کاهش کشش ناشی از آبگریز: چشم انداز از طول لغزش

ZHI TAO ، Weidong Fang ، Haiwang Li ، Yi Huang ، Tiantong Xu ، Hanxiao Wu ، Murun LI ؛کاهش کشیدن ناشی از آبگریز: چشم انداز از طول لغزش. مجله فیزیک کاربردی 7 فوریه 2023 ؛133 (5): 054701. https://doi. org/10. 1063/5. 0141310

دانلود پرونده استناد:

نوار ابزار

آبگریز در بسیاری از مناطق ایجاد شده است ، که پتانسیل های کاهش درگ در میکروسکوپ ، توجه زیادی را برای گسترش کاربردهای عملی در زمینه های دستگاه های تراشه ، سنتز مواد و انتقال حرارت افزایش یافته است. در این مقاله ، ما پلی دی متیل سیلوکسان (PDMS) را به عنوان ماده پایه انتخاب می کنیم ، که تغییرات آبگریز آن به خوبی توسعه یافته است. در میان آنها ، اسید هیدروفلوئوریک عملکرد بسیار خوبی را نشان می دهد و ما را به دو نوع میکرو کانن ، مستقیم و U شکل ، با آبگریز پیشرفته (از 91 تا 106 درجه) سوق می دهد. ضرایب افت فشار به صورت تجربی با شماره رینولدز از 0 تا 300 اندازه گیری می شود. نتایج نشان می دهد که میزان کاهش درگ برای میکرو کانن مستقیم و 26. 8 ٪ برای میکرو کانن U شکل می رسد. با افزایش تعداد رینولدز ، اثر کاهش درگ تقریباً برای کانال مستقیم ثابت می ماند ، در حالی که به تدریج برای کانال U شکل کاهش می یابد. ضربه جریان ناشی از یک نیروی گریز از مرکز تأثیر مهمی بر اثر لغزش دارد که با RE رشد می کند. در مرحله بعد ، ما روش عددی و اندازه گیری سرعت تصویربرداری میکرو ذرات را برای تجزیه و تحلیل اثر کاهش درگ از دیدگاه طول لغزش اتخاذ می کنیم. ما با موفقیت مدل طول لغزش را با همبستگی اثر کاهش درگ استخراج می کنیم. نتایج ما نه تنها به کاهش قابل توجهی در میکرو کانن های PDMS دست می یابند ، بلکه همبستگی کمی بین آبگریز و کاهش در کشیدن ارائه می دهد ، و یک استراتژی امکان پذیر برای کاربردهای گسترده در میکروسکوپ ، مانند فعال سازی سیال ، تجزیه و تحلیل بیو تراشه و سیستم خنک کننده بسیار کارآمد ارائه می دهد.

موضوعات موضوعاتی

مقدمه

میکروسیالی ها به دلیل خصوصیات فیزیکی منحصر به فرد و کاربردهای گسترده در آزمایشگاه در دستگاه های تراشه ، 1،2 داروخانه بیوشیمی ، 3،4 و میکروالکترونیک ، تمرکز تحقیقات شدید را به دست آورده اند. 5،6 به عنوان یکی از خصوصیات فیزیکی منحصر به فرد میکروسیالی ها ، نسبت سطح بالا به حجم به حجم به مکانیسم های خاص سیال کمک می کند و نظریه های خود را با مزایای مزارع مواد غذایی ، 7 تحویل دارو ، 8 و دستکاری قطره ، 9 اما IT کمک می کند. همچنین منجر به مقاومت در برابر جریان بالا می شود و توسعه میکروفلوئیدها در سیستم های بسیار کارآمد و غیرفعال را محدود می کند. بنابراین ، آبگریز به ویژه برای کاهش درگ در میکروسکوپ معرفی شده و در تعداد قابل توجهی از برنامه ها ، 10-12 برای موارد ، فعال سازی مایعات مبهم ، 13 تولید میکروپلت ، 14 و الگوی سلولهای بیولوژیکی ایجاد شده است. 15،16

از امروز ، تعداد قابل توجهی از روش ها و مواد پردازش آبگریز ارائه شده است. به عنوان مثال ، Perfluoroalkoxy ، یک ماده آبگریز که زاویه تماس آن برای آب دفع شده (DI) به 110 درجه می رسد ، 26 ٪ میزان کاهش کشیدن را نشان می دهد. 17 عملکرد کاهش درگ نیز می تواند در میکرو لوله های مس حاصل شود ، که نشان می دهد افت فشار می تواند بیش از 60 ٪ کاهش یابد. 18 در مقایسه با سطوح آبگریز صاف ، یک سطح آبگریز با طرح نسبت رابط گاز و مایع بزرگتر را بدست می آورد و کاهش قابل توجهی در کشیدن را ایجاد می کند. با ابعاد هندسی متنوع ، کاهش افت فشار از 10 ٪ تا 30 ٪ در میکرو کانن های مبتنی بر سیلیکون صاف و میکرو کانن های مبتنی بر سیلیکون مشاهده می شود. 19 علاوه بر این ، سطوح فوق هیدروفوبیک می تواند در سطح تیتانیوم 20 یا آلومینیوم ساخته شود. 21 با این وجود ، تمام مطالعات فوق الذکر عمدتاً بر خصوصیات هیدرودینامیکی سطح آبگریز بدون ملاحظات زیست سازگاری ، انعطاف پذیری و عدم تحرک شیمیایی مواد بستر که پایه های کاربردهای عملی را فراهم می کند ، متمرکز شده است.

Polydimethylsiloxane (PDMS) ، که یکی از متداول ترین مواد در ساخت سیستم های میکروسیالی است ، شرایط خسارت طبیعی نسبتاً آبگریز را ارائه می دهد (زاویه تماس در حدود 90 درجه). با این حال ، اثر کاهش کشش سطح PDMS صاف محدود است. 22 از این رو ، سطح اصلی برای بهبود عملکرد آبگریز باید بیشتر پردازش شود. 23 بر اساس ایجاد زبری سطح با استفاده از خوردگی اسید با اسیدهای گوگرد یا هیدروفلوئوریک ، PDM ها با یک سطح آبگریز می توانند با موفقیت تولید شوند. 24 برای کاربرد بیشتر ، ضروری است که از روش خوردگی اسید در ساخت میکرو کانن های آبگریز PDMS و عملکرد کاهش درگ آن استفاده کامل کنیم. در این مطالعه ، ما اثر کاهش کشش میکرو کانن های آبگریز PDMS با پردازش اسید هیدروفلوئوریک را بررسی می کنیم. روش پردازش با دقت طراحی شده و برای دستیابی به یک میکرو کانن یکنواخت آبگریز در سطوح آن انجام شده است. علاوه بر میکرو کانن مستقیم معمولی (SM) ، ما همچنین اثر کاهش کشش میکرو کانن U شکل (UM) را مطالعه می کنیم. علاوه بر این ، ما از نظر عددی و تجربی رابطه بین کاهش درگ و طول لغزش در کانال های مستطیل را ایجاد می کنیم ، که ممکن است در ساخت و طراحی میکروسیستم ها نقش داشته باشد.

ii. مواد و روش ها

A. ساخت میکرو کانن ها

میکرو کانن ها با ریخته گری PDMS (Dow Coing Sylgard184) و معرف با نسبت جرم 10: 1 بر روی یک استاد قالب فوتوریست (SU-8 2100) و پیوند پلاسما بر روی شیشه از پیش پوشش داده شده با استفاده از PDMS به دست آمد. برای اطمینان از همگن بودن آبگریز در میکرو کانن ها ، بستر شیشه ای توسط لایه PDMS پوشانده شده است ، که با سرعت 1000 دور در دقیقه برای حدود 50 ثانیه می چرخید و سپس به مدت 2 ساعت در دمای 120 درجه سانتیگراد پخته می شد تا شکل بگیردیک پوشش یکنواخت. برای ارزیابی دقیق در مورد افت فشار ، طول ، عرض و عمق میکرو کانن ها توسط میکروسکوپ نوری اندازه گیری شد (Nikon MM-800).

برای تشکیل یک سطح آبگریز ، ما محلول HF (40 وزنی ٪) را با سرعت 0. 0468 میلی لیتر در دقیقه به مدت 5 دقیقه به میکرو کانلها تزریق کردیم تا سطح آبگریز تشکیل شود. پس از پردازش فرسایش سطح ، میکرو کانن ها با آب اتانول و DI تمیز شدند تا محلول HF و سایر باقیمانده ها از بین بروند.

ب - تنظیمات آزمایشی

هم یک UM و هم یک SM [(شکل 1 (A)] در مراحل فوق با ابعاد عرض W = 600 میکرومتر و ارتفاع H = 130 میکرومتر ساخته شدند. شعاع چرخش کانال U برابر با 0. 8 بودمیلی متر پس از تصفیه آبگریز ، ما میکرو کانن Uperophobic U شکل به دست آوردیم (U_hم) و میکرو کانن مستقیم آبگریز (s_hم)برای اندازه گیری دقیق افت فشار ، ما نقاط نظارت بر فشار را مستقیماً در میکرو کانن طراحی کردیم ، با عرض تنها 200 میکرومتر ، که تأثیر اندازه گیری فشار را در جریان کاهش می دهد و همچنین از کاهش فشار اضافی جلوگیری می کند (شکل. S1 در مواد تکمیلی).

شکل. 1

شماتیک میکرو کانن های PDMS و سیستم های آزمایشی.(الف) مدل های SM/S_hm و um/u_hم ؛(ب) سیستم اندازه گیری فشار و سیستم μ PIV.

شکل. 1

شماتیک میکرو کانن های PDMS و سیستم های آزمایشی.(الف) مدل های SM/S_hm و um/u_hم ؛(ب) سیستم اندازه گیری فشار و سیستم μ PIV.

در سیستم آزمایشی ، همانطور که در شکل 1 (b) نشان داده شده است ، از پمپ سرنگ (PhD Harvard PhD Ultratm) برای هدایت مایع از طریق میکرو کانل با سرعت جریان از 0. 11 تا 7. 7 میلی لیتر در دقیقه استفاده شد. افت فشار توسط یک فرستنده فشار دیفرانسیل (Honeywell STD820) با دقت 0. 025 ٪ اندازه گیری شد. سیستم تصویربرداری میکرو ذرات (μ PIV) شامل یک لیزر حفره پالس لیزر دوتایی ، یک دوربین دیجیتال (Dantec Flowsenseeo 4m 32) و یک میکروسکوپ معکوس بود.(Leica DM IL با مرحله x/y 3 صفحه ، لنز 20 × هدف). تصاویر اکتسابی توسط Dynamic Studio 2017a پردازش شد. مایع در حال کار با دمای ثابت 21. 6 درجه سانتیگراد بود و تمام آزمایشات در یک اتاق تمیز انجام شد.

ج - روش پردازش داده ها

در این مطالعه ، عملکرد کاهش درگ در میکرو کانن ها با درمان پس از درمان داده های اصلی ارزیابی می شود. ابتدا قطر هیدرولیک D را محاسبه می کنیم [Eq.(1)] ،

D = 4 W H 2 (W + H) = 2 W H W + H.

در SM ، فاصله بین نقاط نظارت بر فشار L S 20 میلی متر است ، و میانگین سرعت U A V از سیال می تواند از سرعت جریان Q نشان داده شده در پمپ سرنگ استنباط شود [Eq.(2)]. Δ P S به معنای افت فشار به دست آمده توسط فرستنده فشار دیفرانسیل است. سپس ، ضریب اصطکاک و تعداد PO در SM را می توان به شرح زیر محاسبه کرد.(3) و (4)]:

u a v = q / w h ، f s = 2 δ p s d ρ l s u a v 2 ، p o = f s r e = 2 Δ p s d ρ l s u a v 2 ρ u a v d μ = 2 Δ p s d 2 μ l s u a v.

در UM ، Δ P t o t a l مخفف کاهش فشار کل در بخش تست بین نقاط نظارت بر فشار است که از قسمت مستقیم و خمیده تشکیل شده است. μ ویسکوزیته پویا مایعات کار است. طول قسمت خمیده l u [eq.(5)] را می توان از دور نیم دایره محاسبه کرد. بنابراین ، افت فشار Δ P U از قسمت خمیده می تواند در Eq بیان شود.(6):

l u = 2 π r ، Δ P u = δ p t o t a l - Δ p s.

بنابراین ، عامل اصطکاک در UM در معادله زیر قابل بیان است:

f u = 2 δ p u d ρ l u u a v 2.

شایان ذکر است که عامل اصطکاک در UM و U_hM نه تنها مقاومت جاری را در قسمت خمیده نشان می دهد ، بلکه شامل کاهش فشار اضافی در پایین دست است. این امر از توسعه مجدد مشخصات سرعت ناهموار ناشی از قسمت خمیده ناشی می شود. علاوه بر این ، میزان کاهش درگ (DRR) میکرو کانن آبگریز به طور جامع در کل محدوده تعداد رینولدز آزمایش شده (Re) ارزیابی می شود ، که نشان دهنده اثر کاهش کشش کلی کانال آبگریز نسبت به نوع معمولی است [Eq.(8)] ،