Гибко проектируемый градиент смачиваемости для пассивного контроля движения жидкости посредством физической модификации поверхности.

Mar 22, 2024

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 6440 (2023) Цитировать эту статью

592 доступа

11 Альтметрика

Подробности о метриках

Модифицированные твердые поверхности демонстрируют уникальные характеристики смачивания, такие как гидрофобность и гидрофильность. Такое поведение может пассивно контролировать поток жидкости. В этом исследовании мы экспериментально продемонстрировали массив ячеек с возможностью проектирования смачиваемости, состоящий из непротравленных и физически протравленных поверхностей путем реактивного ионного травления на кремниевой подложке. Процесс травления вызвал значительную шероховатость поверхности кремния. Таким образом, непротравленная и протравленная поверхности имеют разную смачиваемость. Регулируя соотношение между непротравленными и протравленными поверхностями, мы разработали одно- и двумерные градиенты смачиваемости канала для жидкости. Следовательно, точно настроенные каналы пассивно реализуют однонаправленные и изогнутые движения жидкости. Расчет градиента смачиваемости имеет решающее значение для практичных и портативных систем со встроенными каналами для жидкости.

Каналы микрожидкости были исследованы для химических и биологических применений, таких как высокочувствительные и портативные датчики1,2,3,4,5,6. Активный контроль движения жидкости в микроканалах является важным методом определения их производительности7,8,9,10,11,12,13. На сегодняшний день исследованы микромеханические клапаны14,15, клапаны с пневматическим управлением16 и электрически переключаемая модификация поверхности17,18,19,20. Такой активный контроль требует сложных производственных процедур и внешних источников энергии для достижения превосходной управляемости и восстановления смачиваемости внешними стимулами. Пассивный контроль жидкости — еще один важный подход21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31. Эта методология позволяет нам контролировать смачиваемость, используя простые структуры без реформируемых функций. В качестве платформ пассивного контроля были исследованы выровненные анизотропные структуры (например, массивы столбов Януса32 и структуры с вогнутыми краями кривизны33) и градиенты смачиваемости на основе различных материалов34. Однако такие подходы ограничивают гибкость конструкции канала.

Поскольку процесс травления, например, реактивное ионное травление (RIE), изменяет состояние поверхности твердого материала35,36, непротравленные и протравленные поверхности демонстрируют разные свойства смачиваемости, даже при использовании одного материала. Изготовление микроскопических нетравленных или травленых поверхностей с использованием полупроводникового процесса обеспечивает гибкий дизайн и простое изготовление функциональных поверхностей со специальной смачиваемостью.

В этом исследовании мы экспериментально исследовали однонаправленные и изогнутые каналы для жидкости с клеточными массивами с возможностью проектирования квадратной смачиваемости. Элементарные ячейки состояли из непротравленной области и протравленной области с РИЭ. Процессы RIE создали наноскопические углубления на поверхности кремния, тем самым обеспечивая различную смачиваемость непротравленных поверхностей. Смачиваемость кремниевых поверхностей регулировали путем регулирования соотношения площадей непротравленной и протравленной поверхности. Точно настроенные схемы травления отдельных ячеек пассивно создавали одно- и двумерные (1D и 2D) градиенты смачиваемости на кремниевой подложке. Это позволило нам контролировать направление и форму каналов жидкости, гибко проектируя форму градиента смачиваемости. Наша платформа может способствовать пассивному управлению движением жидкости в практических приложениях.

Здесь мы представляем жидкостный канал на основе кремния, проектируемый по смачиваемости с помощью процесса RIE. На рис. 1а показана поверхностная структура канала для жидкости, проектируемого по смачиваемости. Наш канал для жидкости был выложен квадратными элементарными ячейками, состоящими из физически непротравленных и протравленных поверхностей посредством RIE, как показано на рис. 1b,c. Элементарная ячейка (обведенная пунктирным красным квадратом на рис. 1а) имела нетравленные и травленые участки. В процессе травления образовалась вдавленная (зеленая) область. Непротравленная (желтая) область осталась в виде цилиндрического столбика в центре элементарной ячейки.

(а) Схема поверхности, содержащей проектируемые ячейки смачиваемости, которые обеспечивают 1D градиент смачиваемости. Элементарная ячейка (обведена красным пунктирным квадратом) имеет нетравленные (желтые) и физически травленные (зеленые) области. Параметр \(d\left(x, y\right)\) — это диаметр столба. (б) Схемы элементарных ячеек сверху и (в) сбоку. Длина стороны элементарной ячейки и высота столба равны \(L=5 \mathrm{\mu m}\) и \(h=0,2 \mathrm{\mu m}\) соответственно в наших изготовленных каналах. (г) Схема поперечного сечения нетравленной и травленой поверхностей. (e) Схема поперечного сечения поверхности, покрытой элементарными ячейками (схема слева) и эквивалентной композитной поверхности (схема справа).