Gradiente de molhabilidade projetável de forma flexível para controle passivo do movimento do fluido por meio de modificação física da superfície

Mar 22, 2024

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 6440 (2023) Citar este artigo

592 acessos

11 Altmétrico

Detalhes das métricas

Superfícies sólidas modificadas exibem um comportamento de umedecimento único, como hidrofobicidade e hidrofilicidade. Tal comportamento pode controlar passivamente o fluxo do fluido. Neste estudo, demonstramos experimentalmente um conjunto de células projetáveis ​​​​para molhabilidade, consistindo de superfícies não gravadas e fisicamente gravadas por gravação iônica reativa em um substrato de silício. O processo de gravação induziu uma rugosidade superficial significativa na superfície do silício. Assim, as superfícies não atacadas e atacadas possuem molhabilidades diferentes. Ajustando a proporção entre as áreas de superfície não gravadas e gravadas, projetamos gradientes de molhabilidade uni e bidimensionais para o canal de fluido. Conseqüentemente, canais ajustados realizavam passivamente movimentos fluidos unidirecionais e curvos. O projeto de um gradiente de molhabilidade é crucial para sistemas práticos e portáteis com canais de fluido integrados.

Canais de microfluidos foram investigados para aplicações químicas e biológicas, como sensores portáteis e de alta sensibilidade . O controle ativo do movimento do fluido em microcanais é uma técnica crucial para determinar seu desempenho7,8,9,10,11,12,13. Até o momento, válvulas micromecânicas14,15, válvulas controladas pneumáticas16 e modificação de superfície eletricamente comutável17,18,19,20 foram exploradas. Tal controle ativo requer procedimentos de fabricação complicados e fontes de energia externas para alcançar excelente controlabilidade e reforma da molhabilidade por estímulos externos. O controle passivo do fluido é outra abordagem importante21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31. Esta metodologia permite controlar a molhabilidade utilizando estruturas simples sem funções reformáveis. Como plataformas de controle passivo, foram investigadas estruturas anisotrópicas alinhadas (por exemplo, arranjos de pilares Janus32 e estruturas de borda de curvatura côncava33) e diferentes gradientes de molhabilidade baseados em materiais34. No entanto, tais abordagens limitam a flexibilidade do projeto do canal.

Como o processo de ataque, por exemplo, ataque com íons reativos (RIE), modifica o estado da superfície de um material sólido35,36, superfícies não atacadas e gravadas exibem diferentes propriedades de molhabilidade, mesmo quando se utiliza um único material. A fabricação de superfícies microscópicas não gravadas ou gravadas usando um processo semicondutor permite um design flexível e uma fabricação simples de superfícies funcionais com molhabilidade especial.

Neste estudo, investigamos experimentalmente canais de fluido unidirecionais e curvos com matrizes de células quadradas projetáveis ​​​​para molhabilidade. As células unitárias consistiam em uma área não gravada e uma área gravada com RIE. Os processos RIE criaram recessos nanoscópicos na superfície do silício, proporcionando assim diferentes molhabilidades nas superfícies não gravadas. A molhabilidade das superfícies de silício foi ajustada ajustando a proporção das áreas de superfície não gravadas e gravadas. Os padrões de gravação ajustados das células individuais criaram passivamente gradientes de molhabilidade uni e bidimensionais (1D e 2D) no substrato de silício. Isso nos permitiu controlar a direção e a forma dos canais de fluido, projetando com flexibilidade a forma do gradiente de molhabilidade. Nossa plataforma pode contribuir para o controle passivo do movimento de fluidos em aplicações práticas.

Aqui, apresentamos um canal de fluido projetável por molhabilidade à base de silício com o processo RIE. A Figura 1a mostra a estrutura da superfície do canal de fluido projetável para molhabilidade. Nosso canal de fluido foi pavimentado com células unitárias quadradas consistindo de superfícies fisicamente não gravadas e gravadas via RIE, como mostrado na Fig. A célula unitária (delimitada pelo quadrado vermelho quebrado na Fig. 1a) tinha áreas não gravadas e gravadas. O processo de gravação formou uma região deprimida (verde). A região não gravada (amarela) permaneceu como um pilar cilíndrico no centro da célula unitária.

(a) Esquema da superfície compreendendo as células projetáveis ​​de molhabilidade, que fornecem o gradiente de molhabilidade 1D. Uma célula unitária (delimitada pelo quadrado pontilhado vermelho) possui regiões não gravadas (amarelo) e gravadas fisicamente (verde). O parâmetro \(d\left(x, y\right)\) é o diâmetro do pilar. (b) Esquemas de vista superior e (c) lateral das células unitárias. O comprimento lateral da célula unitária e a altura do pilar são \(L=5 \mathrm{\mu m}\) e \(h=0,2 \mathrm{\mu m}\), respectivamente, em nossos canais fabricados. (d) Esquemas de seção transversal para superfícies não atacadas e gravadas. (e) Esquema da seção transversal da superfície pavimentada com as células unitárias (esquema à esquerda) e superfície composta equivalente (esquema à direita).