Gradiente de humectabilidad de diseño flexible para el control pasivo del movimiento de fluidos a través de la modificación física de la superficie

Jul 29, 2023

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

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Las superficies sólidas modificadas muestran un comportamiento de humectación único, como la hidrofobicidad y la hidrofilia. Tal comportamiento puede controlar pasivamente el flujo de fluido. En este estudio, demostramos experimentalmente una matriz de celdas designables por humectabilidad que consta de superficies grabadas físicamente y sin grabar mediante grabado de iones reactivos en un sustrato de silicio. El proceso de grabado indujo una rugosidad superficial significativa en la superficie del silicio. Por lo tanto, las superficies grabadas y sin grabar tienen diferentes humectabilidades. Al ajustar la relación entre las áreas superficiales grabadas y sin grabar, diseñamos gradientes de humectabilidad unidimensionales y bidimensionales para el canal de fluido. En consecuencia, los canales afinados realizaron pasivamente movimientos 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 modificación de superficie conmutable eléctricamente17,18,19,20. Dicho control activo requiere procedimientos de fabricación complicados y fuentes de energía externas para lograr una excelente controlabilidad y reforma de la humectabilidad por 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 mojabilidad usando estructuras simples sin funciones reformables. Como plataformas del control pasivo, se han investigado estructuras anisotrópicas alineadas (p. ej., conjuntos de pilares de Jano32 y estructuras de borde de curvatura cóncava33) y gradientes de humectabilidad basados ​​en diferentes materiales34. Sin embargo, tales enfoques limitan la flexibilidad del diseño del canal.

Debido a que el proceso de grabado, por ejemplo, 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 sin grabar mediante un proceso de semiconductores permite un diseño flexible y una fabricación sencilla de superficies funcionales con una humectabilidad especial.

En este estudio, investigamos experimentalmente canales de fluido unidireccionales y curvos con matrices de celdas designables por humectabilidad cuadrada. Las celdas unitarias consistían en un área sin grabar y un área grabada con RIE. Los procesos RIE crearon rebajes nanoscópicos en la superficie del silicio, proporcionando así diferentes humectabilidades en las superficies sin grabar. La humectabilidad de las superficies de silicio se ajustó ajustando la relación de las áreas superficiales grabadas y sin grabar. Los patrones de grabado ajustados con precisión de las células individuales crearon de forma pasiva 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 fluidos mediante el diseño flexible de la forma del gradiente de humectabilidad. Nuestra plataforma puede contribuir al control pasivo del movimiento de fluidos en aplicaciones prácticas.

En este documento, presentamos un canal de fluido diseñable por humectabilidad basado en silicio con el proceso RIE. La figura 1a muestra la estructura superficial del canal de fluido designable por humectabilidad. Nuestro canal de fluido se pavimentó con celdas unitarias cuadradas que consisten en superficies grabadas y sin grabar físicamente a través de RIE, como se muestra en la Fig. 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 (amarillo) y grabadas físicamente (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 de la izquierda) y la superficie compuesta equivalente (esquema de la derecha).

La humectabilidad en el canal de fluido se diseñó con dos procedimientos. Primero, preparamos dos superficies con diferentes humectabilidades, es decir, superficies grabadas y sin grabar. El proceso RIE induce la rugosidad en la superficie del silicio, como se muestra en la Fig. 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 entra en 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 de la izquierda en la Fig. 1e. Este estado es equivalente a la superficie compuesta que consta de las dos regiones, que tienen diferentes humectabilidades, como se muestra en el esquema de la derecha en la Fig. 1e. El ángulo de contacto efectivo \(\theta\) en tal superficie se describe mediante la ecuación de Cassie38:

Usando las leyes de Wenzel y Cassie, modelamos las celdas unitarias con fina designabilidad para su humectabilidad.

Curiosamente, la matriz de celdas creó un gradiente de humectabilidad anisotrópica en toda la superficie. El líquido que cae se esparce y se propaga hacia la región con alta hidrofilia en tal superficie de gradiente. Por ejemplo, el canal de fluido tenía un gradiente de humectabilidad 1D, donde \(d\left(x,y\right)\) disminuía gradualmente a lo largo del eje \(x\), mientras que permanecía constante a lo largo de \(y\) -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 se muestra con la flecha azul en la Fig. 1a. Además, cuando \(d\left(x,y\right)\) se varió a lo largo de los ejes \(x\) e \(y\), la superficie exhibió un gradiente de humectabilidad 2D. En consecuencia, la dirección y la forma de los canales de fluido pueden diseñarse de forma 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 concentrado y H2O2 en una proporción de 3:1), agua Milli-Q (18 \(\mathrm{M\Omega }{\mathrm{ cm}}^ {-1}\)), y HF diluido. El procedimiento de limpieza del sustrato elimina las impurezas orgánicas y la capa de óxido natural del sustrato. Recubrimos el sustrato con hexametildisilazano y una resistencia de haz de electrones (EB) (Zeon Corporation, ZEP520). Los pilares alineados periódicamente se modelaron 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 grabó físicamente e indujo rugosidad superficial en la superficie de silicio. Finalmente, el sustrato se limpió nuevamente mediante el procedimiento de limpieza de sustrato para eliminar los grupos hidrófilos químicos no deseados que se formaron mediante el proceso RIE.

Para dilucidar la humectabilidad de los arreglos 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) consistía en células homogéneas de 1000 × 1000 (tamaño de 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 representaban respectivamente superficies de silicio grabadas y sin grabar. El valor de \({r}_{2}\) se calculó usando 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 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, \(d\left(x, y\ right)\) depende únicamente de \(x\). Por lo tanto, 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 fluido que caía se observó tomando una fotografía después de cada gota.

La superficie (iii) fue diseñada para tener un gradiente de humectabilidad 2D. Formamos 1080 \(\times\) 1980 celdas (tamaño de 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 ambos 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 para las coordenadas \(x\) e \(y\) es el micrómetro.

Las condiciones de la superficie de silicio modificada se examinaron mediante espectroscopía de fotoelectrones 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 en la superficie de 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 de la izquierda en la Fig. 1d) y grabadas (esquema de la derecha 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. La Figura 2a,b muestra 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 80,3° (Fig. 2a) y 42,1° (Fig. 2b) para las superficies sin y con el proceso RIE, respectivamente. El proceso RIE dio como resultado una superficie más humectable en el sustrato de silicio. Tenga en cuenta que ambos sustratos se limpiaron utilizando el procedimiento de limpieza de sustratos para eliminar los grupos hidrófilos químicos no deseados antes de la observación.

Vistas laterales de la gota de agua en la superficie de silicio limpia (a) sin y (b) con procesos de grabado con plasma. Perfiles superficiales de la superficie de silicio (c) sin y (d) con el grabado a través de AFM. Las imágenes TEM de la sección transversal de las superficies de silicio (e) sin y (f) con grabado. ( g ) espectros Si2p y ( h ) C1s XPS. Las líneas rojas, verdes y azules representan el proceso (A) (con RIE y con limpieza), (B) (sin RIE y con limpieza) y (C) (con RIE y sin limpieza) , respectivamente.

Tal discrepancia en la humectabilidad entre las superficies de silicio grabadas y sin grabar se explica por la rugosidad de la superficie, como se presenta en la literatura 39,40,41,42. Evaluamos la rugosidad de la superficie de los sustratos de silicio grabados y sin grabar usando 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 sin grabar. La diferencia de altura de la superficie sin grabado fue de aproximadamente 0,55 nm. Por el contrario, la superficie sometida al proceso de grabado presentaba una diferencia de altura superior a 5 nm. La superficie rugosa se creó mediante el proceso RIE porque los iones de grabado (iones de 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 vía pilares en celdas unitarias fue \(1

Además, podemos capturar visualmente las diferencias de rugosidad entre las superficies de silicio grabadas y sin grabar. La Figura 2e, f muestra 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 sin grabar. 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 denota como 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 limpieza. /o procesos de limpieza.

La Figura 2g, h muestra 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 la 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 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.

Por el contrario, los espectros del proceso (C) (con RIE y sin limpieza, representados por la línea azul) eran 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, lo que da como resultado el enlace Si-O. Los gases de grabado (Ar y CF4) no forman una capa de óxido, es decir, dióxido de silicio. Por lo tanto, el proceso de limpieza puede eliminar los efectos químicos del grabado con plasma. En particular, los grupos hidrofílicos 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). La figura 3a–c muestra imágenes SEM de la matriz de celdas fabricadas para \({r}_{2}=\) 0,37, 0,54, 0,74 y 0,93. El interior del círculo (es decir, la parte superior de la columna) era la superficie sin grabar, 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 con el aumento de \({r}_{2}\), es decir, la humectabilidad en la superficie de silicio se volvió más hidrófila debido al aumento del área grabada. Los resultados experimentales concordaron bien con los ángulos de contacto calculados usando la ecuación. (3) (Cruces rojas).

Las imágenes SEM de la superficie que consiste en la matriz de celdas homogéneas 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 como 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 \({r}_{2}\) etiquetadas 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 un ajuste fino de la humectabilidad en la superficie de 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 sin grabar \(d\left(x, y\right)\) es significativo. Por lo tanto, la superficie tiene baja humectabilidad. Por el contrario, \(d\left(x, y\right)\) se fijó 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 figura 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 al dejar caer agua repetidamente desde (b) el punto A y (c) B.

Dejando caer repetidamente 1 \(\mathrm{\mu L}\) de agua desde los puntos A y B, el movimiento del agua podría controlarse pasivamente. 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 esparce de acuerdo con 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 a medida que se inyectaba 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. Por el contrario, 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 dejar 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 \(x\) e \(y\) 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 verde vertical (roja horizontal) en 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 el gráfico 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 \(x\) e \(y\). 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 una forma convexa donde el ángulo de contacto tiene valores máximos y mínimos en el centro y en ambos bordes laterales del canal, respectivamente. La dirección de flujo efectiva en el canal se expresa como la suma de las direcciones de flujo a lo largo de los ejes \(x\) e \(y\). Teniendo en cuenta las direcciones de 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 caía desde el punto C. El agua que caía se movió hacia el borde inferior derecho del canal, como lo muestra la flecha blanca. La dirección del fluido del agua está en buen acuerdo con el argumento anterior.

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

En conclusión, investigamos experimentalmente una matriz de células designables 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 celdas permitieron el diseño flexible de la dirección y la forma de los canales de fluidos. Nuestra matriz de celdas designables por 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 a pedido razonable.

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Una parte de este trabajo fue apoyada por 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), 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 contribuido a las discusiones sobre las 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. & Tanaka, H. Gradiente de humectabilidad de diseño flexible para el control pasivo del movimiento de fluidos a través de la modificación física de la superficie. Informe científico 13, 6440 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-33737-4

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Recibido: 23 noviembre 2022

Aceptado: 18 abril 2023

Publicado: 20 abril 2023

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

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