Gradiente di bagnabilità progettabile in modo flessibile per il controllo passivo del movimento del fluido tramite la modifica della superficie fisica

Mar 22, 2024

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 6440 (2023) Citare questo articolo

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Le superfici solide modificate mostrano un comportamento di bagnatura unico, come idrofobicità e idrofilicità. Tale comportamento può controllare passivamente il flusso del fluido. In questo studio, abbiamo dimostrato sperimentalmente un array di celle progettabili per la bagnabilità costituito da superfici non incise e incise fisicamente mediante attacco di ioni reattivi su un substrato di silicio. Il processo di attacco ha indotto una significativa rugosità superficiale sulla superficie del silicio. Pertanto, le superfici non incise e quelle incise hanno bagnabilità diverse. Regolando il rapporto tra le aree superficiali non incise e quelle incise, abbiamo progettato gradienti di bagnabilità mono e bidimensionali per il canale del fluido. Di conseguenza, i canali ottimizzati realizzavano passivamente movimenti fluidi unidirezionali e curvi. La progettazione di un gradiente di bagnabilità è fondamentale per sistemi pratici e portatili con canali di fluido integrati.

I canali microfluidi sono stati studiati per applicazioni chimiche e biologiche come sensori portatili e ad alta sensibilità1,2,3,4,5,6. Il controllo attivo del movimento dei fluidi nei microcanali è una tecnica cruciale per determinarne le prestazioni7,8,9,10,11,12,13. Ad oggi sono state esplorate valvole micromeccaniche14,15, valvole a controllo pneumatico16 e modifiche superficiali commutabili elettricamente17,18,19,20. Tale controllo attivo richiede complicate procedure di fabbricazione e fonti di energia esterne per ottenere un'eccellente controllabilità e riformazione della bagnabilità mediante stimoli esterni. Il controllo passivo del fluido è un altro approccio importante21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31. Questa metodologia ci consente di controllare la bagnabilità utilizzando strutture semplici senza funzioni riformabili. Come piattaforme di controllo passivo, sono state studiate strutture anisotrope allineate (ad esempio, schiere di pilastri Janus32 e strutture di bordi con curvatura concava33) e gradienti di bagnabilità basati su diversi materiali34. Tuttavia, tali approcci limitano la flessibilità della progettazione del canale.

Poiché il processo di attacco, ad esempio l'attacco con ioni reattivi (RIE), modifica lo stato superficiale di un materiale solido35,36, le superfici non incise e quelle incise mostrano proprietà di bagnabilità diverse, anche quando si utilizza un singolo materiale. La produzione di superfici microscopiche non incise o incise utilizzando un processo a semiconduttore consente una progettazione flessibile e una semplice fabbricazione di superfici funzionali con speciale bagnabilità.

In questo studio, abbiamo studiato sperimentalmente canali di fluido unidirezionali e curvi con matrici di cellule progettabili con bagnabilità quadrata. Le celle unitarie erano costituite da un'area non incisa e un'area incisa con RIE. I processi RIE hanno creato recessi nanoscopici sulla superficie del silicio, fornendo così diverse bagnabilità sulle superfici non incise. La bagnabilità delle superfici di silicio è stata regolata regolando il rapporto tra le aree superficiali non incise e quelle incise. I modelli di attacco perfezionati delle singole celle hanno creato passivamente gradienti di bagnabilità mono e bidimensionali (1D e 2D) sul substrato di silicio. Ci ha permesso di controllare la direzione e la forma dei canali del fluido progettando in modo flessibile la forma del gradiente di bagnabilità. La nostra piattaforma può contribuire al controllo passivo del movimento dei fluidi in applicazioni pratiche.

Qui presentiamo un canale del fluido progettabile per la bagnabilità a base di silicio con il processo RIE. La Figura 1a mostra la struttura superficiale del canale del fluido designabile per la bagnabilità. Il nostro canale del fluido è stato pavimentato con celle unitarie quadrate costituite da superfici fisicamente non incise e incise tramite RIE, come mostrato in Fig. 1b,c. La cella unitaria (racchiusa dal quadrato rosso spezzato in Fig. 1a) aveva aree incise e incise. Il processo di attacco ha formato una regione depressa (verde). La regione non incisa (gialla) è rimasta come un pilastro cilindrico al centro della cella unitaria.

(a) Schema della superficie comprendente le celle progettabili di bagnabilità, che forniscono il gradiente di bagnabilità 1D. Una cella unitaria (racchiusa dal quadrato rosso tratteggiato) ha regioni non incise (gialle) e fisicamente incise (verdi). Il parametro \(d\left(x, y\right)\) è il diametro del pilastro. (b) Schemi delle viste dall'alto e (c) laterale delle celle unitarie. La lunghezza del lato della cella unitaria e l'altezza del pilastro sono rispettivamente \(L=5 \mathrm{\mu m}\) e \(h=0,2 \mathrm{\mu m}\), rispettivamente, nei nostri canali fabbricati. (d) Schemi della sezione trasversale per superfici non incise e incise. (e) Schemi della sezione trasversale della superficie pavimentata con le celle unitarie (schema a sinistra) e superficie composita equivalente (schema a destra).