Gradiente de humectabilidad de diseño flexible para el control pasivo del movimiento del fluido mediante modificación física de la superficie

Feb 14, 2024

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 6440 (2023) Citar este artículo

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Las superficies sólidas modificadas exhiben un comportamiento humectante único, como hidrofobicidad e hidrofilicidad. Este comportamiento puede controlar pasivamente el flujo de fluido. En este estudio, demostramos experimentalmente una matriz de células diseñadas para la humectabilidad que consta de superficies sin grabar y grabadas físicamente mediante grabado con iones reactivos sobre un sustrato de silicio. El proceso de grabado indujo una rugosidad superficial significativa en la superficie del silicio. Por tanto, las superficies no grabadas y grabadas tienen diferentes humectabilidades. Al ajustar la relación entre las áreas de superficie grabadas y sin grabar, diseñamos gradientes de humectabilidad unidimensionales y bidimensionales para el canal de fluido. En consecuencia, los canales afinados realizaron pasivamente movimientos de fluidos unidireccionales y curvos. El diseño de un gradiente de humectabilidad es crucial para sistemas prácticos y portátiles con canales de fluido integrados.

Los canales de microfluidos se han investigado para aplicaciones químicas y biológicas, como sensores portátiles y de alta sensibilidad1,2,3,4,5,6. El control activo del movimiento de fluidos en microcanales es una técnica crucial para determinar su desempeño7,8,9,10,11,12,13. Hasta la fecha, se han explorado válvulas micromecánicas14,15, válvulas controladas neumáticamente16 y modificaciones de superficie conmutables eléctricamente17,18,19,20. Dicho control activo requiere procedimientos de fabricación complicados y fuentes de energía externas para lograr una controlabilidad y una reformación de la humectabilidad excelentes mediante estímulos externos. El control pasivo del fluido es otro enfoque importante21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31. Esta metodología nos permite controlar la humectabilidad utilizando estructuras simples sin funciones reformables. Como plataformas del control pasivo, se han investigado estructuras anisotrópicas alineadas (por ejemplo, conjuntos de pilares de Janus32 y estructuras de borde de curvatura cóncava33) y diferentes gradientes de humectabilidad basados ​​en materiales34. Sin embargo, tales enfoques limitan la flexibilidad del diseño del canal.

Debido a que el proceso de grabado, por ejemplo, el grabado con iones reactivos (RIE), modifica el estado de la superficie de un material sólido35,36, las superficies grabadas y sin grabar exhiben diferentes propiedades de humectabilidad, incluso cuando se usa un solo material. La fabricación de superficies microscópicas grabadas o no grabadas mediante un proceso de semiconductores permite un diseño flexible y una fabricación sencilla de superficies funcionales con humectabilidad especial.

En este estudio, investigamos experimentalmente canales de fluido unidireccionales y curvos con matrices de células diseñadas con humectabilidad cuadrada. Las celdas unitarias consistían en un área sin grabar y un área grabada con RIE. Los procesos RIE crearon huecos nanoscópicos en la superficie del silicio, proporcionando así diferentes humectabilidades en las superficies no grabadas. La humectabilidad de las superficies de silicio se ajustó ajustando la proporción de las áreas de superficie grabadas y sin grabar. Los patrones de grabado afinados de las células individuales crearon pasivamente gradientes de humectabilidad unidimensionales y bidimensionales (1D y 2D) en el sustrato de silicio. Nos permitió controlar la dirección y la forma de los canales de fluido diseñando de manera flexible la forma del gradiente de humectabilidad. Nuestra plataforma puede contribuir al control pasivo del movimiento de fluidos en aplicaciones prácticas.

Aquí, presentamos un canal de fluido diseñable por humectabilidad basado en silicio con el proceso RIE. La Figura 1a muestra la estructura de la superficie del canal de fluido diseñable según la humectabilidad. Nuestro canal de fluido estaba pavimentado con celdas unitarias cuadradas que consisten en superficies grabadas y sin grabar físicamente a través de RIE, como se muestra en las figuras 1b, c. La celda unitaria (encerrada por el cuadrado rojo roto en la Fig. 1a) tenía áreas grabadas y sin grabar. El proceso de grabado formó una región deprimida (verde). La región sin grabar (amarilla) permaneció como un pilar cilíndrico en el centro de la celda unitaria.

(a) Esquema de la superficie que comprende las celdas designables de humectabilidad, que proporcionan el gradiente de humectabilidad 1D. Una celda unitaria (encerrada por el cuadrado punteado rojo) tiene regiones sin grabar (amarillas) y físicamente grabadas (verde). El parámetro \(d\left(x, y\right)\) es el diámetro del pilar. (b) Esquemas de vista superior y (c) lateral de las celdas unitarias. La longitud lateral de la celda unitaria y la altura del pilar son \(L=5 \mathrm{\mu m}\) y \(h=0.2 \mathrm{\mu m}\), respectivamente, en nuestros canales fabricados. (d) Esquemas de sección transversal para superficies grabadas y sin grabar. (e) Esquemas de la sección transversal de la superficie pavimentada con las celdas unitarias (esquema izquierdo) y la superficie compuesta equivalente (esquema derecho).

La humectabilidad en el canal de fluido se diseñó con dos procedimientos. Primero, preparamos dos superficies con diferentes humectabilidades, es decir, las superficies grabadas y sin grabar. El proceso RIE induce rugosidad en la superficie del silicio, como se muestra en la figura 1d. Debido a la rugosidad aumenta la superficie efectiva. La humectabilidad hidrófila de tales superficies se expresa mediante la ley de Wenzel:

donde \({\theta }_{1 \left(2\right)}\) es el ángulo de contacto en la superficie sin grabar (grabada), y \(r\) es un factor de rugosidad37. En segundo lugar, ajustamos con precisión la humectabilidad efectiva en las celdas unitarias ajustando las áreas fraccionarias de las regiones no grabadas (\({r}_{1}\)) y grabadas (\({r}_{2}\)). Los valores de \({r}_{1}\) y \({r}_{2}\) variaron ajustando el diámetro del pilar, \(d\left(x,y\right)\), que es descrito como:

donde \(L\) y \(h\) son las longitudes de ambos lados de la celda unitaria y la altura del pilar, respectivamente. Cuando las dos superficies consisten en materiales hidrofílicos, el agua hace contacto con toda la superficie de las celdas unitarias que tienen asperezas superficiales a través de los pilares cilíndricos, como se muestra en el esquema izquierdo de la Fig. 1e. Este estado es equivalente a la superficie compuesta que consta de dos regiones, que tienen diferentes humectabilidades, como se muestra en el esquema derecho de la Fig. 1e. El ángulo de contacto efectivo \(\theta\) en dicha superficie se describe mediante la ecuación de Cassie38:

Utilizando las leyes de Wenzel y Cassie, modelamos las celdas unitarias con una capacidad de diseño fina para su humectabilidad.

Curiosamente, la matriz de células creó un gradiente de humectabilidad anisotrópica en toda la superficie. El líquido que cae se esparce y propaga hacia la región con alta hidrofilicidad en dicha superficie de gradiente. Por ejemplo, el canal de fluido tenía un gradiente de humectabilidad 1D, donde \(d\left(x,y\right)\) disminuyó gradualmente a lo largo del eje \(x\)-, mientras que permaneció constante a lo largo del eje \(y\) -eje, como se muestra en la Fig. 1a. Tal gradiente 1D proporcionó un canal de fluido unidireccional, es decir, era probable que el líquido fluyera hacia la dirección positiva a lo largo del eje \(x\), como lo muestra la flecha azul en la Fig. 1a. Además, cuando \(d\left(x,y\right)\) se varió a lo largo de los ejes \(x\) y \(y\), la superficie exhibió un gradiente de humectabilidad 2D. En consecuencia, la dirección y la forma de los canales de fluido se pueden diseñar de manera flexible. Por ejemplo, un gradiente de humectabilidad 2D proporcionó un canal de fluido curvo.

El sustrato de silicio se limpió sumergiéndolo en una solución de piraña (mezcla de H2SO4 y H2O2 concentrados en una proporción de 3:1), agua Milli-Q (18 \(\mathrm{M\Omega }{\mathrm{ cm}}^ {-1}\)), y diluir HF. El procedimiento de limpieza del sustrato elimina las impurezas orgánicas y la capa de óxido natural del sustrato. Cubrimos el sustrato con hexametildisilazano y una resistencia a haz de electrones (EB) (Zeon Corporation, ZEP520). Los pilares periódicamente alineados fueron modelados mediante litografía EB (JEOL, JBX-6300FS). Para la modificación de la superficie, las superficies de silicio se grabaron físicamente mediante el proceso RIE (SAMCO, RIE-10NR) con gases Ar y CF4 a una potencia de grabado de 200 W y una presión de 2,0 Pa. Debido al grabado de alta potencia y la baja presión de Los gases reactivos, el proceso RIE grabaron físicamente e indujeron rugosidad superficial en la superficie del silicio. Finalmente, el sustrato se limpió nuevamente mediante el procedimiento de limpieza del sustrato para eliminar los grupos químicos hidrófilos no deseados que se formaron mediante el proceso RIE.

Para dilucidar la humectabilidad de los conjuntos de celdas, preparamos superficies pavimentadas con (i) celdas homogéneas para varios valores constantes del diámetro del pilar, \(d\left(x,y\right)={d}_{\mathrm{const}} \). Además, estudiamos las superficies pavimentadas con (ii) células no homogéneas 1D y (iii) 2D con gradientes de humectabilidad 1D y 2D, respectivamente. Fabricamos las celdas unitarias con una longitud lateral de \(L=5 \mathrm{\mu m}\) y una altura de pilar de \(h=0.2 \mathrm{\mu m}\) en todas las superficies de este estudio.

La superficie (i) constaba de células homogéneas de 1000 × 1000 (tamaño de la matriz: 5 × 5 mm2). El diámetro del pilar \({d}_{\mathrm{const}}\) se varió según \({r}_{2}=\) 1,0, 0,93, 0,74, 0,54, 0,37 y 0. Las condiciones de \({r}_{2}=0\) y 1,0 representaron respectivamente superficies de silicio completamente sin grabar y grabadas. El valor de \({r}_{2}\) se calculó utilizando la ecuación. (2b). La humectabilidad se evaluó midiendo los ángulos de contacto efectivos en las matrices de celdas dejando caer 2 \(\mathrm{\mu L}\) de agua.

La superficie (ii) comprendía 1080 \(\times\) 1980 celdas (tamaño de la matriz: 5,4 \(\times\) 9,9 mm2). Para formar el gradiente de humectabilidad 1D, cambiamos gradualmente \(d\left(x, y\right)\) de 4,75 a 0,3 \(\mathrm{\mu m}\) en pasos de 0,05 \(\mathrm{\mu m}\) por 22 celdas (110 \(\mathrm{\mu m}\)) a lo largo del eje \(x\). En el eje \(y\), 1080 celdas con los mismos valores de \(d\left(x, y\right)\) se alinearon periódicamente en cada fila, es decir, \(d\left(x, y\). derecha)\) depende únicamente de \(x\). Así, la expresión de \(d\left(x, y\right)\) se describe como:

donde, \(\left[\cdot \right]\) es el símbolo de Gauss. Posteriormente, el canal de fluido tenía un gradiente de humectabilidad a lo largo del eje \(x\) y era plano en el eje \(y\). Dejamos caer repetidamente 1 \(\mathrm{\mu L}\) de agua desde el borde de la matriz. El movimiento pasivo del líquido caído se observó tomando una fotografía después de cada gota.

La superficie (iii) se diseñó para tener un gradiente de humectabilidad 2D. Formamos 1080 \(\times\) 1980 células (tamaño de la matriz: 5,4 \(\times\) 9,9 mm2) en la superficie de silicio. El diámetro del pilar \(d\left(x, y\right)\) varió a lo largo de los ejes \(x\) e \(y\). El valor máximo de \(d\left(x, y\right)\) fue 4,75 \(\mathrm{\mu m}\) en el centro del borde superior del canal, \(\left(x, y\ right)=\left(0, w/2\right)\), donde \(w=5.4 \mathrm{mm}\) era el ancho del canal a lo largo del eje \(y\). A lo largo del eje \(y\), \(d\left(x, y\right)\) aumentó (disminuyó) en un paso de 0,05 \(\mathrm{\mu m}\) por 27 celdas (135 \ (\mathrm{\mu m}\)) en \(0\le y\le w/2\) (\(w/2

El comportamiento del fluido se examinó dejando caer agua en el canal. Tenga en cuenta que la unidad de las coordenadas \(x\) y \(y\) es el micrómetro.

Las condiciones de la superficie de silicio modificada se examinaron mediante espectroscopia fotoelectrónica de rayos X (XPS) (ULVAC PHI Inc., Quantera SXM), microscopía de fuerza atómica (AFM) (Hitachi High-Tech Science Corp., E-sweep) y transmisión. microscopía electrónica (TEM) (JEOL Ltd., JEM-ARM200F). Registramos el comportamiento de humectación de las gotas de agua sobre la superficie del silicio utilizando un medidor de ángulo de contacto y un software de análisis (Kyowa Interface Science Co., Ltd., DMo-501 y FAMAS).

Las superficies de silicio sin grabar (esquema izquierdo en la Fig. 1d) y grabadas (esquema derecho en la Fig. 1d) exhibieron diferentes humectabilidades. Para observar esto, medimos el comportamiento de humectación en superficies de silicio con y sin el proceso RIE. Las Figuras 2a,b muestran las vistas laterales de la gota cuando se dejaron caer 2 \(\mathrm{\mu L}\) de agua sobre las superficies de silicio grabadas y sin grabar. Los ángulos de contacto fueron de 80,3 ° (Fig. 2a) y 42,1o (Fig. 2b) para las superficies sin y con el proceso RIE, respectivamente. El proceso RIE dio como resultado una superficie más humectable sobre el sustrato de silicio. Tenga en cuenta que ambos sustratos se limpiaron utilizando el procedimiento de limpieza de sustrato para eliminar grupos químicos hidrófilos no deseados antes de la observación.

Vistas laterales de la gota de agua sobre la superficie de silicio limpia (a) sin y (b) con procesos de grabado con plasma. Perfiles de superficie de la superficie de silicio (c) sin y (d) con grabado mediante AFM. Las imágenes TEM de la sección transversal de las superficies de silicio (e) sin y (f) con grabado. (g) Espectros XPS de Si2p y (h) C1s. Las líneas roja, verde y azul representan el proceso (A) (con RIE y con limpieza), (B) (sin RIE y con limpieza) y (C) (con RIE y sin limpieza) , respectivamente.

Esta discrepancia en la humectabilidad entre las superficies de silicio grabadas y no grabadas se explica por la rugosidad de la superficie, como se presenta en la literatura39,40,41,42. Evaluamos la rugosidad de la superficie de los sustratos de silicio grabados y sin grabar utilizando AFM. Las Figuras 2c,d muestran los perfiles de superficie y altura, respectivamente, a lo largo de la línea de puntos verde. El silicio grabado tenía una superficie considerablemente más rugosa que el silicio no grabado. La diferencia de altura para la superficie sin grabado fue de aproximadamente 0,55 nm. En cambio, la superficie sometida al proceso de grabado tenía una diferencia de altura superior a 5 nm. La superficie rugosa se creó mediante el proceso RIE porque los iones de grabado (iones Ar acelerados, \(\sim\) 0,1 nm) formaron huecos a nanoescala (\(\sim\) subnanómetros) en la superficie. Observamos que la rugosidad de la superficie del pilar no contribuye significativamente a la humectabilidad en las celdas unitarias. De hecho, el factor de rugosidad a través de pilares en celdas unitarias fue \(1

Además, podemos capturar visualmente las diferencias de rugosidad entre las superficies de silicio grabadas y sin grabar. Las Figuras 2e, f muestran las imágenes TEM de la sección transversal de las superficies de silicio grabadas y sin grabar, respectivamente. Como se muestra en la Fig. 2e, los átomos de la superficie tenían una disposición cristalina. Se observó un perfil plano en la superficie no grabada. Mientras tanto, en la Fig. 2f, la planitud de la superficie grabada se deterioró debido a la distorsión de las capas atómicas. Este resultado indicó un aumento en la rugosidad de la superficie del silicio debido al proceso RIE.

La composición química también cambia la humectabilidad43,44,45. Sin embargo, en nuestro enfoque, la humectabilidad química fue un efecto insignificante porque los grupos funcionales se eliminaron mediante el procedimiento de limpieza del sustrato con solución de piraña, HF diluido y agua pura, lo que se denomina limpieza en las siguientes discusiones. Para aclarar la contribución de las composiciones químicas, examinamos los espectros XPS para la superficie de silicio con (A) con RIE y con limpieza, (B) sin RIE y con limpieza, (C) con RIE y con /o procesos de limpieza.

Las Figuras 2g, h muestran los espectros XPS de Si2p y C1s, respectivamente. La línea roja es el espectro de la superficie del proceso (A) (con RIE y con limpieza). Las energías de enlace para los enlaces Si-Si, C-H y C-O fueron 99,75, 285 y 286,5 eV, respectivamente. Los enlaces C – H y C – O se asociaron con materia orgánica depositada en la atmósfera después del proceso de limpieza. Un pico insignificante a 103,25 eV (enlace Si-O) provino de la película de óxido natural formada durante el proceso de limpieza y las mediciones de XPS. Los resultados sugirieron que no había grupos funcionales, como compuestos de silicio-oxígeno o silicio-hidrógeno, en la superficie para el proceso (A). Los espectros del proceso (B) son similares a los del proceso (A). Así, las superficies de los procesos (A) y (B) tenían morfologías similares en términos de composición química.

En contraste, los espectros para el proceso (C) (con RIE y sin limpieza, representados por la línea azul) fueron explícitamente diferentes de los del proceso (A). Específicamente, observamos picos significativos para los enlaces Si – O y C – C en el proceso (C). Los picos de los enlaces C – H y C – C implican la formación de grupos hidrófilos en la superficie del silicio, dando como resultado el enlace Si – O. Los gases decapantes (Ar y CF4) no forman una capa de óxido, es decir, dióxido de silicio. Por tanto, el proceso de limpieza puede eliminar los efectos químicos del grabado con plasma. En particular, los grupos hidrófilos en la superficie de silicio proporcionaron una humectabilidad considerablemente diferente a la de la superficie limpia. El ángulo de contacto medido fue de 6,7° (consulte la Información de apoyo para obtener más detalles).

Aquí, investigamos el rango controlable del ángulo de contacto \(\theta\) para la superficie pavimentada con células homogéneas, superficie (i). Las Figuras 3a-c muestran imágenes SEM de la matriz de celdas fabricada para \({r}_{2}=\) 0,37, 0,54, 0,74 y 0,93. El interior del círculo (es decir, la parte superior del pilar) era la superficie no grabada, y la otra superficie de la celda estaba grabada. La Figura 3d muestra los ángulos de contacto en función de la relación del área grabada \({r}_{2}\). Los ángulos de contacto medidos (círculo azul) disminuyeron al aumentar \({r}_{2}\), es decir, la humectabilidad en la superficie del silicio se volvió más hidrófila debido al aumento del área grabada. Los resultados experimentales coincidieron bien con los ángulos de contacto calculados utilizando la ecuación. (3) (Cruces rojas).

Las imágenes SEM de la superficie que consiste en la matriz de celdas homogénea con r2 = (a) \(0.37\) (\({d}_{\mathrm{const}}=\) 4.75 \(\mathrm{\mu m} \)), (b) 0,74 (\({d}_{\mathrm{const}}=\) 3,0 \(\mathrm{\mu m}\)), y (c) 0,93 (\({d} _{\mathrm{const}}=\) 1.5 \(\mathrm{\mu m}\)). (d) Los ángulos de contacto medidos y calculados en función de \({r}_{2}\). Las condiciones de \({r}_{2}=0\) y 1 implican superficies grabadas y sin grabar en general, respectivamente. Las fotografías de vista lateral de la gota de agua con r2 = (e) 0,37, (f) 0,74 y (g) 0,93. El ángulo de contacto y la relación \({r}_{2}\) en (d) se calcularon a partir de las ecuaciones. (2b) y (3) con cada valor diseñado de \({d}_{\mathrm{const}}\), respectivamente.

Las Figuras 3e-g son las fotografías de la gota de agua para \({r}_{2}\) etiquetada como I, II y III en las Figuras 3a-c, respectivamente. La gota de agua en forma de cúpula indica que la estructura grabada periódicamente permite ajustar la humectabilidad en la superficie del silicio.

Al diseñar individualmente \(d\left(x, y\right)\) de las celdas unitarias, podemos crear un gradiente de humectabilidad en las superficies de silicio. Primero, demostramos el gradiente de humectabilidad 1D en la superficie (ii), que proporcionó un canal de fluido unidireccional. La Figura 4a muestra una vista superior del canal fabricado. El gráfico de la izquierda en la Fig. 4a muestra el ángulo de contacto calculado a lo largo del eje \(x\). La superficie (ii) tiene una pendiente monótona del ángulo de contacto correspondiente a la forma del gradiente de humectabilidad. Los paneles de la derecha en la Fig. 4a muestran imágenes SEM en los puntos A y B. En el punto A, el diámetro de la región no grabada \(d\left(x, y\right)\) es significativo. Por tanto, la superficie tiene una baja humectabilidad. En contraste, \(d\left(x, y\right)\) se estableció en un valor insignificante para lograr una alta humectabilidad cerca del punto B. En consecuencia, esta estructura de superficie disminuyó monótonamente el gradiente de humectabilidad a lo largo del eje \(x\) como se muestra en la Fig. 1a.

(a) Fotografía de vista superior del canal de fluido unidireccional (panel central), imágenes SEM alrededor de los puntos A y B (dos paneles de la derecha) y el ángulo de contacto calculado en el eje \(x\) (panel izquierdo). Fotografías de vista lateral y superior cuando se deja caer agua repetidamente desde (b) el punto A y (c) B.

Al dejar caer repetidamente 1 \(\mathrm{\mu L}\) de agua desde los puntos A y B, se podría controlar pasivamente el movimiento del agua. Las Figuras 4b, c muestran las vistas lateral y superior de la gota de agua después de cada paso de caída en los puntos A y B, respectivamente. Las líneas discontinuas representan las posiciones de los puntos de caída A y B en las vistas laterales de la Fig. 4b, c, respectivamente. Cuando se deja caer una gota de agua en un canal, se propaga según la relación entre el ángulo de contacto y el peso propio de una gota con un volumen finito. En la Fig. 4b, la gota solo se extendió hacia el punto B cuando se inyectó agua repetidamente en el canal desde el punto A. Finalmente, la gota alcanzó el punto B después de dejar caer 3 \(\mathrm{\mu L}\) de agua. En contraste, en la Fig. 4c, el borde izquierdo de la gota quedó atrapado cuando se dejó caer agua desde el punto B. La gota permaneció alrededor del punto B sin extenderse hacia el punto A, incluso después de caer 5 \(\mathrm{\mu L}\ ) de agua. Por lo tanto, la superficie (ii) funcionó pasivamente como un canal de fluido unidireccional.

Además, demostramos un canal de fluido curvo con un gradiente de humectabilidad 2D. La Figura 5a muestra una fotografía de vista superior del canal con la pendiente de la humectabilidad a lo largo de los ejes \(x\) y \(y\) de la superficie (iii). El panel derecho (inferior) en la Fig. 5a muestra el ángulo de contacto calculado usando la ecuación. (3) en la línea discontinua vertical verde (horizontal roja) de la fotografía. Las pendientes del ángulo de contacto indicaron que la superficie (iii) tenía una humectabilidad monótona y cóncava hacia abajo a lo largo de los ejes \(x\) y \(y\), respectivamente. La Figura 5b muestra la gráfica 3D del ángulo de contacto en función de \(x\) y \(y\) en toda la superficie del canal. En este canal, el gradiente de humectabilidad se describió como una combinación de los dos gradientes a lo largo de los ejes \(x\) y \(y\). A lo largo del eje \(x\), el gradiente de humectabilidad hace fluir el agua desde las regiones superiores a las inferiores del canal. A lo largo del eje \(y\), la forma del gradiente de humectabilidad es convexa donde el ángulo de contacto tiene valores máximos y mínimos en el centro y en ambos bordes laterales del canal, respectivamente. La dirección efectiva del flujo en el canal se expresa como una suma de las direcciones del flujo a lo largo de los ejes \(x\) y \(y\). Teniendo en cuenta las direcciones del gradiente de la Fig. 5b, se espera que el agua que cae en el punto C fluya hacia la parte inferior derecha del canal. La Figura 5c muestra el comportamiento del agua que cae desde el punto C. El agua que cae se mueve hacia el borde inferior derecho del canal, como lo muestra la flecha blanca. La dirección del fluido de agua concuerda con el argumento anterior.

(a) Fotografía de vista superior del canal de fluido fabricado con gradiente de humectabilidad 2D. Los gráficos izquierdo e inferior son los ángulos de contacto calculados en los ejes \(x\) y \(y\). (b) Gráfico 3D del ángulo de contacto en el gradiente de humectabilidad. (c) Fotografía de vista superior al dejar caer el agua desde el punto C.

En conclusión, investigamos experimentalmente una matriz de células diseñable por humectabilidad en una superficie de silicio. El rango designable del ángulo de contacto fue \({80.3}^{^\circ }\le \theta \le {42.1}^{^\circ }\), según lo determinado por el patrón de grabado con RIE. La distribución afinada de las regiones grabadas y sin grabar permitió gradientes de humectabilidad 1D y 2D. Por lo tanto, las matrices de células permitieron el diseño flexible de la dirección y forma de los canales de fluido. Nuestra matriz de células diseñable para la humectabilidad es una plataforma crucial para controlar pasivamente el movimiento del fluido (Información complementaria S1).

Los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Una parte de este trabajo contó con el apoyo de la plataforma de caracterización microestructural de la Universidad de Nagoya como un programa de 'Infraestructura de investigación avanzada para materiales y nanotecnología en Japón (ARIM)' del Ministerio de Educación, Cultura, Deportes, Ciencia y Tecnología (MEXT) de Japón.

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

Keita Funayama, Atsushi Miura y Hiroya Tanaka

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KF realizó propuestas de concepto, fabricaciones y análisis. AM apoyó el proceso de fabricación. HT contribuyó a los debates sobre investigaciones teóricas y supervisó este proyecto. Todos los autores contribuyeron a las discusiones y la preparación del manuscrito.

Correspondencia a Keita Funayama.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Funayama, K., Miura, A. y Tanaka, H. Gradiente de humectabilidad de diseño flexible para el control pasivo del movimiento de fluidos mediante modificación física de la superficie. Representante científico 13, 6440 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-33737-4

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Recibido: 23 de noviembre de 2022

Aceptado: 18 de abril de 2023

Publicado: 20 de abril de 2023

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

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