Flexibel gestaltbarer Benetzbarkeitsgradient zur passiven Steuerung der Flüssigkeitsbewegung durch physikalische Oberflächenmodifikation

Mar 22, 2024

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 6440 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Modifizierte feste Oberflächen weisen ein einzigartiges Benetzungsverhalten wie Hydrophobie und Hydrophilie auf. Ein solches Verhalten kann den Flüssigkeitsfluss passiv steuern. In dieser Studie haben wir experimentell ein durch Benetzbarkeit gestaltbares Zellarray demonstriert, das aus ungeätzten und physikalisch geätzten Oberflächen durch reaktives Ionenätzen auf einem Siliziumsubstrat besteht. Der Ätzprozess verursachte eine erhebliche Oberflächenrauheit auf der Siliziumoberfläche. Somit weisen die ungeätzten und geätzten Oberflächen unterschiedliche Benetzbarkeiten auf. Durch Anpassen des Verhältnisses zwischen ungeätzten und geätzten Oberflächenbereichen haben wir ein- und zweidimensionale Benetzbarkeitsgradienten für den Flüssigkeitskanal entworfen. Folglich realisierten fein abgestimmte Kanäle passiv unidirektionale und gekrümmte Flüssigkeitsbewegungen. Die Gestaltung eines Benetzbarkeitsgradienten ist für praktische und tragbare Systeme mit integrierten Flüssigkeitskanälen von entscheidender Bedeutung.

Mikrofluidkanäle wurden für chemische und biologische Anwendungen wie hochempfindliche und tragbare Sensoren untersucht1,2,3,4,5,6. Die aktive Steuerung der Flüssigkeitsbewegung in Mikrokanälen ist eine entscheidende Technik zur Bestimmung ihrer Leistung7,8,9,10,11,12,13. Bisher wurden mikromechanische Ventile14,15, pneumatisch gesteuerte Ventile16 und elektrisch schaltbare Oberflächenmodifikationen17,18,19,20 erforscht. Eine solche aktive Kontrolle erfordert komplizierte Herstellungsverfahren und externe Energiequellen, um eine hervorragende Kontrollierbarkeit und Wiederherstellung der Benetzbarkeit durch externe Reize zu erreichen. Die passive Kontrolle der Flüssigkeit ist ein weiterer wichtiger Ansatz21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31. Diese Methodik ermöglicht es uns, die Benetzbarkeit mithilfe einfacher Strukturen ohne reformierbare Funktionen zu steuern. Als Plattformen der passiven Kontrolle wurden ausgerichtete anisotrope Strukturen (z. B. Anordnungen von Janus-Säulen32 und Kantenstrukturen mit konkaver Krümmung33) und verschiedene materialbasierte Benetzbarkeitsgradienten34 untersucht. Allerdings schränken solche Ansätze die Flexibilität des Kanaldesigns ein.

Da der Ätzprozess, z. B. reaktives Ionenätzen (RIE), den Oberflächenzustand eines festen Materials verändert35,36, weisen ungeätzte und geätzte Oberflächen unterschiedliche Benetzbarkeitseigenschaften auf, selbst wenn ein einziges Material verwendet wird. Die Herstellung mikroskopisch kleiner ungeätzter oder geätzter Oberflächen mittels eines Halbleiterprozesses ermöglicht eine flexible Gestaltung und einfache Herstellung funktioneller Oberflächen mit besonderer Benetzbarkeit.

In dieser Studie untersuchten wir experimentell unidirektionale und gekrümmte Flüssigkeitskanäle mit quadratischen, durch Benetzbarkeit gestaltbaren Zellanordnungen. Die Elementarzellen bestanden aus einem ungeätzten Bereich und einem mit RIE geätzten Bereich. Die RIE-Prozesse erzeugten nanoskopische Vertiefungen auf der Siliziumoberfläche und sorgten dadurch für unterschiedliche Benetzbarkeiten auf den ungeätzten Oberflächen. Die Benetzbarkeit der Siliziumoberflächen wurde durch Anpassen des Verhältnisses der ungeätzten und geätzten Oberflächenbereiche abgestimmt. Die fein abgestimmten Ätzmuster der einzelnen Zellen erzeugten passiv ein- und zweidimensionale (1D und 2D) Benetzbarkeitsgradienten auf dem Siliziumsubstrat. Dadurch konnten wir die Richtung und Form der Flüssigkeitskanäle steuern, indem wir die Form des Benetzbarkeitsgradienten flexibel gestalteten. Unsere Plattform kann in praktischen Anwendungen zur passiven Steuerung von Flüssigkeitsbewegungen beitragen.

Hier stellen wir einen auf Silizium basierenden, durch Benetzbarkeit gestaltbaren Flüssigkeitskanal mit dem RIE-Prozess vor. Abbildung 1a zeigt die Oberflächenstruktur des benetzbarkeitsgestaltbaren Flüssigkeitskanals. Unser Flüssigkeitskanal war über RIE mit quadratischen Elementarzellen gepflastert, die aus physisch ungeätzten und geätzten Oberflächen bestanden, wie in Abb. 1b, c dargestellt. Die Elementarzelle (in Abb. 1a durch das gestrichelte rote Quadrat umschlossen) wies ungeätzte und geätzte Bereiche auf. Durch den Ätzvorgang entstand ein vertiefter (grüner) Bereich. Der ungeätzte (gelbe) Bereich verblieb als zylindrische Säule im Zentrum der Elementarzelle.

(a) Schematische Darstellung der Oberfläche mit den benetzbarkeitsgestaltbaren Zellen, die den 1D-Benetzbarkeitsgradienten bereitstellen. Eine Elementarzelle (umschlossen durch das rot gepunktete Quadrat) hat ungeätzte (gelb) und physisch geätzte (grün) Bereiche. Der Parameter \(d\left(x, y\right)\) ist der Durchmesser der Säule. (b) Draufsicht- und (c) Seitenansichtsschemata der Elementarzellen. Die Seitenlänge der Elementarzelle und die Höhe der Säule betragen in unseren hergestellten Kanälen \(L=5 \mathrm{\mu m}\) bzw. \(h=0,2 \mathrm{\mu m}\). (d) Schematische Darstellung des Querschnitts für ungeätzte und geätzte Oberflächen. (e) Schematische Darstellung des Querschnitts für die mit den Elementarzellen gepflasterte Oberfläche (linkes Schema) und die äquivalente Verbundoberfläche (rechtes Schema).

Die Benetzbarkeit des Flüssigkeitskanals wurde mit zwei Verfahren gestaltet. Zuerst haben wir zwei Oberflächen mit unterschiedlichen Benetzbarkeiten vorbereitet, nämlich die ungeätzte und die geätzte Oberfläche. Der RIE-Prozess induziert die Rauheit auf der Siliziumoberfläche, wie in Abb. 1d dargestellt. Aufgrund der Rauheit vergrößert sich die wirksame Oberfläche. Die hydrophile Benetzbarkeit solcher Oberflächen wird durch das Wenzelsche Gesetz ausgedrückt:

Dabei ist \({\theta }_{1 \left(2\right)}\) der Kontaktwinkel auf der ungeätzten (geätzten) Oberfläche und \(r\) ein Rauheitsfaktor37. Zweitens haben wir die effektive Benetzbarkeit der Elementarzellen fein abgestimmt, indem wir die Teilflächen der ungeätzten (\({r}_{1}\)) und geätzten (\({r}_{2}\)) Bereiche angepasst haben. Die Werte von \({r}_{1}\) und \({r}_{2}\) variierten durch Anpassen des Säulendurchmessers \(d\left(x,y\right)\), d. h beschrieben als:

Dabei sind \(L\) und \(h\) die Längen beider Seiten der Elementarzelle bzw. die Säulenhöhe. Wenn die beiden Oberflächen aus hydrophilen Materialien bestehen, berührt das Wasser über die zylindrischen Säulen die gesamte Oberfläche der Elementarzellen mit Oberflächenunebenheiten, wie im linken Schema in Abb. 1e dargestellt. Dieser Zustand entspricht der zusammengesetzten Oberfläche, die aus den beiden Bereichen besteht, die unterschiedliche Benetzbarkeiten aufweisen, wie im rechten Schema in Abb. 1e dargestellt. Der effektive Kontaktwinkel \(\theta\) auf einer solchen Oberfläche wird durch die Cassie-Gleichung38 beschrieben:

Unter Verwendung der Wenzel- und Cassie-Gesetze haben wir die Elementarzellen mit feiner Gestaltungsmöglichkeit hinsichtlich ihrer Benetzbarkeit modelliert.

Interessanterweise erzeugte die Zellanordnung einen anisotropen Benetzbarkeitsgradienten über die gesamte Oberfläche. Abgetropfte Flüssigkeit breitet sich auf einer solchen Gradientenoberfläche aus und breitet sich in Richtung des Bereichs mit hoher Hydrophilie aus. Beispielsweise hatte der Flüssigkeitskanal einen 1D-Benetzbarkeitsgradienten, wobei \(d\left(x,y\right)\) entlang der \(x\)-Achse allmählich abnahm, während er entlang der \(y\)-Achse konstant blieb. -Achse, wie in Abb. 1a dargestellt. Ein solcher 1D-Gradient stellte einen unidirektionalen Flüssigkeitskanal bereit, d. h. die Flüssigkeit floss wahrscheinlich in die positive Richtung entlang der \(x\)-Achse, wie durch den blauen Pfeil in Abb. 1a dargestellt. Darüber hinaus zeigte die Oberfläche einen 2D-Benetzbarkeitsgradienten, wenn \(d\left(x,y\right)\) entlang der \(x\)- und \(y\)-Achsen variiert wurde. Dementsprechend können Richtung und Form von Fluidkanälen flexibel gestaltet werden. Beispielsweise sorgte ein 2D-Benetzbarkeitsgradient für einen gekrümmten Flüssigkeitskanal.

Das Siliziumsubstrat wurde gereinigt, indem es in eine Piranha-Lösung (Mischung aus konzentriertem H2SO4 und H2O2 im Verhältnis 3:1), Milli-Q-Wasser (18 \(\mathrm{M\Omega }{\mathrm{ cm}}^) getaucht wurde {-1}\)) und verdünnen Sie HF. Durch die Substratreinigung werden organische Verunreinigungen und die natürliche Oxidschicht auf dem Substrat entfernt. Wir haben das Substrat mit Hexamethyldisilazan und einem Elektronenstrahlresist (EB) (Zeon Corporation, ZEP520) beschichtet. Die periodisch ausgerichteten Säulen wurden durch EB-Lithographie (JEOL, JBX-6300FS) strukturiert. Zur Oberflächenmodifizierung wurden die Siliziumoberflächen durch den RIE-Prozess (SAMCO, RIE-10NR) mit Ar- und CF4-Gasen bei einer Ätzleistung von 200 W und einem Druck von 2,0 Pa physikalisch geätzt. Aufgrund der hohen Ätzleistung und des niedrigen Drucks von Durch die reaktiven Gase wird beim RIE-Prozess physikalisch geätzt und eine Oberflächenrauheit auf der Siliziumoberfläche erzeugt. Abschließend wurde das Substrat erneut durch das Substratreinigungsverfahren gereinigt, um unerwünschte chemische hydrophile Gruppen zu entfernen, die sich durch den RIE-Prozess bildeten.

Um die Benetzbarkeit von Zellanordnungen aufzuklären, haben wir mit (i) homogenen Zellen bedeckte Oberflächen für mehrere konstante Werte des Säulendurchmessers vorbereitet, \(d\left(x,y\right)={d}_{\mathrm{const}} \). Darüber hinaus untersuchten wir die Oberflächen, die mit (ii) 1D- und (iii) 2D-inhomogenen Zellen mit 1D- bzw. 2D-Benetzbarkeitsgradienten gepflastert waren. Wir haben die Elementarzellen mit einer Seitenlänge von \(L=5 \mathrm{\mu m}\) und einer Säulenhöhe von \(h=0,2 \mathrm{\mu m}\) in allen Oberflächen dieser Studie hergestellt.

Die Oberfläche (i) bestand aus homogenen 1000 × 1000 Zellen (Arraygröße: 5 × 5 mm2). Der Säulendurchmesser \({d}_{\mathrm{const}}\) wurde gemäß \({r}_{2}=\) 1,0, 0,93, 0,74, 0,54, 0,37 und 0 variiert. Die Bedingungen von \({r}_{2}=0\) und 1,0 repräsentierten jeweils völlig ungeätzte und geätzte Siliziumoberflächen. Der Wert von \({r}_{2}\) wurde mit Gleichung berechnet. (2b). Die Benetzbarkeit wurde durch Messung der effektiven Kontaktwinkel auf den Zellanordnungen durch Eintropfen von 2 \(\mathrm{\mu L}\) Wasser bewertet.

Oberfläche (ii) umfasste 1080 \(\times\) 1980 Zellen (Arraygröße: 5,4 \(\times\) 9,9 mm2). Um den 1D-Benetzbarkeitsgradienten zu bilden, haben wir \(d\left(x, y\right)\) schrittweise von 4,75 auf 0,3 \(\mathrm{\mu m}\) in Schritten von 0,05 \(\mathrm{\mu) geändert m}\) pro 22 Zellen (110 \(\mathrm{\mu m}\)) entlang der \(x\)-Achse. Auf der \(y\)-Achse wurden 1080 Zellen mit den gleichen Werten von \(d\left(x, y\right)\) in jeder Zeile periodisch ausgerichtet, d. h. \(d\left(x, y\) rechts)\) hängt ausschließlich von \(x\) ab. Somit wird der Ausdruck von \(d\left(x, y\right)\) wie folgt beschrieben:

wobei \(\left[\cdot \right]\) das Gauß-Symbol ist. Anschließend hatte der Flüssigkeitskanal einen Benetzbarkeitsgradienten entlang der \(x\)-Achse und war auf der \(y\)-Achse flach. Wir ließen wiederholt 1 \(\mathrm{\mu L}\) Wasser vom Rand der Anordnung fallen. Die passive Bewegung der getropften Flüssigkeit wurde beobachtet, indem nach jedem Tropfen ein Foto gemacht wurde.

Oberfläche (iii) wurde so konzipiert, dass sie einen 2D-Benetzbarkeitsgradienten aufweist. Wir haben 1080 \(\times\) 1980 Zellen (Arraygröße: 5,4 \(\times\) 9,9 mm2) auf der Siliziumoberfläche gebildet. Der Säulendurchmesser \(d\left(x, y\right)\) variierte sowohl entlang der \(x\)- als auch der \(y\)-Achse. Der Maximalwert von \(d\left(x, y\right)\) betrug 4,75 \(\mathrm{\mu m}\) in der Mitte der obigen Kante im Kanal, \(\left(x, y\ rechts)=\left(0, w/2\right)\), wobei \(w=5,4 \mathrm{mm}\) die Kanalbreite entlang der \(y\)-Achse war. Entlang der \(y\)-Achse wird \(d\left(x, y\right)\) in Schritten von 0,05 \(\mathrm{\mu m}\) pro 27 Zellen (135 \) erhöht (verringert). (\mathrm{\mu m}\)) in \(0\le y\le w/2\) (\(w/2

Das Verhalten der Flüssigkeit wurde untersucht, indem Wasser in den Kanal getropft wurde. Beachten Sie, dass die Einheit für die Koordinaten \(x\) und \(y\) Mikrometer ist.

Der Zustand der modifizierten Siliziumoberfläche wurde mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) (ULVAC PHI Inc., Quantera SXM), Rasterkraftmikroskopie (AFM) (Hitachi High-Tech Science Corp., E-sweep) und Transmission untersucht Elektronenmikroskopie (TEM) (JEOL Ltd., JEM-ARM200F). Wir haben das Benetzungsverhalten von Wassertröpfchen auf der Siliziumoberfläche mit einem Kontaktwinkelmessgerät und einer Analysesoftware (Kyowa Interface Science Co., Ltd., DMo-501 und FAMAS) aufgezeichnet.

Die ungeätzten (linkes Schema in Abb. 1d) und geätzten (rechtes Schema in Abb. 1d) Siliziumoberflächen zeigten unterschiedliche Benetzbarkeiten. Um dies zu beobachten, haben wir das Benetzungsverhalten auf Siliziumoberflächen mit und ohne RIE-Verfahren gemessen. Abbildung 2a,b zeigen die Seitenansichten des Tropfens, wenn 2 \(\mathrm{\mu L}\) Wasser auf die ungeätzten und geätzten Siliziumoberflächen getropft wurden. Die Kontaktwinkel betrugen 80,3° (Abb. 2a) und 42,1° (Abb. 2b) für die Oberflächen ohne bzw. mit dem RIE-Verfahren. Der RIE-Prozess führte zu einer besser benetzbaren Oberfläche auf dem Siliziumsubstrat. Beachten Sie, dass beide Substrate vor der Beobachtung mithilfe des Substratreinigungsverfahrens gereinigt wurden, um unerwünschte chemische hydrophile Gruppen zu entfernen.

Seitenansichten des Wassertropfens auf der gereinigten Siliziumoberfläche (a) ohne und (b) mit Plasmaätzprozessen. Oberflächenprofile der Siliziumoberfläche (c) ohne und (d) mit der Ätzung mittels AFM. Die TEM-Bilder des Querschnitts der Siliziumoberflächen (e) ohne und (f) mit Ätzung. (g) Si2p- und (h) C1s-XPS-Spektren. Rote, grüne und blaue Linien stellen Prozess (A) (mit RIE und mit Reinigung), (B) (ohne RIE und mit Reinigung) und (C) (mit RIE und ohne Reinigung) dar. , jeweils.

Eine solche Diskrepanz in der Benetzbarkeit zwischen ungeätzten und geätzten Siliziumoberflächen wird durch die Oberflächenrauheit erklärt, wie in der Literatur dargestellt39,40,41,42. Wir haben die Oberflächenrauheit der ungeätzten und geätzten Siliziumsubstrate mittels AFM bewertet. Abbildung 2c,d zeigt die Oberflächen- bzw. Höhenprofile entlang der grün gepunkteten Linie. Das geätzte Silizium hatte eine deutlich rauere Oberfläche als das ungeätzte Silizium. Der Höhenunterschied für die Oberfläche ohne Ätzung betrug etwa 0,55 nm. Im Gegensatz dazu wies die dem Ätzprozess unterzogene Oberfläche einen Höhenunterschied von mehr als 5 nm auf. Die raue Oberfläche wurde durch den RIE-Prozess erzeugt, weil die Ätzionen (beschleunigte Ar-Ionen, \(\sim\) 0,1 nm) nanoskalige Vertiefungen (\(\sim\) Subnanometer) auf der Oberfläche bildeten. Wir stellen fest, dass die Oberflächenrauheit der Säule nicht wesentlich zur Benetzbarkeit der Elementarzellen beiträgt. Tatsächlich betrug der Rauheitsfaktor über Säulen in Elementarzellen \(1

Darüber hinaus können wir die Rauheitsunterschiede zwischen den ungeätzten und geätzten Siliziumoberflächen visuell erfassen. Abbildung 2e, f zeigen die TEM-Bilder des Querschnitts der ungeätzten bzw. geätzten Siliziumoberflächen. Wie in Abb. 2e gezeigt, hatten die Oberflächenatome eine kristalline Anordnung. Auf der ungeätzten Oberfläche wurde ein flaches Profil beobachtet. Unterdessen verschlechterte sich in Abb. 2f die Ebenheit der geätzten Oberfläche aufgrund der Verzerrung der Atomschichten. Dieses Ergebnis deutete auf eine Zunahme der Rauheit der Siliziumoberfläche aufgrund des RIE-Prozesses hin.

Die chemische Zusammensetzung verändert auch die Benetzbarkeit43,44,45. Bei unserem Ansatz war die chemische Benetzbarkeit jedoch ein vernachlässigbarer Effekt, da die funktionellen Gruppen durch das Verfahren der Substratreinigung mit Piranha-Lösung, verdünnter HF und reinem Wasser entfernt wurden, was in den folgenden Diskussionen als Reinigung bezeichnet wird. Um den Beitrag der chemischen Zusammensetzungen zu klären, untersuchten wir die XPS-Spektren für die Siliziumoberfläche mit (A) ohne RIE und mit Reinigung, (B) ohne RIE und mit Reinigung, (C) mit RIE und mit /o Reinigungsvorgänge.

Abbildung 2g,h zeigt die Si2p- bzw. C1s-XPS-Spektren. Die rote Linie ist das Spektrum für die Oberfläche von Prozess (A) (mit RIE und mit Reinigung). Die Bindungsenergien für die Si-Si-, C-H- und C-O-Bindungen betrugen 99,75, 285 bzw. 286,5 eV. Die C-H- und C-O-Bindungen waren mit abgelagertem organischem Material aus der Atmosphäre nach dem Reinigungsprozess verbunden. Ein vernachlässigbarer Peak bei 103,25 eV (Si-O-Bindung) stammte vom natürlichen Oxidfilm, der sich während des Reinigungsprozesses und der XPS-Messungen bildete. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass es für Prozess (A) keine funktionellen Gruppen wie Silizium-Sauerstoff- oder Silizium-Wasserstoff-Verbindungen auf der Oberfläche gab. Die Spektren für Prozess (B) ähneln denen für Prozess (A). Somit hatten die Oberflächen der Prozesse (A) und (B) hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung ähnliche Morphologien.

Im Gegensatz dazu unterschieden sich die Spektren für Prozess (C) (mit RIE und ohne Reinigung, dargestellt durch die blaue Linie) deutlich von denen für Prozess (A). Insbesondere beobachteten wir im Prozess (C) signifikante Peaks für die Si-O- und C-C-Bindungen. Die Peaks der C-H- und C-C-Bindungen deuten auf die Bildung hydrophiler Gruppen auf der Siliziumoberfläche hin, wodurch die Si-O-Bindung entsteht. Die Ätzgase (Ar und CF4) bilden keine Oxidschicht, also Siliziumdioxid. Somit kann der Reinigungsprozess die chemischen Auswirkungen des Plasmaätzens eliminieren. Bemerkenswerterweise sorgten die hydrophilen Gruppen auf der Siliziumoberfläche für eine deutlich andere Benetzbarkeit als die gereinigte Oberfläche. Der gemessene Kontaktwinkel betrug 6,7° (weitere Einzelheiten siehe Hintergrundinformationen).

Hier untersuchten wir den kontrollierbaren Bereich des Kontaktwinkels \(\theta\) für die mit homogenen Zellen gepflasterte Oberfläche, Oberfläche (i). Abbildung 3a–c zeigt REM-Bilder des hergestellten Zellarrays für \({r}_{2}=\) 0,37, 0,54, 0,74 und 0,93. Das Innere des Kreises (dh die Oberseite der Säule) war die ungeätzte Oberfläche, und die andere Oberfläche in der Zelle war geätzt. Abbildung 3d zeigt die Kontaktwinkel als Funktion des Verhältnisses der geätzten Fläche \({r}_{2}\). Die gemessenen Kontaktwinkel (blauer Kreis) nahmen mit zunehmendem \({r}_{2}\) ab, d. h. die Benetzbarkeit auf der Siliziumoberfläche wurde aufgrund der Vergrößerung der geätzten Fläche hydrophiler. Die experimentellen Ergebnisse stimmten gut mit den nach Gl. berechneten Kontaktwinkeln überein. (3) (Rote Kreuze).

Die REM-Bilder der Oberfläche bestehend aus der homogenen Zellanordnung mit r2 = (a) \(0,37\) (\({d}_{\mathrm{const}}=\) 4,75 \(\mathrm{\mu m} \)), (b) 0,74 (\({d}_{\mathrm{const}}=\) 3,0 \(\mathrm{\mu m}\)), und (c) 0,93 (\({d} _{\mathrm{const}}=\) 1,5 \(\mathrm{\mu m}\)). (d) Die gemessenen und berechneten Kontaktwinkel als Funktion von \({r}_{2}\). Die Bedingungen von \({r}_{2}=0\) und 1 implizieren insgesamt ungeätzte bzw. geätzte Oberflächen. Die Seitenansichtsfotos des Wassertropfens mit r2 = (e) 0,37, (f) 0,74 und (g) 0,93. Der Kontaktwinkel und das Verhältnis \({r}_{2}\) in (d) wurden aus den Gleichungen berechnet. (2b) und (3) mit jedem entworfenen Wert von \({d}_{\mathrm{const}}\).

Abbildung 3e–g sind die Fotografien des Wassertropfens für \({r}_{2}\), der in Abb. 3a–c mit I, II bzw. III gekennzeichnet ist. Der kuppelförmige Wassertropfen weist darauf hin, dass die periodisch geätzte Struktur eine Feinabstimmung der Benetzbarkeit auf der Siliziumoberfläche ermöglicht.

Durch die individuelle Gestaltung von \(d\left(x, y\right)\) der Elementarzellen können wir einen Benetzbarkeitsgradienten auf den Siliziumoberflächen erzeugen. Zunächst demonstrierten wir den 1D-Benetzbarkeitsgradienten auf der Oberfläche (ii), der einen unidirektionalen Flüssigkeitskanal bereitstellte. Abbildung 4a zeigt eine Draufsicht auf den hergestellten Kanal. Das Diagramm links in Abb. 4a zeigt den berechneten Kontaktwinkel entlang der \(x\)-Achse. Oberfläche (ii) weist eine monotone Steigung des Kontaktwinkels auf, die der Form des Benetzbarkeitsgradienten entspricht. Die rechten Felder in Abb. 4a zeigen REM-Bilder an den Punkten A und B. Am Punkt A ist der Durchmesser des ungeätzten Bereichs \(d\left(x, y\right)\) signifikant. Daher weist die Oberfläche eine geringe Benetzbarkeit auf. Im Gegensatz dazu wurde \(d\left(x, y\right)\) auf einen vernachlässigbaren Wert eingestellt, um eine hohe Benetzbarkeit in der Nähe von Punkt B zu erreichen. Folglich verringerte diese Oberflächenstruktur monoton den Benetzbarkeitsgradienten entlang der \(x\)-Achse als in Abb. 1a dargestellt.

(a) Draufsichtfoto des unidirektionalen Flüssigkeitskanals (mittleres Feld), REM-Bilder um Punkt A und B (rechte zwei Felder) und der berechnete Kontaktwinkel auf der \(x\)-Achse (linkes Feld). Fotos von der Seite und von oben beim wiederholten Tropfen von Wasser von (b) Punkt A und (c) B.

Durch wiederholtes Tropfen von 1 \(\mathrm{\mu L}\) Wasser von Punkt A und B konnte die Bewegung des Wassers passiv kontrolliert werden. Abbildung 4b und c zeigen die Seitenansicht und die Draufsicht des Wassertropfens nach jedem Tropfenschritt an den Punkten A bzw. B. Die gestrichelten Linien stellen die Positionen der Abwurfpunkte A und B in den Seitenansichten von Abb. 4b bzw. c dar. Wenn ein Wassertropfen in einen Kanal fällt, breitet er sich entsprechend der Beziehung zwischen dem Kontaktwinkel und dem Eigengewicht eines Tropfens mit endlichem Volumen aus. In Abb. 4b breitete sich das Tröpfchen nur in Richtung Punkt B aus, da von Punkt A aus wiederholt Wasser in den Kanal injiziert wurde. Schließlich erreichte das Tröpfchen Punkt B, nachdem es 3 \(\mathrm{\mu L}\) Wasser abtropfen ließ. Im Gegensatz dazu wurde in Abb. 4c der linke Rand des Tropfens festgehalten, als Wasser von Punkt B herabtropfte. Der Tropfen blieb um Punkt B herum, ohne sich in Richtung Punkt A auszubreiten, selbst nachdem er 5 \(\mathrm{\mu L}\ ) aus Wasser. Daher fungierte die Oberfläche (ii) passiv als unidirektionaler Flüssigkeitskanal.

Darüber hinaus haben wir einen gekrümmten Flüssigkeitskanal mit einem 2D-Benetzbarkeitsgradienten demonstriert. Abbildung 5a zeigt ein Draufsichtfoto des Kanals mit der Steigung der Benetzbarkeit entlang der \(x\)- und \(y\)-Achsen der Oberfläche (iii). Das rechte (untere) Feld in Abb. 5a zeigt den mit Gleichung berechneten Kontaktwinkel. (3) in der vertikalen grünen (horizontalen roten) gestrichelten Linie im Foto. Die Steigungen des Kontaktwinkels zeigten, dass die Oberfläche (iii) entlang der \(x\)- bzw. \(y\)-Achse eine monotone und eine nach unten konkave Benetzbarkeit aufwies. Abbildung 5b zeigt das 3D-Diagramm des Kontaktwinkels als Funktion von \(x\) und \(y\) auf der gesamten Oberfläche im Kanal. In diesem Kanal wurde der Benetzbarkeitsgradient als Kombination der beiden Gradienten entlang der \(x\)- und \(y\)-Achsen beschrieben. Entlang der \(x\)-Achse fließt das Wasser aufgrund des Benetzbarkeitsgradienten von oberen zu unteren Bereichen im Kanal. Entlang der \(y\)-Achse hat der Benetzbarkeitsgradient eine konvexe Form, wobei der Kontaktwinkel in der Mitte bzw. an beiden Seitenrändern des Kanals maximale und minimale Werte aufweist. Die effektive Strömungsrichtung im Kanal wird als Summe der Strömungsrichtungen entlang der \(x\)- und \(y\)-Achsen ausgedrückt. Unter Berücksichtigung der Gradientenrichtungen aus Abb. 5b ist zu erwarten, dass das auf Punkt C fallende Wasser im Kanal nach rechts unten fließt. Abbildung 5c ​​zeigt das Verhalten des Wassers, das von Punkt C abtropft. Das abtropfende Wasser bewegte sich zum unteren rechten Rand des Kanals, wie durch den weißen Pfeil dargestellt. Die Richtung der Wasserflüssigkeit stimmt gut mit dem obigen Argument überein.

(a) Draufsichtfoto des hergestellten Flüssigkeitskanals mit 2D-Benetzbarkeitsgradienten. Die linken und unteren Diagramme zeigen die berechneten Kontaktwinkel in den \(x\)- und \(y\)-Achsen. (b) 3D-Diagramm des Kontaktwinkels auf dem Benetzbarkeitsgradienten. (c) Draufsichtfoto beim Abtropfen des Wassers von Punkt C.

Abschließend haben wir experimentell ein durch Benetzbarkeit gestaltbares Zellarray auf einer Siliziumoberfläche untersucht. Der gestaltbare Bereich des Kontaktwinkels betrug \({80,3}^{^\circ }\le \theta \le {42,1}^{^\circ }\), wie durch das Ätzmuster mit RIE bestimmt. Die fein abgestimmte Verteilung der ungeätzten und geätzten Bereiche ermöglichte 1D- und 2D-Benetzbarkeitsgradienten. Somit ermöglichten die Zellanordnungen eine flexible Gestaltung der Richtung und Form der Flüssigkeitskanäle. Unser durch Benetzbarkeit gestaltbares Zellarray ist eine entscheidende Plattform zur passiven Steuerung der Flüssigkeitsbewegung (Ergänzende Informationen S1).

Die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Ein Teil dieser Arbeit wurde von der mikrostrukturellen Charakterisierungsplattform der Universität Nagoya als Programm der „Advanced Research Infrastructure for Materials and Nanotechnology in Japan (ARIM)“ des japanischen Ministeriums für Bildung, Kultur, Sport, Wissenschaft und Technologie (MEXT) unterstützt.

Toyota Central R&D Labs., Inc., Nagakute, Aichi, 480-1192, Japan

Keita Funayama, Atsushi Miura und Hiroya Tanaka

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KF führte Konzeptvorschläge, Herstellungsarbeiten und Analysen durch. AM unterstützte den Herstellungsprozess. HT beteiligte sich an Diskussionen zu theoretischen Untersuchungen und betreute dieses Projekt. Alle Autoren beteiligten sich an den Diskussionen und an der Manuskripterstellung.

Korrespondenz mit Keita Funayama.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Funayama, K., Miura, A. & Tanaka, H. Flexibel gestaltbarer Benetzbarkeitsgradient zur passiven Steuerung der Flüssigkeitsbewegung durch physikalische Oberflächenmodifikation. Sci Rep 13, 6440 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-33737-4

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Eingegangen: 23. November 2022

Angenommen: 18. April 2023

Veröffentlicht: 20. April 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-33737-4

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