Name: scalable stamp printing and fabrication of hemiwicking surfaces
Uploaded: 2018-12-18T13:00:00
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Dieses Material basiert auf Forschung teilweise gesponsert von der United States Office of Naval Research Grant No. N00014-15-1-2481 und die National Science Foundation unter Grant Nr. 1653396. Ansichten und Schlussfolgerungen enthaltenen sind diejenigen der Autoren und nicht notwendigerweise repräsentiert die offizielle Politik oder Vermerke, entweder ausdrücklich oder stillschweigend, des U.S. Office of Naval Research, der National Science Foundation, interpretiert werden oder die Regierung der Vereinigten Staaten.

(1) die Musterung Karte erstellen
<ol><li>Mit einem Grafikeditor, erstellen Sie das gewünschte Muster für die Hemiwicking Strukturen als ein Bitmap-Bild dargestellt. Hinweis: Einige der Feuchtigkeitstransport Design-Parameter (z. B. Winkel Farbverlauf, Tiefe Gradient) erfolgen, abhängig von der Graustufenwerte, jedes Pixel zugewiesen werden. Diese Graustufenwerte sind dann bearbeitet, um den gewünschten Parameter zu ändern.</li>
	<li>Speichern Sie die Bitmap als eine tragbare Netzgrafik (.png) und lege...

<ol>
	<li>Plawsky, J. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nano-+and+Micro-structures+for+Thin+Film+Evaporation+-+A+Review.">Nano- and Micro-structures for Thin Film Evaporation - A Review.</a> Nanoscale and Microscale Thermophysical Engineering. 18, 251-269 (2014).</li><li>Derjaguin, B. V., Churaev, N. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+question+of+determining+the+concept+of+disjoining+pressure+and+its+role+in+the+equilibrium+and+flow+of+thin+films.">On the question of determining the concept of disjoining pressure and its role in the equilibrium and flow of thin films.</a> Journal of Colloid and Interface Science. 66, 389 (1978).</li><li>Ma, H. B., Cheng, P., Borgmeyer, B., Wang, Y. 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P., Zou, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Surface-nano-texturing+by+aluminum-induced+crystallization+of+amorphous+silicon.">Surface-nano-texturing by aluminum-induced crystallization of amorphous silicon.</a> Surface and Coatings Technology. 203 (5-7), 675-679 (2008).</li><li>Ashby, P. D., Lieber, C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultra-sensitive+Imaging+and+Interfacial+Analysis+of+Patterned+Hydrophilic+SAM+Surfaces+Using+Energy+Dissipation+Chemical+Force+Microscopy.">Ultra-sensitive Imaging and Interfacial Analysis of Patterned Hydrophilic SAM Surfaces Using Energy Dissipation Chemical Force Microscopy.</a> Journal of the American Chemical Society. 127 (18), 6814-6818 (2005).</li></ol>

Eine Methode wurde eingeführt, um gemusterte Säule Arrays für Hemiwicking Strukturen zu schaffen; Dies geschieht durch Prägung Hohlräume auf einem Kunststoff-Wafer mit einer Gravur-Vorrichtung, die Strukturierung von einer Bitmap, die vom Benutzer erstellten folgt. Eine PDMS-Mischung ist dann gegossen, geheilt und mit einem dünnen Film von Aluminium über Abscheidung beschichtet. Die Säule-Array-Eigenschaften können je nach den Grauwert angepasst werden, die in der Bitmap nach diesem Protokoll zugewiesen...

Vor kurzem gab es erhöhte Interesse an in der Lage, sowohl aktiv als auch passiv die Benetzung, Verdunstung, Steuern und Mischen von Flüssigkeiten. Einzigartig texturierte Hemiwicking Flächen sorgen für eine neuartige Lösung zur Kühlung Techniken, weil diese strukturierten Oberflächen als Flüssigkeit (und/oder Wärme) Pumpe ohne bewegte Teile handeln. Diese flüssigen Bewegung wird durch eine Kaskade der Kapillarwirkung Ereignisse im Zusammenhang mit der dynamischen Krümmung des flüssigen Dünnschicht angetrieben. Im Allgemeinen wenn eine Flüssigkeit mit eine feste Oberfläche benetzt, bildet eine geschwungene flüssige Dünnschicht-(z. B. flüssige Meniskus) schnell. Die flüssige Stärke und Krümmung Profil entwickeln bis ein freie-Energie-Minimum erreicht ist. Als Referenz kann dieses dynamischen Benetzung Profil bis zu zehn Nanometern Dicke innerhalb einer spanning (Flüssigkeit-Benetzung) Längenskala von nur zehn Mikrometer schnell zerfallen. Somit kann dieser Übergangsbereich (Flüssigkeit-Film) wesentliche Änderungen in der Flüssigkeit-Schnittstelle Krümmung unterziehen. Die Übergangsregion (Dünnschicht) ist, wo fast alle dynamische Physik und Chemie stammt. Insbesondere ist der Übergangsbereich (Dünnschicht), wo maximale Verdunstungsraten (1), (2) DIS-Beitritt Druckgradienten und (3) hydrostatischen Druckgradienten1,2gefunden werden. Infolgedessen, spielen gebogene Flüssigkeit-Filme eine entscheidende Rolle im Wärmetransport, Phasentrennung Fluid Instabilitäten und die Vermischung von Mehrkomponenten Flüssigkeiten. Beispielsweise sind in Bezug auf die Wärmeübertragung, die höchste Wand Wärmestromes in dieser stark gekrümmten, Übergangs-Dünnschicht-Region3,4,5,6,7beobachtet worden.
Hemiwicking Studien haben gezeigt, dass die Geometrie (z. B. Höhe, Durchmesser, etc.) und die Platzierung der Säulen der Benetzung Frontprofil und die Geschwindigkeit der Flüssigkeit durch die Strukturen8bestimmen. Als Flüssigkeit vorne am Ende der letzten Struktur in einem Array verdunstet ist, wird Flüssigkeit vorne in einem konstanten Abstand und Krümmung, die verdampfte Flüssigkeit durch die Flüssigkeit in den Feuchtigkeitstransport Strukturen9gespeicherten abgelöst wird aufrechterhalten. Hemiwicking Strukturen wurden auch benutzt in Heatpipes und kochende Oberflächen zu analysieren und zu verbessern verschiedene Wärme Übertragung Mechanismen. 10 , 11 , 12.
Eine Methode, die derzeit zur Feuchtigkeitsregulierung Strukturen zu schaffen, ist thermische Imprint Lithografie13. Diese Methode erfolgt durch das gewünschte Layout in eine Lackschicht auf eine Silizium-Schimmel-Probe mit einem thermoplastischen Polymer Stempel Stempeln, dann entfernen den Stempel um die Mikrostrukturen zu erhalten. Einmal entfernt, ist die Probe durch eine reaktive Ionen Ätzprozess um überschüssige Resist Schicht14,15entfernen gestellt. Dieser Prozess jedoch kann empfindlich auf die Temperatur der Fabrikation der Feuchtigkeitstransport Strukturen und umfasst mehrere Schritte, die verschiedenen Schichten um die Richtigkeit der Feuchtigkeitstransport Strukturen16nutzen. Es ist auch der Fall, die Lithografie Techniken nicht praktisch für Makro-Maßstab Musterung; während sie immer noch eine Möglichkeit zur Erstellung einer Anordnung von Mikrostrukturen auf einer Oberfläche bieten, ist der Durchsatz dieses Verfahrens weit weniger als ideal für großflächige Reproduktion. In Anbetracht der groß angelegte, reproduzierbare Texturierung, z. B. Spin oder Dip Beschichtung, fehlt eine inhärente steuerbare Musterung. Diese Methoden erstellen Sie eine zufällige Auswahl von Mikrostrukturen auf der Zielfläche aber können skaliert werden, um weitaus größere Gebiete als traditionelle Lithographie Techniken17abzudecken.
Das Protokoll in diesem Bericht beschriebenen Versuche, die Stärken der traditionellen Texturierung Methoden kombinieren und ersparen sich gleichzeitig die spezifischen Schwächen des einzelnen; Es definiert eine Möglichkeit, benutzerdefinierte Hemiwicking Strukturen der verschiedenen Höhen, Formen, Orientierungen und Materialien auf Makro-Ebene und mit potenziell hohem Durchsatz zu fabrizieren. Verschiedene Feuchtigkeitstransport Muster können zum Zwecke der Optimierung der Feuchtigkeitstransport Merkmale, z. B. Richtungssteuerung Fluidgeschwindigkeit, Ausbreitung und Mischen verschiedener Flüssigkeiten schnell erstellt werden. Die Verwendung von unterschiedlichen Feuchtigkeitstransport Strukturen bieten auch unterschiedliche Dünnschicht-Stärke und Krümmung, die verwendet werden können, um systematisch die Kopplung zwischen Wärme- und Stoffaustausch mit unterschiedlicher Dicke zu studieren und Krümmung Profile der Flüssigkeit Meniskus.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>NI-DAQ 9403</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td>370466AE-01</td>
			<td>The communication interface between the camera and the control switch for the laser.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Control Switch</td>
			<td>Crouzet</td>
			<td>GN84134750</td>
			<td>A controller to use for the laser that activates the laser based on the voltage sent by the DAQ.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Flea Camera</td>
			<td>FLIR</td>
			<td>FL3-U3-120S3C-C</td>
			<td>A flea camera used for imaging the drill bit on the plastic mold.&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Flea Imaging Camera</td>
			<td>Point Grey</td>
			<td>FL3-U3-20E4M-C</td>
			<td>A flea camera used for obtaining the side images of the pillars.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>200 Steps/rev, 12V-350mA Stepper Motor (x2)</td>
			<td>AdaFruit</td>
			<td>324</td>
			<td>The stepper motors are used to control the depth and angle of the end mill.&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>10x Infinity Corrected Long Working Distance Objective</td>
			<td>Mitutoyo&#160;</td>
			<td>#46-144</td>
			<td>The objective used to get the image of the side of the pillars.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>15x Infinite Conjugate, UV Coated, ReflX Objective</td>
			<td>TechSpec</td>
			<td>#58-417</td>
			<td>The objective used to get the image of the top of the pillars.&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>72002 0.002D X 0.006 LOC Carbide SQ 2FL Miniature End Mill</td>
			<td>Harvey Tools</td>
			<td>72002</td>
			<td>The drill bit that was used to create holes in the plastic mold.&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DC Power Delivery at 1 kW</td>
			<td>Advanced Energy</td>
			<td>MDX-1K</td>
			<td>Used to power the deposition sputterer.&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Turbo-V 70LP Nacro Torr Pump</td>
			<td>Varian</td>
			<td>9699336</td>
			<td>Turbo Pump used to reduce pressure inside deposition chamber.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2000mw, 405nm High-Power Blue Light Focus Laser</td>
			<td>WDLasers</td>
			<td>KREE</td>
			<td>Sample Heating Laser</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>5.875&#34; I.D. Dessicator w/ 0.25&#34; Tube Connections</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>2204K5</td>
			<td>PDMS Dessicator</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SYLGARD 184 Silicone Elastomer, 0.5kg Kit</td>
			<td>Dow-Corning</td>
			<td>4019862</td>
			<td>The PDMS Kit used to make the base.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Diaphragm Air Compressor / Vacuum Pump</td>
			<td>Gast</td>
			<td>DOL-701-AA</td>
			<td>Dessicator Vacuum Pump</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Motorized Linear Stages (2x)</td>
			<td>Standa</td>
			<td>8MT175</td>
			<td>The stepper motors used to control the sample plate in the x- and y- direction.&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2&#34; Diameter Unmounted Poistive Achromatic Doublets, AR Coated: 400-700 nm</td>
			<td>ThorLabs</td>
			<td>AC508-150-A</td>
			<td>The achromat was ued in order to obtain the images of the side of the pillars.&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Flea 3 Mono&#160; Camera, 2448 X 2048 Pixels</td>
			<td>Point Grey</td>
			<td>FL3-GE-50S5M-C</td>
			<td>A flea camera used for imiaging the top of the pillars.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Digital Vacuum Transducer</td>
			<td>Thyrcont Vacuum Instruments</td>
			<td>4940-CF-212734</td>
			<td>Used for monitoring pressure inside deposition chamber.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pressurized Argon Tank Resovoir</td>
			<td>Airgas</td>
			<td>AR RP300</td>
			<td>Gas used in deposition process.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1-D Translation Stage</td>
			<td>Newport Corporation</td>
			<td>TSX-1D</td>
			<td>A translation stage used to move the camera to focus on the end mill.&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cylindrical Laser Mount (x2)</td>
			<td>Newport Corporation</td>
			<td>ULM-TILT-M</td>
			<td>The laser mount was used to move the camera to focus on the end mill.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Benchtop Chiller with Centrifugal Pump, 120V, 60Hz</td>
			<td>Polyscience</td>
			<td>LS51MX1A110C</td>
			<td>A chiller used for the deposition assembly.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Alcatel Adixen 2010SD XP, Explosion Proof Motor, Rotary Vane Vacuum Pump, 1-Phase</td>
			<td>Ideal Vacuum Products</td>
			<td>210SDMLAM-XP</td>
			<td>A vacuum pump used for the deposition assembly.&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fan, 105 CFM, 115 V (x2)</td>
			<td>Comair Rotron</td>
			<td>MU2A1</td>
			<td>A fan used for cooling certain aspects of the deposition assembly.</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

scalable stamp printing and fabrication of hemiwicking surfaces

Hemiwicking ist ein Prozess, wo eine Flüssigkeit eine gemusterte Oberfläche außerhalb seiner normalen Benetzung Länge durch eine Kombination von Kapillarwirkung und Imbibition benetzt. Dieses Phänomen der Benetzung ist in vielen technischen Bereichen von Physiologie bis hin zu Luftfahrttechnik wichtig. Derzeit gibt es verschiedene Techniken zur Herstellung von Hemiwicking Strukturen. Diese konventionellen Methoden, jedoch sind oft zeitaufwändig und sind schwer zu skalieren für große Flächen oder schwer für spezifische, Grundstimmung Musterung Geometrien anpassen. Die vorgestellte Protokoll sieht Forscher mit einer einfachen, skalierbare und kostengünstige Methode zur Herstellung von Mikro-gemusterte Hemiwicking Oberflächen. Die Methode fertigt Feuchtigkeitstransport Strukturen durch den Einsatz von Stempeldruck, Polydimethylsiloxan (PDMS) Formen und Dünnschicht-Oberflächenbeschichtungen. Das Protokoll wird für Hemiwicking mit Ethanol auf PDMS-Micropillar-Arrays mit einer 70 nm dicken Aluminium Dünnschicht-beschichtet demonstriert.

Abbildung 1 zeigt eine schematische Darstellung des wie Stanzen Mechanismus die Form für die Feuchtigkeitsregulierung Strukturen auf eine Kunststoff-Formenbau führen würde. Um die Qualität der Stempel Vorrichtung in der Herstellung von Feuchtigkeitstransport Filme zu untersuchen, wurden zwei verschiedene Säule Arrays geschaffen, um die Qualität der Säulen für zukünftige Feuchtigkeitstransport Experimente zu analysieren. Aspekte des Geräts untersucht...

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Scalable Stamp Printing and Fabrication of Hemiwicking Surfaces

Ein einfaches Protokoll ist für die Herstellung von Hemiwicking Strukturen unterschiedlicher Größen, Formen und Materialien zur Verfügung gestellt. Das Protokoll verwendet eine Kombination von physischen Stanzen, PDMS Guß und Dünnschicht-Oberflächenmodifikationen über gängige Materialien Ablagerung Techniken.

Skalierbare Stempeldruck und Fertigung von Hemiwicking Oberflächen

Hemiwicking is a process where a fluid wets a patterned surface beyond its normal wetting length due to a combination of capillary action and imbibition. ...

Diese Methode kann helfen, wichtige Fragen im Bereich der Mikrofluiddynamik zu beantworten, wie z. B. die Auswirkungen von Nanostrukturen auf eine Oberfläche auf das Dünnschichtprofil und die Feuchtigkeitsgeschwindigkeit. Der Hauptvorteil dieser Technik ist, dass sie eine Methode zur kostengünstigen und zeiteffizienten Herstellung verschiedener Wickle-Säulen-Arrays bietet. Demonstriert wird das Verfahren von Thomas Germain, einem Doktoranden unseres Labors.Bereiten Sie zunächst das Stempelgerät für das Protokoll vor. Die wesentlichen Details dieser Stanzvorrichtung sind in diesem Schaltplan. Eine Trägerplatte zur Unterstützung der Form ist auf einer XY-Bühne montiert.Um den Kunststoff zu stempeln, bewegt eine Theta-Z-Bühne ein mikrogroßes Bit. Ein Laser erhitzt die Kunststoffform an der Bitspitze. Hier sind die Trägerplatte und die Stütze für das Stanzbit auf ihren jeweiligen Stufen.Eine Videokamera mit einem 10-fachen Objektiv bietet einen Blick auf die Prägung von einem Blickwinkel zur Seite des Bits. Holen Sie sich die Trägerplatte vom Gerät, zusammen mit einer Stanzform. Die Form ist eine Acrylscheibe, einen Zoll im Durchmesser und ein Achtel Zoll dick.Befestigen Sie die Stanzform an der Trägerplatte für den Einsatz im Gerät. Als nächstes übersetzen Sie das Stempelbit manuell aus dem Weg, um zu vermeiden, dass es beschädigt wird. Dann die Trägerplatte mit der Form an der motorisierten XY-Stanzstufe befestigen.Verschieben Sie mit den Computersteuerungen die Kunststoffform, die ausgerichtet und zentriert werden soll, mit der Achse des Stempelbits. Übersetzen Sie nun manuell das Stanzbit, bis es fast in Kontakt mit der Kunststoffform ist. Verwenden Sie das computergesteuerte Stanzsteuerungsprogramm und überwachen Sie das Bit.Übersetzen Sie das Stanzbit in kleinen Schritten, bis die Spitze mit dem Kunststoff in Berührung kommt. Danach übersetzen Sie das Stempelbit weg von der Probe. Stellen Sie immer sicher, dass die Kunststoffform normal ist.Oder die Säulen haben keine gleichmäßige Höhe, sobald die PDMS-Form erstellt wurde. Ungleichmäßige Säulenhöhen können das Hämiwicking der Flüssigkeit beeinflussen. Weisen Sie als Nächstes Parameter zum Erstellen des Musters zu, einschließlich Pixellänge, Hohlraumtiefe und Anfangsposition.Fahren Sie fort, indem Sie eine vorbereitete Musterkarte hochladen. Der Graustufenwert gibt die gewünschte Hohlraumtiefe an, wobei Schwarz die festgelegte maximale Hohlraumtiefe ist. Starten Sie den Stanzvorgang.Die Software verschiebt das Bit mithilfe der Pixellänge an die richtigen Stellen. Das Bit stempelt einen Hohlraum entsprechend den eingestellten Parametern. Sobald die Hohlräume erstellt wurden, entfernen Sie die gestanzte Kunststoffform.Hier ist die gestanzte Form unmittelbar nach dem Stanzvorgang. Die Form ist komplett, nachdem ihre Oberfläche mit 9.000 Sandpapier poliert wurde, wie in diesem Beispiel. Fahren Sie fort, um die Form zu verwenden, um ein Formteil zu erstellen.In einem Becher ein 10:1-Verhältnis setzen. Dann mischen Sie sie gründlich für drei Minuten. Legen Sie den Becher nach dem Mischen in eine evakuierte Kammer, um alle eingeschlossenen Luftblasen zu lösen.Bevor Sie fortfahren, stellen Sie sicher, dass die Mischung keine Blasen hat. Als nächstes legen Sie die gestanzte Kunststoffform in einen ummauerten Behälter. Im Idealfall wäre der Behälter nicht viel größer als der Außendurchmesser der Form.Beginnen Sie, die PDMS-Mischung in die Mitte des gestanzten Bereichs zu gießen, und spiralen Sie sich nach außen, um sie gleichmäßig zu verteilen. Legen Sie den Behälter in eine evakuierte Kammer, um Luftblasen zu lösen. Wenn Sie fertig sind, übertragen Sie den Behälter auf eine heiße Platte, um bei 100 Grad Celsius für 15 Minuten zu erhitzen.Danach, ohne die heiße Platte abkühlen zu lassen, erhitzen Sie sie bei 65 Grad Celsius für 25 Minuten. Entfernen Sie den Behälter von der Hitze und lassen Sie das PDMS abkühlen. Warten Sie 20 Minuten auf Kühlung und Aushärtung, bevor Sie das Formteil von der Behälterwand schneiden.Entfernen Sie das PDMS aus der Form und lagern Sie die Kunststoffform und die PDMS-Probe in abgedeckten Behältern. Bevor Sie jedoch die Kunststoffform verwenden, achten Sie darauf, die Oberfläche von Rest-PDMS zu reinigen, indem Sie es fünf Minuten lang in ein Ultraschall-Wasserbad legen. Diese Bitmap definiert eine rechteckige Ableitendestruktur.Jedes Pixel stellt ein Quadrat mit einer Seitenlänge von 100 Mikrometern dar. Die gleichmäßig schwarzen Pixel bedeuten, dass jede Säule im PDMS die gleiche Höhe von 100 Mikrometern hat. Dies ist eine obere Ansicht der Säulen in der PDMS, die mit der Bitmap erstellt wurde.Diese Seitenansicht von einer Kante zeigt die relativ konsistente Höhe der Feuchtigkeitsstruktur. Hier sind Seiten- und Oberansichten einer PDMS-Struktur mit einer ca. 70 Mikrometer dicken Schicht aus abgelagertem Aluminium. Mit der Anwendung von Ethanol an die Oberfläche zeigen dieselben Strukturen Einen Beweis für die Flüssigkeit entlang der Basis der Säulen.Obwohl diese Methode Einen Einblick in die Hemiwicking-Dynamik geben kann, kann sie auch auf andere Systeme wie Wärmerohre und nanoskalige Wärmeübertragung angewendet werden. Nach diesem Verfahren können andere Methoden wie die Interferometrie durchgeführt werden, um zusätzliche Fragen zu beantworten, wie die Krümmung des Meniskus durch die Leitungsstruktur bestimmt wird und wie sich dies auf den Wärmefluss in der Region auswirkt. Nach ihrer Entwicklung ebnete diese Technik den Weg für Forscher auf dem Gebiet der mikroskaliger Wärmeübertragung, um die Rolle zu erforschen, die die Form der Dünnschichtregion auf den Wärmeblöcken hat.Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit Lasern extrem gefährlich sein kann, und dass Laserschutzbrillen immer getragen werden sollten, während der Stanzvorgang durchgeführt wird.

Research

JoVE Journal

Engineering

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