Gradient de mouillabilité flexible pour le contrôle passif du mouvement des fluides via une modification physique de la surface

Mar 22, 2024

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 6440 (2023) Citer cet article

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Les surfaces solides modifiées présentent un comportement mouillant unique, tel que l'hydrophobie et l'hydrophilie. Un tel comportement peut contrôler passivement l’écoulement du fluide. Dans cette étude, nous avons démontré expérimentalement un réseau de cellules concevables en mouillabilité, constitué de surfaces non gravées et physiquement gravées par gravure ionique réactive sur un substrat de silicium. Le processus de gravure a induit une rugosité de surface importante sur la surface du silicium. Ainsi, les surfaces non attaquées et gravées ont des mouillabilités différentes. En ajustant le rapport entre les surfaces non gravées et gravées, nous avons conçu des gradients de mouillabilité unidimensionnels et bidimensionnels pour le canal de fluide. Par conséquent, des canaux affinés réalisaient passivement des mouvements fluides unidirectionnels et courbes. La conception d’un gradient de mouillabilité est cruciale pour les systèmes pratiques et portables dotés de canaux de fluide intégrés.

Les canaux microfluidiques ont été étudiés pour des applications chimiques et biologiques telles que des capteurs portables et à haute sensibilité1,2,3,4,5,6. Le contrôle actif du mouvement des fluides dans les microcanaux est une technique cruciale pour déterminer leurs performances7,8,9,10,11,12,13. À ce jour, des vannes micromécaniques14,15, des vannes à commande pneumatique16 et des modifications de surface commutables électriquement17,18,19,20 ont été explorées. Un tel contrôle actif nécessite des procédures de fabrication compliquées et des sources d'énergie externes pour obtenir une excellente contrôlabilité et une reformation de la mouillabilité par des stimuli externes. Le contrôle passif du fluide est une autre approche importante21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31. Cette méthodologie nous permet de contrôler la mouillabilité à l'aide de structures simples sans fonctions reformables. En tant que plates-formes du contrôle passif, des structures anisotropes alignées (par exemple, des réseaux de piliers Janus 32 et des structures de bords à courbure concave 33) et différents gradients de mouillabilité basés sur les matériaux 34 ont été étudiés. Cependant, de telles approches limitent la flexibilité de la conception des canaux.

Étant donné que le processus de gravure, par exemple la gravure ionique réactive (RIE), modifie l'état de surface d'un matériau solide35,36, les surfaces non gravées et gravées présentent des propriétés de mouillabilité différentes, même lors de l'utilisation d'un seul matériau. La fabrication de surfaces microscopiques non gravées ou gravées à l'aide d'un procédé semi-conducteur permet une conception flexible et une fabrication simple de surfaces fonctionnelles avec une mouillabilité particulière.

Dans cette étude, nous avons étudié expérimentalement des canaux de fluide unidirectionnels et incurvés avec des réseaux de cellules à mouillabilité carrée. Les cellules unitaires étaient constituées d'une zone non gravée et d'une zone gravée avec RIE. Les processus RIE ont créé des évidements nanoscopiques sur la surface du silicium, fournissant ainsi différentes mouillabilités sur les surfaces non gravées. La mouillabilité des surfaces de silicium a été ajustée en ajustant le rapport entre les surfaces non gravées et gravées. Les motifs de gravure affinés des cellules individuelles ont créé passivement des gradients de mouillabilité unidimensionnels et bidimensionnels (1D et 2D) sur le substrat de silicium. Cela nous a permis de contrôler la direction et la forme des canaux de fluide en concevant de manière flexible la forme du gradient de mouillabilité. Notre plateforme peut contribuer au contrôle passif du mouvement des fluides dans des applications pratiques.

Nous présentons ici un canal fluide à base de silicium pouvant être conçu en termes de mouillabilité avec le processus RIE. La figure 1a montre la structure de surface du canal de fluide concevable en mouillabilité. Notre canal de fluide était pavé de cellules unitaires carrées constituées de surfaces physiquement non gravées et gravées via RIE, comme le montrent les figures 1b, c. La cellule unitaire (entourée du carré rouge brisé sur la figure 1a) présentait des zones non gravées et gravées. Le processus de gravure a formé une région déprimée (verte). La région non gravée (jaune) est restée sous forme de pilier cylindrique au centre de la cellule unitaire.

(a) Schéma de la surface comprenant les cellules désignables en mouillabilité, qui fournissent le gradient de mouillabilité 1D. Une cellule unitaire (entourée par le carré en pointillés rouge) comporte des régions non gravées (jaune) et physiquement gravées (vertes). Le paramètre \(d\left(x, y\right)\) est le diamètre du pilier. (b) Schémas de vue de dessus et (c) de côté des cellules unitaires. La longueur du côté de la cellule unitaire et la hauteur du pilier sont respectivement \(L=5 \mathrm{\mu m}\) et \(h=0.2 \mathrm{\mu m}\) dans nos canaux fabriqués. (d) Schémas de section transversale pour les surfaces non gravées et gravées. (e) Schémas de coupe transversale pour la surface pavée avec les cellules unitaires (schéma de gauche) et la surface composite équivalente (schéma de droite).