tal, sua plataforma pode não ser ideal para taxas de injeção relativamente grandes, pré-geração de sistemas de fluidos multifásico para visualização in situ de fluidos complexos em mídia permeável. Marre e colegas discutem o uso de um microrreator de vidro para investigar química de alta pressão e processos de fluidos supercríticos²⁰. Eles incluem resultados como uma simulação de elemento finito de distribuição de estresse para explorar o comportamento mecânico de dispositivos modulares sob a carga. Eles usam conexões modulares não permanentes para fabricação microreatorial intercambiável, e os dispositivos microfluidos de silício/Pyrex não são transparentes; estes dispositivos são adequados para estudos cinemáticos, síntese e produção em engenharia de reação química onde a visualização não é uma preocupação primária. A falta de transparência torna essa plataforma inadequada para visualização direta e in situ de fluidos complexos em meios substitutos. Paydar e colegas de trabalho apresentam uma nova maneira de protótipo de microfluidos modulares usando impressão 3D²¹. Esta abordagem não parece adequada para aplicações de alta pressão, uma vez que usa um polímero fotocurável e os dispositivos são capazes de suportar apenas até 0,4 MPa. A maioria dos estudos experimentais microfluidos relacionados ao transporte em sistemas fraturados relatados na literatura se concentram na temperatura ambiente e condições relativamente baixas de pressão¹. Houve vários estudos com foco na observação direta de sistemas microfluidos que imitam condições subsuperficial. Por exemplo, Jimenez-Martinez e colegas de trabalho introduzem dois estudos sobre mecanismos críticos de fluxo e transporte em escala de poros em uma complexa rede de fraturas e matriz^22,23. Os autores estudam sistemas trifásicos utilizando microfluidos em condições de reservatório (8,3 MPa e 45 °C) para eficiência de produção; eles avaliam scCO₂ uso para re-estimulação onde a salmoura restante de uma fratura anterior é imiscível com CO₂ e o hidrocarboneto residual²³. Dispositivos microfluidos de silício molhados a óleo têm relevância para a mistura de óleo-salmoura-scCO₂ em aplicações EOR (Enhanced Oil Recovery, recuperação aprimorada de óleo); no entanto, este trabalho não aborda diretamente a dinâmica em escala de poros em fraturas. Outro exemplo é o trabalho de Rognmo et al. que estudam uma abordagem upscaling para alta pressão, in situ CO₂ geração de espuma²⁴. A maioria dos relatórios na literatura que alavancam a microfabriação estão preocupados com CO₂-EOR e muitas vezes não incluem detalhes importantes de fabricação. Para o melhor do conhecimento dos autores, falta atualmente um protocolo sistemático para fabricação de dispositivos capazes de alta pressão para formações fraturadas.

Este trabalho apresenta uma plataforma microfluitária que permite o estudo de estruturas de espuma scCO_2, formas de bolhas, tamanhos e distribuição, estabilidade lamella na presença de óleo para EOR e aplicações hidráulicas de fraturamento e remediação de aquíferos. O design e a fabricação de dispositivos microfluidos utilizando litografia óptica e Gravura Seletiva induzida por laser²⁹ (SLE) são discutidos. Além disso, este trabalho descreve padrões de fratura que visam simular o transporte de fluidos em formações apertadas fraturadas. As vias simuladas podem variar de padrões simplificados a microcracks complexos com base em dados de tomografia ou outros métodos que fornecem informações sobre geometrias de fratura realistas. O protocolo descreve instruções passo a passo de fabricação para dispositivos microfluidos de vidro usando fotolitografia, gravura úmida e ligação térmica. Uma fonte de luz ultra-violeta (UV) desenvolvida internamente é usada para transferir os padrões geométricos desejados para uma fina camada de fotoresist, que é finalmente transferida para o substrato de vidro usando um processo de gravação molhada. Como parte da garantia de qualidade, os padrões gravados são caracterizados por meio de microscopia confocal. Como alternativa à fotolitografia/gravura molhada, uma técnica de SLE é empregada para criar um dispositivo microfluido e uma análise comparativa das plataformas é apresentada. A configuração para experimentos de fluxo compreende cilindros e bombas de gás, controladores de pressão e transdutores, misturadores e acumuladores de fluidos, dispositivos microfluidos, suportes de aço inoxidável capazes de alta pressão, juntamente com uma câmera de alta resolução e um sistema de iluminação. Finalmente, são apresentadas amostras representativas de observações de experimentos de fluxo.

Protocolo

ATENÇÃO: Este protocolo envolve o manuseio de uma configuração de alta pressão, um forno de alta temperatura, produtos químicos perigosos e luz UV. Leia cuidadosamente todas as fichas de segurança do material relevante e siga as diretrizes de segurança química. Revise as diretrizes de segurança de testes de pressão (hidrostática e pneumática), incluindo treinamento necessário, operação segura de todos os equipamentos, riscos associados, contatos de emergência, etc. antes de iniciar o processo de injeção.

1. Projetar padrões geométricos

1. Projete uma fotomasca composta por características geométricas e caminhos de fluxo de interesse(Figura 1, Arquivo Suplementar 1: Figura S1).
2. Defina a caixa de delimitamento (área de superfície do dispositivo) para identificar a área do substrato e limitar o desenho às dimensões do meio desejado.
3. Projetar portas de entrada/saída. Escolha as dimensões da porta (por exemplo, 4 mm de diâmetro neste caso) para obter uma distribuição relativamente uniforme da espuma antes de entrar no meio(Figura 1).
4. Prepare uma fotomasca do padrão geométrico projetado imprimindo o design em uma folha de filme transparente ou um substrato de vidro.
   1. Extrude o design bidimensional para a terceira dimensão e incorpore portas de entrada e saída (para uso em SLE).
      NOTA: A técnica SLE requer um desenho tridimensional(Figura 2).

2. Transfira os padrões geométricos para o substrato de vidro usando fotolitografia

NOTA: As soluções de etchants e piranha devem ser tratadas com extremo cuidado. Recomenda-se o uso de equipamentos de proteção individual, incluindo respirador reutilizável, óculos, luvas e uso de pinças resistentes a ácido/corrosão (Tabela de Materiais).

1. Prepare as soluções necessárias no processo de gravação molhada seguindo essas etapas (veja também as informações eletrônicas de suporte fornecidas como Arquivo Suplementar 1).
   1. Despeje uma quantidade adequada de solução etchant cromada em um béquer de tal forma que o substrato possa ser submerso no etchante. Aqueça o fluido a aproximadamente 40 °C.
   2. Prepare uma solução de desenvolvedor (Tabela de Materiais) em água deionizada (água DI) com uma razão volumosa de 1:8 de modo que o substrato seja capaz de ficar totalmente submerso na mistura.
2. Imprimi o padrão geométrico em um substrato borossilicato revestido com uma camada de cromo e uma camada de fotoresist usando irradiação UV.
   1. Usando mãos enluvadas, coloque a máscara (substrato de vidro ou a película transparente com o padrão geométrico) diretamente na lateral do substrato borossilicacate que é coberto com cromo e fotoresist.
   2. Coloque a combinação de máscara e substrato sob a luz UV com a máscara de foto de frente para a fonte.
      NOTA: Este trabalho usa luz UV com um comprimento de onda de 365 nm (para corresponder ao pico de sensibilidade do fotoresist) e com uma intensidade média de 4,95 mW/cm².
   3. Transfira o padrão geométrico para a camada de fotoresist, expondo a pilha do substrato e a máscara à luz UV.
      NOTA: O tempo ideal de exposição é uma função da espessura da camada fotoresistista e da força da radiação UV. Fotoresist é sensível à luz e todo o processo de impressão do padrão deve ser realizado em uma sala escura equipada com iluminação amarela.
3. Desenvolva o fotoresist.
   1. Remova a pilha de máscaras e substratos do estágio UV usando mãos enluvadas.
   2. Remova a máscara fotográfica e submerse o substrato na solução do desenvolvedor por aproximadamente 40 s, transferindo assim o padrão para o fotoresist.
   3. Lave o substrato fluindo água DI do topo do substrato e sobre todas as suas superfícies um mínimo de três vezes e permita que o substrato seque.
4. Etch o padrão na camada cromada.
   1. Submergir o substrato em um etchant cromado aquecido a cerca de 40 °C por aproximadamente 40 s, transferindo assim o padrão do fotoresist para a camada cromada.
   2. Remova o substrato da solução, enxágue em cascata o substrato usando água DI e deixe secar.
5. Etch o padrão no substrato borossilicato.
   NOTA: Um etchante tampão(Tabela de Materiais)é usado para transferir o padrão geométrico para o substrato de vidro. Antes do uso do etchante tamponado, a parte traseira do substrato é revestida com uma camada de fotoresist para protegê-lo do etchante. A espessura desta camada protetora é imaterial para o processo de fabricação geral.
   1. Usando um pincel, aplique várias camadas de hexametiletiladisilazane (HMDS) na face descoberta do substrato e deixe-o secar.
      NOTA: O HMDS ajuda a promover a adesão do fotoresist à superfície do substrato borossilicacate.
   2. Aplique uma camada de fotoresist em cima do primer. Coloque o substrato em um forno a 60\u201290 °C por 30-40 min.
   3. Despeje uma quantidade adequada do etchante em um recipiente plástico e submerse totalmente o substrato no etchante.
      NOTA: A taxa de gravação é influenciada pela concentração, temperatura e duração da exposição. O etchante tamponado usado neste trabalho etches uma média de 1\u201210 nm/min.
   4. Deixe o substrato padronizado na solução etchant por um tempo predeterminado com base nas profundidades de canal desejadas.
      NOTA: O tempo de gravação pode ser reduzido pela sônica intermitente do banho da solução.
   5. Remova o substrato do etchante usando um par resistente a solventes de pinças e enxágue em cascata o substrato usando água DI.
   6. Caracterize as características gravadas no substrato para garantir que as profundidades desejadas tenham sido alcançadas.
      NOTA: Esta caracterização pode ser feita usando um microscópio confocal de varredura a laser(Figura 3). Neste trabalho, uma ampliação de 10x é utilizada para aquisição de dados. Uma vez que as profundidades do canal sejam satisfatórias, mova-se para a fase de limpeza e ligação.

3. Limpo e vínculo

1. Remova camadas fotoresististas e cromadas.
   1. Remova o fotoresísta do substrato expondo o substrato a um solvente orgânico, como a solução N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP) aquecida usando uma placa quente sob um capô a aproximadamente 65 °C por aproximadamente 30 minutos.
   2. Cascade-enxaguar o substrato com acetona (grau ACS), seguido por etanol (grau ACS) e água DI.
   3. Coloque o substrato limpo em etchant cromado aquecido usando uma placa quente sob um capô a aproximadamente 40 °C por cerca de 1 min, removendo assim a camada cromada do substrato.
   4. Uma vez que o substrato esteja livre de cromo e fotoresist, caracterize as profundidades do canal usando microscopia confocal de varredura a laser.
      NOTA: Este trabalho utiliza uma ampliação de 10x para aquisição de dados(Figura 4).
2. Prepare a placa de cobertura e o substrato gravado para a ligação.
   1. Marque as posições dos orifícios de entrada/saída em um substrato borossilicato em branco (placa de cobertura) alinhando a placa de cobertura contra o substrato gravado.
   2. Exploda através de buracos nos locais marcados usando um micro-abrasivo jateador de areia e 50 μm de óxido de alumínio micro mídia de jateamento de alumínio.
      NOTA: Alternativamente, as portas podem ser criadas usando uma broca mecânica.
   3. A cascata enxágüe tanto o substrato gravado quanto a placa de cobertura com água DI.
   4. Realize um procedimento de limpeza de wafer RCA para remover contaminantes antes da ligação usando a técnica padrão. Realizar as etapas de limpeza do wafer sob um capô devido à volatilidade das soluções envolvidas no processo.
   5. Leve uma solução de 1:4 pelo volume H₂O₂:H₂SO₄ piranha para ferver e submergir o substrato e a placa de cobertura na solução por 10 minutos sob um capô.
   6. Cascade enxágüe o substrato e a placa de cobertura com água DI.
   7. Submergir o substrato e a placa de cobertura no etchante tamponado para 30-40 s.
   8. Cascade enxágüe o substrato e a placa de cobertura com água DI.
   9. Submergir o substrato e a placa de cobertura por 10 minutos em uma solução di 6:1:1 por volume: H₂O₂:HCl solução que é aquecida a aproximadamente 75 °C.
      NOTA: A gravação e a ligação são realizadas preferencialmente em uma sala de limpeza. Se um banheiro de limpeza não estiver disponível, recomenda-se realizar as seguintes etapas em um ambiente sem poeira. Neste trabalho, as etapas 3.2.9-3.2.12 são realizadas em um porta-luvas para minimizar a possibilidade de contaminação dos substratos.
   10. Pressione o substrato e a placa de cobertura firmemente uns contra os outros enquanto submersos.
   11. Remova o substrato e a placa de cobertura da solução DI water:H₂O₂:HCl. Lave a cascata com água DI e submersa em água DI.
   12. Certifique-se de que o substrato e a placa de cobertura estão firmemente unidos e remova cuidadosamente os dois enquanto pressionados um contra o outro da água DI.
3. Unir os substratos termicamente.
   1. Coloque os substratos empilhados (o substrato gravado e a placa de cobertura) entre duas placas lisas, de 1,52 cm de espessura, de vidro-cerâmica para a ligação.
   2. Coloque as placas de vidro-cerâmica entre duas placas metálicas feitas de Liga X (Tabela de Materiais),que é capaz de suportar as temperaturas necessárias sem distorção significativa.
   3. Centralizar as bolachas de vidro no suporte metálico de cerâmica.
      NOTA: Este trabalho utiliza placas de vidro-cerâmica que têm 10 cm x 10 cm x 1,52 cm de espessura. A configuração empilhada é fixada usando parafusos e porcas de 1/4"(Figura 5).
   4. Aperte a mão as porcas e coloque o suporte em uma câmara de vácuo por 60 min a aproximadamente 100 °C.
   5. Retire o suporte da câmara e aperte cuidadosamente as porcas usando aproximadamente 10 lb-in de torque.
   6. Coloque o suporte dentro de um forno e execute o seguinte programa de aquecimento. Elevar a temperatura a 1 °C/min até 660 °C; manter a temperatura constante a 660 °C por 6 h seguido de um passo de resfriamento a aproximadamente 1 °C/min de volta à temperatura ambiente.
   7. Remova o dispositivo microfluido ligado termicamente, enxágue-o com água DI, coloque-o em HCl (12,1 M) e sonicato de banho (40 kHz a 100 W de potência) a solução por uma hora(Figura 6).

4. Fabricar dispositivos microfluidos de vidro gravados a laser

NOTA: A fabricação do dispositivo foi realizada por um serviço de impressão 3D de vidro de terceiros(Tabela de Materiais)através de um processo SLE e utilizando um substrato de sílica fundido como precursor.

1. Escreva o padrão desejado em um substrato de sílica fundido usando um raio laser polarizado linearmente orientado perpendicular ao estágio gerado através de uma fonte de laser femtosegundo com uma duração de pulso de 0,5 ns, uma taxa de repetição de 50 kHz, energia de pulso de 400 nJ, e um comprimento de onda de 1,06 μm.
2. Remova o vidro do padrão escrito dentro do substrato de sílica fundido usando uma solução KOH (32 wt%) a 85 °C com ultrassom sônico (Figura 7).

5. Realize testes de alta pressão

1. Saturar o dispositivo microfluido com o fluido residente (por exemplo, água DI, solução surfactante, óleo, etc. dependendo do tipo de experimento) usando uma bomba de seringa.
2. Prepare fluidos geradores de espuma e instrumentos relacionados.
   1. Prepare a solução de salmoura (fluido residente) com a salinidade desejada e dissolva o surfactante (como lauramidopropyl betaine e alfa-olefina-sulfonato) com a concentração desejada (de acordo com a concentração crítica de micelas do surfactante) na salmoura.
   2. Encha os tanques do CO₂ e bombas de água com quantidades adequadas de fluidos por experimento à temperatura ambiente.
   3. Encha o acumulador de salmoura e as linhas de fluxo com a solução de surfactante usando uma seringa. Este trabalho utiliza um acumulador com capacidade de 40 mL.
   4. Enxágüe a linha de salmoura com a solução de salmoura.
   5. Enxágüe a linha que conecta o acumulador ao dispositivo e as linhas de saída com o fluido residente (a solução de salmoura neste caso).
   6. Coloque o dispositivo microfluido saturado em um suporte resistente à pressão e conecte as portas de entrada/saída às linhas apropriadas usando tubos de diâmetro interno de 0,010"(Figura 8, Arquivo Suplementar 1: Figura S5).
   7. Aumente a temperatura do banho circulante, que controla a temperatura das linhas de salmoura e CO_2, até a temperatura desejada (por exemplo, 40 °C aqui(Figura 9)).
   8. Verifique todas as linhas para garantir a integridade da configuração antes da injeção.
3. Gere a espuma.
   1. Comece a injetar a salmoura a uma taxa de 0,5 mL/min e verifique o fluxo da solução surfactante no dispositivo e na linha de pressão traseira.
   2. Aumente a pressão da pressão da bomba traseira simultaneamente em etapas graduais (~ 0,006 MPa/s) mantendo o fluxo contínuo da saída do regulador de pressão traseira (BPR). Aumente a pressão até ~7,38 MPa (pressão mínima necessária scCO₂₎ e pare as bombas.
   3. Aumente a pressão da linha CO₂ até uma pressão acima de 7,38 MPa (pressão mínima de scCO_2).
   4. Abra a válvula DE₂ e deixe o scCO₂ misturado com a solução surfactante de alta pressão fluir através de um misturador inline para gerar espuma.
   5. Aguarde até que o fluxo seja totalmente desenvolvido dentro do dispositivo e os canais estejam saturados. Monitore a saída para o início da geração de espuma.
      NOTA: As portas auxiliares podem ser usadas para ajudar a pré-saturar o meio totalmente com o fluido residente(Figura 1). Inconsistências na taxa de aumento da pressão e aumentos repentinos no BPR podem levar à quebra(Figura 10). Pressões fluidas e pressão traseira devem ser aumentadas gradualmente para minimizar o risco de danos ao dispositivo.
4. Realize análises de imagens e dados em tempo real.
   1. Ligue a câmera para capturar imagens detalhadas do fluxo dentro dos canais. Este trabalho usa uma câmera com um sensor de 60 megapixels, monocromático e full-frame.
   2. Inicie o software dedicado de controle do obturador(Tabela de Materiais). Selecione uma velocidade do obturador de 1/60, uma razão focal (f-número) de f/8.0 e selecione a lente apropriada.
   3. Inicie o software de câmera dedicado (Tabela de Materiais). Selecione a câmera, o formato desejado (por exemplo, IIQL) e uma configuração ISO de 200 no menu pulldown sob a configuração "CAMERA" do software.
   4. Ajuste a distância de trabalho da câmera para o meio conforme necessário para focar no meio. Capture imagens em intervalos de tempo prescritos pressionando o botão de captura no software.
5. Despressurizar o sistema de volta às condições ambientais.
   1. Pare a injeção (bombas de gás e líquido), feche as entradas da bomba de CO₂ e salmoura, abra o resto das válvulas de linha e desligue os aquecedores.
   2. Diminuir gradualmente a pressão traseira (por exemplo, a uma taxa de 0,007 MPa/s) até que o sistema atinja as condições de pressão ambiente. Diminua as pressões da bomba de salmoura e CO₂ separadamente.
      NOTA: A diminuição da pressão do SCCO₂ pode resultar em uma saída de BPR inconsistente ou turbulenta, portanto, a redução da pressão deve ser executada com os cuidados necessários.
6. Limpe completamente o dispositivo microfluido após cada experimento conforme necessário, fluindo a seguinte sequência de soluções através do meio: isopropanol/etanol/água (1:1:1), solução de 2 M HCl, água DI, uma solução básica (di água/NH₄OH/H₂O₂ às 5:5:1) e água DI.
7. Imagens coletadas após o processo.
   1. Isole a paisagem dos poros excluindo o fundo das imagens.
   2. Corrigir pequenos desalinhamentos realizando a transformação de perspectiva e implementando uma estratégia de limiar local conforme necessário para explicar a iluminação não uniforme²⁸_.
   3. Calcule parâmetros geométricos e estatísticos relevantes para o experimento, como tamanho médio da bolha, distribuição do tamanho da bolha e forma de bolha para cada espuma de imagens microestruturais no canal.

Resultados

Esta seção apresenta exemplos de observações físicas do fluxo de espuma scCO₂ através de uma fratura principal conectada à matriz de micro-rachaduras. Um dispositivo microfluido de vidro feito via fotolithografia ou SLE é colocado dentro de um suporte e no campo de visão de uma câmera com um sensor de 60 megapixels, monocromático, full frame. A Figura 11 ilustra o processo de fabricação de dispositivos microfluidos e sua colocação na configuração experimental.

Discussão

Este trabalho apresenta um protocolo relacionado a uma plataforma de fabricação para criar dispositivos microfluidos de vidro robustos e de alta pressão. O protocolo apresentado neste trabalho alivia a necessidade de uma sala de limpeza realizando várias das etapas finais de fabricação dentro de um porta-luvas. Recomenda-se o uso de uma sala de limpeza, se disponível, para minimizar o potencial de contaminação. Além disso, a escolha do etchant deve ser baseada na rugosidade da superfície desejada. O uso de uma...

Materiais

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