物理的表面修飾による流体運動の受動的制御のための柔軟に設計可能な濡れ性勾配

Mar 22, 2024

Scientific Reports volume 13、記事番号: 6440 (2023) この記事を引用

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11 オルトメトリック

メトリクスの詳細

修飾された固体表面は、疎水性や親水性などの独特の湿潤挙動を示します。 このような動作により、流体の流れを受動的に制御できます。 本研究では、シリコン基板上に反応性イオンエッチングによりエッチングされていない表面と物理的にエッチングされた表面からなる濡れ性を設計可能なセルアレイを実験的に実証しました。 エッチングプロセスにより、シリコン表面に大きな表面粗さが生じました。 したがって、エッチングされていない表面とエッチングされた表面は異なる濡れ性を持ちます。 エッチングされていない表面積とエッチングされた表面積の比率を調整することにより、流体チャネルの一次元および二次元の濡れ性勾配を設計しました。 その結果、微調整されたチャネルにより、一方向の湾曲した流体の動きが受動的に実現されました。 湿潤性勾配の設計は、統合された流体チャネルを備えた実用的でポータブルなシステムにとって非常に重要です。

マイクロ流体チャネルは、高感度でポータブルなセンサーなどの化学的および生物学的用途のために研究されてきました1、2、3、4、5、6。 マイクロチャネル内の流体の動きを能動的に制御することは、その性能を決定するための重要な技術です7、8、9、10、11、12、13。 現在までに、マイクロメカニカルバルブ14、15、空気圧制御バルブ16、および電気的に切り替え可能な表面改質17、18、19、20が研究されてきました。 このようなアクティブ制御では、優れた制御性と外部刺激による濡れ性の再形成を実現するために、複雑な製造手順と外部エネルギー源が必要です。 流体の受動制御も重要なアプローチです21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31。 この方法論により、再形成可能な機能を持たない単純な構造を使用して濡れ性を制御することができます。 受動的制御のプラットフォームとして、整列した異方性構造（例えば、ヤヌス柱のアレイ32および凹面曲率エッジ構造33）および異なる材料ベースの濡れ性勾配34が研究されている。 ただし、このようなアプローチではチャネル設計の柔軟性が制限されます。

反応性イオンエッチング（RIE）などのエッチングプロセスは固体材料の表面状態を変えるため35、36、単一の材料を使用する場合でも、エッチングされていない表面とエッチングされた表面は異なる濡れ性特性を示します。 半導体プロセスを使用して微細な非エッチング表面またはエッチング表面を製造することにより、柔軟な設計と特殊な濡れ性を備えた機能性表面の簡単な製造が可能になります。

この研究では、正方形の濡れ性を設計可能なセルアレイを備えた一方向および湾曲した流体チャネルを実験的に調査しました。 単位セルは、エッチングされない領域と RIE でエッチングされた領域から構成されます。 RIE プロセスはシリコン表面にナノスケールの凹部を作成し、それによってエッチングされていない表面に異なる濡れ性をもたらしました。 シリコン表面の濡れ性は、エッチングされていない表面領域とエッチングされた表面領域の比率を調整することによって調整されました。 個々のセルの微調整されたエッチング パターンにより、シリコン基板上に一次元および二次元 (1D および 2D) の濡れ性勾配が受動的に作成されました。 濡れ性勾配の形状を柔軟に設計することで、流路の方向や形状を制御することが可能になりました。 当社のプラットフォームは、実際のアプリケーションにおける流体運動の受動的制御に貢献できます。

ここでは、RIE プロセスを使用したシリコンベースの濡れ性設計可能な流体チャネルを紹介します。 図 1a は、濡れ性を設計可能な流体チャネルの表面構造を示しています。 図1b、cに示すように、私たちの流体チャネルは、RIEによって物理的にエッチングされていない表面とエッチングされた表面で構成される正方形の単位セルで舗装されました。 単位セル (図 1a の破線の赤い四角で囲まれた部分) には、エッチングされていない領域とエッチングされた領域がありました。 エッチングプロセスにより、くぼんだ（緑色）領域が形成されました。 エッチングされなかった（黄色の）領域は、ユニットセルの中心に円柱状に残りました。

(a) 1D 濡れ性勾配を提供する濡れ性設計可能セルを含む表面の概略図。 単位セル (赤い点線の四角で囲まれた部分) には、エッチングされていない領域 (黄色) と物理的にエッチングされた領域 (緑色) があります。 パラメータ \(d\left(x, y\right)\) は柱の直径です。 (b) ユニットセルの上面図と(c) 側面図。 製作したチャネルでは、単位セルの辺の長さとピラーの高さは、それぞれ \(L=5 \mathrm{\mu m}\) と \(h=0.2 \mathrm{\mu m}\) です。 (d) エッチングされていない表面とエッチングされた表面の断面図。 (e) 単位セルで舗装された表面の断面の概略図 (左の概略図) と同等の複合表面 (右の概略図)。