Fabricación de matrices de microválvulas mediante unión selectiva de PDMS (polidimetilsiloxano) a través de perfluorooctilo

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 12398 (2022) Citar este artículo

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Para mejorar la versatilidad y robustez de los dispositivos analíticos de microfluidos para la exploración espacial, se ha implementado una matriz de microfluidos programables (PMA) para respaldar una variedad de misiones. Al diseñar un PMA, las válvulas normalmente cerradas son ventajosas para evitar la contaminación cruzada y las fugas. Sin embargo, se requiere un método de fabricación estable para evitar que estas válvulas se peguen y se adhieran con el tiempo. Este trabajo presenta cómo el polidimetilsiloxano (PDMS) se puede unir selectivamente mediante pasivación química para superar el problema de adherencia del PDMS durante la exploración espacial a largo plazo. Primero, en un sello PDMS, el perfluorooctiltriclorosilano (PFTCS) vaporizado se deposita en condiciones de -80 kPa y 150 °C. Luego, el PFTCS se transfirió a PDMS o sustratos de vidrio controlando la temperatura y el tiempo, y 15 minutos a 150 °C proporcionan la transferencia de PFTCS óptima para la unión selectiva. Con estos parámetros caracterizados, demostramos con éxito la fabricación de PMA para respaldar misiones espaciales a largo plazo. Para estimar la estabilidad del PFTCS estampado, se probó un PMA periódicamente durante tres años y no se observó rigidez ni alteración del rendimiento. Se realizó una prueba de vuelo con un cohete Cessaroni L1395 para pruebas de alta fuerza g y vibración y no hay diferencias en el rendimiento del PMA después de la exposición de las condiciones de lanzamiento y aterrizaje. Este trabajo es prometedor como técnica simple y robusta que ampliará la estabilidad y capacidad de PMA para la exploración espacial.

Se han desarrollado instrumentos analíticos de microfluidos para la exploración espacial para determinar composiciones químicas a partir de pequeñas muestras de suelo o partículas1,2,3,4,5. Sin embargo, para que sea compatible con misiones más amplias, la programabilidad y la durabilidad requieren un mayor desarrollo. Una matriz de microfluidos programable (PMA) está diseñada para lograr una manipulación de fluidos autónoma, como tirar, empujar, mezclar y distribuir fluidos con alta precisión. El diseño de la microválvula y los parámetros operativos se pueden definir para lograr el volumen de dispensación y el caudal deseados. Se ha demostrado que PMA para la preparación programada de muestras, ensayos fluorométricos y biodetección demuestra la versatilidad del uso de microválvulas normalmente cerradas4,6,7,8,9,10,11,12. Las válvulas normalmente cerradas típicas tienen una estructura de compuerta en el lado de la membrana flexible o en el lado del microcanal para bloquear el flujo sin accionamiento12,13,14. Aunque este es un aspecto excelente para el control de fluidos, la fabricación de PMA requiere procedimientos de unión PDMS selectivos para minimizar el problema de atascamiento de la válvula después de la exposición al plasma15. Además, el PDMS puede adherirse débilmente al vidrio después de un contacto prolongado. La evidencia empírica de PMA producida en nuestro laboratorio implica que si las válvulas descansan más de 6 meses, las compuertas de las microválvulas se adhieren al vidrio y a los sustratos de PDMS. El cronograma típico para llegar a planetas objetivo como Marte, Europa y Encelado es de aproximadamente siete meses16, cinco años17 y siete años18 de viaje, respectivamente, y por lo tanto, para utilizar el PMA para explorar estos planetas, se debe resolver el problema de la estabilidad de las microválvulas. resuelto para obtener el desempeño esperado de PMA.

Los PMA típicos se fabrican utilizando una técnica de litografía suave con polidimetilsiloxano (PDMS)19,20 y se empaquetan con plasma de oxígeno que trata todas las superficies expuestas19,21,22. Es posible cierta unión selectiva mediante la aplicación manual de un químico pasivante, bloqueando áreas manualmente o tratando la superficie con PDMS sin tratar23,24. Sin embargo, estos tienen un alcance limitado para fabricar estructuras 3D en lugar de uniones selectivas con complejos moldes de sello microfabricados sin investigar ningún efecto y estabilidad a largo plazo23,24.

Se ha realizado un tratamiento químico utilizando varios silanos para alterar las propiedades de la superficie en dispositivos de microfluidos PDMS. Entre ellos, el perfluorooctiltriclorosilano (PFTCS) se utiliza a menudo para formar superficies superhidrófobas23,25,26,27,28, ya que se deposita fácilmente en las superficies debido a su baja presión de vapor. PFTCS también forma capas estables sobre superficies hidroxiladas, como la superficie de PDMS o vidrio después del tratamiento con plasma de oxígeno, a través de una reacción de condensación23,29. Si bien la pasivación PFTCS manual sin ningún método de modelado, como la aplicación manual de líquido, se puede utilizar para la fabricación de baja precisión, los dispositivos accionables con alta precisión requieren un método de unión selectiva escalable.

En este trabajo, presentamos una técnica simple, precisa y mecánica y químicamente resistente para la unión selectiva de PDMS para mejorar la estabilidad de PMA para misiones espaciales a largo plazo. Investigamos el nivel de vacío, la temperatura y el tiempo asociados con la deposición de PFTCS para obtener una capa de PFTCS precisa en un sello PDMS y la transferencia de PFTCS entre el sello y un sustrato influenciada por el tiempo, la temperatura y el material del sustrato. Al determinar parámetros fisicoquímicos detallados, pudimos demostrar una fabricación impecable de PMA sin ningún problema problemático. Fabricamos dos dispositivos de ejemplo con este procedimiento y los probamos para demostrar su usabilidad y estabilidad a largo plazo para futuras exploraciones espaciales. Con todos los resultados de la caracterización, este método de fabricación se puede expandir fácilmente más allá de los dispositivos presentados en este trabajo para matrices de microválvulas de alta densidad, dispositivos MEMS estirables con escala de oblea y otros campos de investigación donde se requiere una unión selectiva con estabilidad a largo plazo.

Como se describe en la Fig. 1, se corta una máscara de deposición (Roland CAMM-1 Servo GX-24) a partir de cinta de vinilo (Gerber; Tolland, CT) y se aplica a un trozo de PDMS a granel (Stockwell Elastomerics; Philadelphia, PA) para el paso 1 y 2. Este método permite una resolución de característica de 300 µm. Sin embargo, también se podría crear una máscara mediante fotolitografía, lo que daría como resultado características a escala micrométrica. Una cámara de vacío (Fisher Scientific, PA) tenía una tapa de placa de Petri de 5 pulgadas fijada en la parte superior con cinta adhesiva de doble cara para proporcionar un lugar de montaje para los sellos. El sello se colocó en el medio de la parte superior de la cámara y el PFTCS (Sigma Aldrich, MO, EE. UU.) se retiró de un desecador para su uso. Se calentó un bloque térmico durante al menos dos horas antes de colocarlo en la cámara con una tapa de microtubo que contenía PFTCS. Para iniciar la deposición, se agregaron 100 µl de PFTCS a la parte superior del microtubo y se aplicó vacío. Se monitoreó el nivel de vacío en la cámara y se cerró la válvula de la cámara para aislarla una vez que se alcanzó el nivel de vacío requerido. Después del tiempo de deposición deseado, se liberó el vacío de la cámara para obtener un sello depositado de PFTCS descrito en los pasos 3 y 4 de la Fig. 1.

Descripción general del procedimiento de deposición y sellado. (1) Se corta una máscara de cinta de vinilo según el patrón de unión selectiva deseado. (2) Esta máscara se aplica a una losa de PDMS que actuará como sello. (3) La deposición de PFTCS se produce en un desecador de vacío de bajo costo. (4) Se retira la máscara de cinta del sello, dejando el PFTCS sólo en el área expuesta. (5) Se utilizan calor y fuerza para transferir el PFTCS del sello al sustrato deseado. (6) Después de la transferencia, el sello muestra signos aparentes de transferencia al sustrato para facilitar los controles de control de calidad.

El estampado se realizó sobre dos sustratos, vidrio y PDMS con una característica cruzada. Antes del estampado, cada sustrato se limpió con acetona (solo vidrio), IPA y agua desionizada (todos los sustratos) antes de secar con gas N2. Luego se utilizó una plantilla para marcar la parte inferior de los portaobjetos de vidrio para especificar dónde se estamparía el PFTCS. Cada sustrato se colocó en una placa calefactora ajustada a la temperatura deseada para ese experimento y se dejó asentar a una temperatura de estado estable, ~ 15 min. Los sustratos se retiraron brevemente de la placa calefactora y los sellos se alinearon antes de presionarlos. La alineación se realizó utilizando marcas en el vidrio o cruces PDMS como puntos de referencia. Estos puntos de referencia se alinearon manualmente con la deposición opaca de PFTCS en el propio sello. Como se muestra en el paso 5 de la Fig. 1, después de la alineación, la combinación sustrato-sello se devolvió a la placa calefactora y se colocó un peso cilíndrico de 3 kg encima, correspondiente a 6,5 ​​kPa o presión. Al final de cada paso de tiempo (1, 15, 30 y 60 minutos), el sello se retiró del sustrato y se almacenó para su medición junto con el PDMS presentado, si era necesario, dejando el sello con el patrón PFTCS residual que se muestra en el paso. 6 de la figura 1.

Todas las mediciones de espesor se completaron utilizando una Olympus LEXT OLS5000 (Olympus, Japón). El espesor de la película PFTCS y la variación de altura se determinaron utilizando la utilidad de pasos del software Olympus, comparando la altura promedio entre dos regiones de interés en el perfil. La medición de la rugosidad se completó obteniendo la variación en altura a través de una región de interés establecida como el área de deposición de PFTCS. La uniformidad de la transferencia se cuantificó utilizando ImageJ para seleccionar áreas de transferencia de PFTCS y comparándolas con el área de transferencia total posible. Las mediciones con microscopio electrónico de barrido (SEM) se realizaron con un FEI Quanta 600F (Oregón, EE. UU.) utilizando el detector de electrones secundario. Las muestras se prepararon como se detalla en los métodos antes de la medición SEM en el modo de bajo vacío del Quanta.

La Figura SI1 muestra un diseño simple de chip de cinco microválvulas en AutoCAD12. Este chip fue diseñado para ser una plataforma sencilla para probar la vinculación selectiva. El diseño constaba de cuatro válvulas de dos vías y una válvula central de cuatro vías. Los moldes requeridos se fabricaron utilizando métodos de xurografía convencionales utilizando un cortador de vinilo y cinta de vinilo30. Se requirieron dos moldes para los dispositivos, correspondientes a la capa neumática y capa fluídica del dispositivo final. La capa fluídica debe ser delgada para que la membrana de la válvula funcione correctamente, por lo que el patrón de cinta se colocó en la tapa de una placa de Petri para el recubrimiento por rotación. Esta tapa tenía PDMS sin curar (10:1) vertido sobre la parte superior y se hizo girar a 200 rpm para lograr un espesor de ~ 150 micrones. El espesor de la capa neumática no era crítico, por lo que su patrón se colocó dentro de una placa de Petri y se vertió PDMS sin curar hasta un espesor de ~ 3 mm. Las dos capas se curaron a 75ºC durante dos horas. La capa neumática curada se retiró del molde y se perforaron las entradas neumáticas. La capa fluídica se retiró de su molde presionando una lámina de plástico flexible contra el PMDS y despegando la capa del molde gradualmente. Se colocó una segunda lámina de plástico en el otro lado para evitar la contaminación por polvo. Como cada molde tenía características para nueve chips, la capa fluídica se cortó con tijeras y la capa neumática se cortó con una navaja. Las piezas fluídicas y neumáticas se limpiaron brevemente con cinta adhesiva antes del tratamiento con plasma de oxígeno para una unión permanente22. Brevemente, se colocaron elementos neumáticos y fluídicos coincidentes en una cámara de plasma para su exposición. Después de la exposición, cada uno se limpió brevemente con gas N2 para eliminar el polvo, se alineó usando las puertas como guía y luego se puso en contacto. A continuación, los dispositivos se colocaron en una placa calefactora a 65 °C durante 30 minutos para completar la unión. Por último, se perforaron los puertos fluídicos y los chips se envolvieron en una envoltura de plástico para evitar la contaminación durante el almacenamiento.

Además del chip de la válvula de compuerta, se diseñó en AutoCAD una máscara de sello correspondiente. La máscara tenía áreas abiertas que correspondían a la ubicación de las microválvulas del PMA simple. La máscara se cortó utilizando el mismo método descrito anteriormente y las ubicaciones desenmascaradas se podaron manualmente. A continuación, se curó un cilindro de PDMS de 3 mm de espesor y 90 mm de diámetro y se transfirió la máscara a este cilindro. El PDMS se cortó en sellos individuales y cada uno se almacenó hasta su depósito.

Los procedimientos de unión son casi idénticos para los dispositivos PDMS destacados y estampados en vidrio. En la caja de vidrio estampado, el vidrio y cuatro chips PDMS se colocaron en la cámara de plasma de oxígeno. El propio PFTCS es estable bajo plasma de oxígeno y las pruebas mostraron una disminución de menos del 10% en el espesor con los parámetros de exposición utilizados en este trabajo. Para las microválvulas PDMS estampadas, se colocaron en una cámara cuatro chips tratados y un portaobjetos de vidrio. En ambos casos, el vidrio y el PDMS se trataron con plasma de oxígeno (PE-50 de Plasma Etch, NV) durante 30 s a 200 mTorr y 80% de potencia. Los chips PDMS tratados simplemente se unieron al portaobjetos de vidrio y los chips PDMS no tratados se alinearon con las marcas en la parte inferior del vidrio tratado para alinear las características correctamente con el PFTCS transferido. Después de la alineación, los chips ensamblados se colocaron en una placa calefactora a 65 °C durante 30 minutos para completar la unión.

La prueba de actuación inicial del PMA simple se realizó primero aplicando vacío a cada microválvula. Una vez confirmada la funcionalidad de cada microválvula, se verificó la uniformidad de la transferencia comprobando si había fugas. Una transferencia no uniforme conduciría a un sellado deficiente de la válvula debido a las pequeñas diferencias de altura a través de la compuerta. Se conectaron dos microválvulas a una fuente de nitrógeno de 50 kPa como presión de cierre12, mientras que las otras dos se conectaron al vacío. Según los datos de la Fig. 5C, se utilizó un caudal de 90 µL/min para estar muy por encima de la presión máxima durante la operación normal de bombeo de microválvulas, y las válvulas presurizadas se monitorearon para detectar signos de fugas en estas condiciones.

Además, se fabricó un dispositivo de cinta estirable como demostración separada de este método. Primero, se preparó un sello con una máscara de deposición y la máscara se muestra en la Fig. SI2. La deposición sobre el sello se realizó como se analizó anteriormente con una temperatura de fuente de 115 °C y un tiempo de deposición de 30 min. A continuación, se estiró una tira de PDMS de 75 × 25 mm y se fijó a un portaobjetos de vidrio. El sello se retiró de la cámara y se presionó sobre la tira de PDMS, estampándose durante 30 minutos a 150 °C. Por último, el PDMS estampado se unió al diseño de cinta de PDMS que se muestra en la Fig. SI2 y luego se relajó, donde se observó la separación en función de las áreas estampadas.

Se fabricó un PMA a mayor escala que consta de 25 válvulas de dos y cuatro vías utilizando los parámetros optimizados detallados anteriormente y se probó su funcionalidad después de un almacenamiento a largo plazo y sujeto a un gran número de actuaciones. Brevemente, se fabricaron moldes SU-8 para capas neumáticas y fluídicas utilizando un protocolo de fotolitografía estándar4,12. Luego, la fabricación procedió como se describió anteriormente para el chip de 5 válvulas. Se creó y aplicó un sello utilizando los parámetros optimizados determinados antes de unir el PDMS a una oblea de vidrio. Se utilizó una secuencia de bombeo para demostrar el accionamiento de todas las microválvulas para transportar líquido desde una entrada a una salida. Las mediciones del caudal se tomaron utilizando un monitor de caudal Sensirion (Suiza) SLI-1000 y se compararon después de un almacenamiento seco a largo plazo o durante un período prolongado de actuación repetida. Además, en el lanzamiento de un cohete, la PMA tuvo que exponerse a condiciones de alta fuerza G y vibraciones inducidas por el lanzamiento del cohete para confirmar la estabilidad del recubrimiento PFTCS. Los parámetros de vuelo se incluyen en la Tabla SI1 y también se incluye un enlace para ver el vídeo del vuelo. También se incluye un vídeo del lanzamiento con información complementaria. Se utilizó un registrador de datos de fuerza g VB300 (Extech; Nashua, NH) para medir la aceleración y la vibración durante este lanzamiento.

Primero, se investigaron las tasas de vaporización de PFTCS líquido con respecto al tiempo para determinar tiempos de deposición razonables, como se muestra en la Fig. SI4. Esta prueba inicial se realizó a -80 kPa, que está muy por encima de la presión de vapor del PFTCS. Bajo este nivel de presión, la tasa de vaporización de PFTCS comenzó relativamente alta (7,73 mg/min) y cayó exponencialmente y alcanzó un equilibrio de la tasa de vaporización (2,08 mg/min) después de 60 min. Después de estas evaluaciones iniciales, se probó la deposición real de PFTCS en un sello PDMS con tres niveles de tres parámetros diferentes, considerando las propiedades termodinámicas de PFTCS: vacío de la cámara (− 5, − 37,5 y − 80 kPa), tiempo de deposición (20, 30 y 40 min) y la temperatura de la fuente (85, 115 y 145 °C). Para el vacío de la cámara, elegimos niveles de vacío justo por encima y por debajo de la presión de vapor de PFTCS (- 35 kPa)31 y un nivel de vacío alto razonable para un entorno de laboratorio. Los tiempos se eligieron en función de los experimentos de vaporización, ya que son lo suficientemente largos para que las moléculas de PFTCS estén presentes en la cámara, y al mismo tiempo lo suficientemente largos como para estar dentro del 15% del valor del estado estacionario. Las temperaturas de la fuente se seleccionaron para investigar la influencia de la vaporización del PFTCS para promover la tasa de deposición sin dañar el PDMS32 y garantizar la vaporización en el extremo inferior31. La Figura SI4 muestra la deposición de PFTCS bajo estos parámetros de control. A partir de las pruebas ANOVA (n = 3 para todos los parámetros y niveles), encontramos que el parámetro más influyente entre estos parámetros fue el nivel de vacío de la cámara (α = 0,05). El tiempo y la temperatura muestran menos impacto en la deposición general que la presión, pero impactan la estabilidad general de la deposición. Por lo tanto, el caso de tiempo de deposición de 30 minutos y temperatura de fuente de 115 °C muestra la desviación estándar más baja de cantidades significativas de deposición.

Se realizaron más investigaciones con varias presiones de vacío para determinar la condición óptima para la deposición de PFTCS presentada en la Fig. 2. A una presión de vapor superior a la de PFTCS, la velocidad de deposición aumenta exponencialmente entre − 73 y − 80 kPa, aumentando un promedio de 3,6 nm/min. /kPa (deposición de 36,5 nm/min a -80 kPa versus deposición de 10,23 nm/min a -73 kPa). Sin embargo, más allá de -87 kPa de vacío, esta tasa de deposición por nivel de vacío cae 0,97 nm/min/kPa. A una presión de vapor inferior a la de PFTCS, hay pocos cambios en la velocidad de deposición debido a las moléculas limitadas de PFTCS. Aumentar el vacío por encima de ese nivel de vacío crítico condujo a una deposición más consistente sobre la superficie del sello PDMS a medida que más molécula de PFTCS vaporizada llenaba la cámara. Curiosamente, observamos que las tasas de deposición aumentaron exponencialmente de -73 a -80 kPa. Por lo tanto, considerando la velocidad de deposición general y la consistencia, elegimos utilizar un vacío de −80 kPa, una temperatura de fuente de 115 °C y un tiempo de deposición de 30 minutos para los experimentos restantes.

La tasa de deposición medida de PFTCS depende del nivel de vacío. Todas las mediciones de los experimentos se realizaron después de 30 minutos de deposición y por triplicado. El fuerte aumento a 73 kPa se debe a la presión de vapor del PFTCS y la deposición a niveles de vacío más bajos se debe principalmente a la volatilidad del PFTCS.

Para demostrar la transferencia de PFTCS a un PDMS con patrón cruzado, se adjuntó una máscara de sombra con la matriz de ventana circular en una hoja de PDMS y se depositó PFTCS con las condiciones óptimas anteriores para crear la matriz de puntos de PFTCS. Este PFTCS se transfirió al PDMS de patrón cruzado controlando la temperatura del sustrato y el tiempo de estampado. Las Figuras 3A y B presentan la transferencia del PFTCS en la superficie PDMS con patrón cruzado con respecto al tiempo de contacto y la temperatura. Observamos que la temperatura era un parámetro crítico mientras que el tiempo en la cantidad de transferencia era mínimo, excepto en el caso de temperatura ambiente. Al elevar la temperatura durante el contacto, la cobertura de PFTCS en el patrón cruzado es uniforme con fina, mientras que el caso de temperatura ambiente muestra una deposición de PFTCS inconsistente. Esto se debe a que la energía térmica promueve una reacción de condensación tanto en la superficie del sello como en la del sustrato, lo que hace que el PFTCS se una a la superficie del PDMS. Dado que no hay reacción de condensación en el caso de temperatura ambiente, observamos una variación significativa del espesor del PFTCS tanto en el sello como en la superficie del sustrato.

Caracterización de la estampación PDMS-PDMS en forma de cruz. (A) Imagen de la cruz después de estampar con PFTCS resaltada en verde. (B) Cobertura de la superficie con respecto al tiempo y la temperatura de estampado. (C) Imagen de los sellos correspondientes tras estampar durante 30 min. (D) Altura RMS promedio en tres ubicaciones de cada sello que muestra la uniformidad de la transferencia. La imagen insertada describe dónde se obtuvieron A y C. Todos los experimentos fueron realizados por triplicado.

El área de transferencia es fundamental ya que la transferencia irregular puede provocar una adherencia parcial o total o una superficie irregular, dependiendo de la aplicación final del sustrato. Las Figuras 3A y B muestran la cobertura de la superficie de las características PDMS correspondientes y la cobertura de la superficie estampada controlando la temperatura y el tiempo de estampado. Como se indica con color verde en la Fig. 3A, se puede observar un claro aumento en la cobertura de la superficie a medida que aumenta la temperatura. Al realizar estudios paramétricos con temperatura y tiempo de estampado, pudimos determinar cambios en la cobertura de la superficie. La Figura 3B muestra que en el caso del estampado a temperatura ambiente, la cobertura de la superficie de PFTCS aumentó del 17 al 79 % al aumentar los tiempos de estampado de 1 a 60 minutos y el calentamiento del sustrato durante el estampado resultó en más del 95 % de la cobertura de la superficie independientemente del tiempo. Probablemente debido al precalentamiento del sustrato. Sin embargo, aumentar la temperatura de 85 a 150 °C no mejoró significativamente la cobertura porque a temperatura más baja ya era posible una transferencia perfectamente uniforme. La simulación de la transferencia de calor durante el proceso de estampado descrito en la Fig. SI5 muestra que las temperaturas alcanzan rápidamente más de 57 y 92 °C en la interfaz PFTCS para las cajas de placa calefactora de 85 y 150 °C, respectivamente, debido al precalentamiento del sustrato que tomó lugar. Las temperaturas se estabilizan en 65 y 110 °C debido al peso estampado que actúa como disipador de calor. Esta acción del disipador de calor provoca un flujo de calor continuo a través de la interfaz de estampado y la temperatura y los resultados experimentales muestran que es probable que esté ocurriendo una reacción de condensación, lo que hace que las capas de PFTCS se adhieran a las cruces en lugar de a los trozos que se ven en el caso de temperatura ambiente.

Las Figuras 3C y D cuantifican la rugosidad de la transferencia informando la altura RMS en tres puntos de cada uno de los sellos. La altura RMS informa la desviación estándar de la altura de la película que indica la uniformidad del espesor de los PFTCS transferidos. La altura RMS de la superficie estampada disminuye considerablemente de 1166 ± 459 nm a 25 °C a 194 ± 125 nm a temperaturas de placa caliente de 85 °C, lo que muestra un aumento en la uniformidad, pero solo hay un cambio del 20 % entre 85 °C y la altura de 159,5 ± 37 nm a 150 °C. Sin embargo, la altura RMS a 150 °C tiene una desviación estándar mucho más baja, lo que indica la uniformidad en la superficie del sello.

Se han realizado más demostraciones con un sustrato de vidrio. La transferencia a un vidrio desnudo fue constante en todas las temperaturas y tiempos debido a la abundancia de grupos hidroxilo en la superficie del vidrio en comparación con el PDMS sin tratar33,34. Esta propiedad promueve la adherencia del PFTCS a la superficie permitiendo una película de PFTCS uniforme (Fig. SI6). Independientemente de la temperatura, no hubo una cantidad detectable de PFTCS en el sello y el sustrato de vidrio mostró un espesor uniforme cuando se tomaron las imágenes, una rugosidad promedio de 350 ± 113 nm en las tres imágenes.

Se probó una unión selectiva adicional para vidrio y se presentó PDMS. En la práctica, el patrón cruzado transferido al PDMS presentado en el experimento anterior coincide con la transferencia necesaria para pasivar las microválvulas. Por tanto, la unión selectiva se confirmó probando tanto las microválvulas estampadas como las microválvulas unidas al vidrio estampado. La Figura 4A presenta una matriz de microválvulas simple con una red de 5 microválvulas que se utiliza para los experimentos y la caracterización. Durante la fabricación del conjunto de microválvulas, observamos algunas de las fallas parciales o completas debido a la desalineación del sello, a la falta parcial de la microválvula o al área de contacto de la microválvula que provoca el problema de atascamiento de la válvula. Se estimó la tasa de éxito general en un sustrato de vidrio o PDMS. La Figura 4B muestra la tasa de éxito de los chips estampados en vidrio. No hay un patrón aparente en la tasa de éxito, ya que la temperatura de estampado varió del 92 al 75% para el estampado a temperatura ambiente y 150 °C, respectivamente. Las virutas estampadas en vidrio tuvieron un rendimiento consistentemente bueno debido a la consistencia de la transferencia, como se señaló anteriormente. Sin embargo, la alineación con vidrio estampado fue difícil debido a la falta de visibilidad del PFTCS, lo que provocó fallas debido a la desalineación de las microválvulas. En general, no se recomienda estampar sobre un sustrato de vidrio desnudo, ya que la deposición directamente sobre el vidrio aprovecha la opacidad del PFTCS depositado para una alineación sencilla. Para el sustrato PDMS presentado que se muestra en la Fig. 4C, se observa una tendencia notable hacia la necesidad de una temperatura de transferencia más alta, con un éxito del 17 al 100% a medida que aumenta la temperatura. Como se mencionó anteriormente, el estampado a baja temperatura provoca una transferencia deficiente de las funciones y provoca problemas generalizados de adherencia en todo el chip. Por lo tanto, se deben utilizar al menos 100 °C durante el estampado del PDMS destacado para provocar una reacción de condensación, lo que da como resultado una alta uniformidad de transferencia y funcionalidad del dispositivo.

Caracterización de la transferencia de PFTCS desde un sello PDMS a diferentes sustratos. (A) Un diseño de chip simple de 5 microválvulas. (BC) La tasa de éxito de PFTCS transferida de un sello PDMS a características PDMS y al vidrio, respectivamente. Las imágenes insertadas en (B) y (C) muestran la ubicación del PFTCS (verde) con respecto al PDMS (rojo) y el vidrio (azul). (D) Seguimiento del espesor de PFTCS durante todo el proceso de fabricación de una puerta PDMS estampada con PFTCS bajo los parámetros de fabricación optimizados. Todos los resultados provienen de 10 de los chips de 5 microválvulas que se muestran en (A).

Además, se ha realizado una caracterización adicional para comprender la estabilidad de la unión selectiva de microválvulas mediante SEM. Después de verificar la compuerta de la microválvula y la superficie de contacto, encontramos que PFTCS está presente en ambos lados. Como se indica en la Fig. SI7C, las capas de PFTCS se formaron en ambas superficies con aproximadamente la mitad de las PFTCS en la compuerta, lo que permite que la microválvula funcione sin problemas de adherencia durante un largo período de tiempo. La Figura 4D muestra un desglose de la distribución de PFTCS a lo largo de todo el proceso de fabricación de un solo chip. Aproximadamente el 30 % del PFTCS del sello se transfiere a la microválvula PDMS y este 30 % se divide uniformemente entre la microválvula y el sustrato de vidrio después del paso de unión final.

Como demostración adicional de esta técnica de unión selectiva, el microdispositivo estirable se fabricó y probó observando el ensamblaje y la calidad de las estructuras 3D diseñadas. Para fabricar el dispositivo estirable que se muestra en la figura SI8, se estiró unidireccionalmente un 15% de PDMS delgado, se enmascaró, se depositó PFTCS y luego se unió a una cinta de PDMS después de alinearlo con el patrón de PFTCS antes de la relajación. Se formaron con éxito múltiples estructuras 3D con forma de arco sin ningún procedimiento de microfabricación pesado cuando se relajó el estiramiento del sustrato PDMS delgado.

La Figura 5 muestra un PMA a mayor escala con 25 microválvulas que se fabricó utilizando los parámetros optimizados para realizar una manipulación fluídica compleja. Este PMA está diseñado para ser un componente de bombeo para un procesador de fluidos completo. Si se combina con un sistema de detección, la combinación se puede utilizar para la detección de firmas de vida en muestras extraterrestres in situ aprovechando la estabilidad a largo plazo que ofrece el método de fabricación presentado. Por ejemplo, el análisis de muestras de hielo de las lunas de Saturno y Júpiter puede revelar signos de vida en nuestro sistema solar35 y un PMA fabricado con el método de fabricación presentado tiene la capacidad no sólo de realizar el procesamiento necesario sino de seguir funcionando después de años de almacenamiento. durante el vuelo.

Diferentes pruebas de estabilidad a largo plazo para el método de fabricación presentado. (A) Diagrama de una secuencia de bombeo de ejemplo que aspira líquido y luego lo empuja hacia donde se necesita. Los números en el diagrama designan los números de válvula para la secuencia de actuación que se proporciona en la información complementaria. (B) Comparación del perfil de caudal de un dispositivo complejo basado en microválvulas fabricado utilizando este método basado en PFTCS en la fecha de fabricación y 3 años después. El gráfico insertado muestra un perfil de fuerza g de un minuto de duración que este chip experimentó durante el lanzamiento de un cohete y el choque entre el tiempo de los dos gráficos de caudal. En el lanzamiento se aplicó una aceleración sostenida de 7,5 g al chip y durante el choque la aceleración llegó a 25 g. Esto muestra las capacidades de longevidad y la resistencia de este método de impresión por microcontacto. (C) Comparación del rendimiento del mismo tipo de dispositivo con uso constante durante miles de operaciones de apertura y cierre. Las actuaciones especificadas corresponden a una sola válvula en la secuencia, lo que significa que cada una de las 11 válvulas experimentó esa misma cantidad de actuaciones.

Por lo tanto, es importante verificar la estabilidad de este componente después de actuaciones a largo plazo, lanzamientos simulados de cohetes y almacenamiento a largo plazo. La Figura 5A muestra el diseño de PMA y instantáneas de la secuencia de bombeo con tintes de color utilizados en las pruebas de estabilidad. La numeración en la caricatura designa los números de válvulas para la secuencia de actuación proporcionada en la información complementaria (Tabla SI2). La secuencia comenzó abriendo una de las válvulas perimetrales de dos vías y luego, en secuencia, abriendo las válvulas interiores de cuatro vías hasta que todas estén abiertas, como se muestra en la Fig. 5A1. Una vez que todas las válvulas de cuatro vías están abiertas (Fig. 5A2), la válvula de dos vías de entrada se cierra y luego se abre una válvula de dos vías de salida. Por último, las válvulas interiores de cuatro vías se cierran en secuencia para expulsar el fluido como se presenta en la Fig. 5A3. Esta secuencia de bombeo se repitió para las siguientes pruebas de estabilidad en diversas condiciones. Las Figuras 5B y C muestran el caudal de esta secuencia después de diversas condiciones de almacenamiento, fuerza y ​​actuación, así como el volumen medio por ciclo de la secuencia de bombeo en cada caso. La Figura 5B muestra que este método es estable con respecto a tiempos de descanso prolongados, > 3 años, ya que el perfil de flujo es idéntico después de la fabricación y tres años después. Además, el gráfico insertado en la Fig. 5B muestra un gráfico de la fuerza g experimentado por ese chip en particular durante el vuelo de un cohete de prueba y el choque entre el momento de las dos mediciones de caudal. La fuerza g promedio durante el lanzamiento fue de aproximadamente 7,5 g, coincidiendo con lo que se esperaba ligeramente más alto durante los lanzamientos típicos, 3 a 6 g36, y el chip fue capaz de soportar fuerzas de hasta 25 g durante el choque. Durante el descenso y el choque, el PMA también fue sometido a vibraciones a 7,5 Hz durante aproximadamente 10 s. La resistencia del PMA a estas condiciones demuestra que el método de unión selectiva PFTCS es estable durante y después del lanzamiento de un cohete. Otros chips probados después de largos tiempos de descanso (> 3 años) muestran algunos tiempos de respuesta lentos al reabrir inicialmente las válvulas. Después de algunas actuaciones de cebado de aproximadamente 10 veces, el PMA vuelve a sus condiciones de funcionamiento habituales. Este almacenamiento a largo plazo demuestra la resistencia de la unión PDMS-vidrio alrededor de la microválvula. Como se trata de un vínculo irreversible, no se prevé que falle el vínculo; sin embargo, la unión PDMS-vidrio alrededor de la microválvula se somete a presiones relativamente altas durante períodos cortos de tiempo cuando la válvula se cierra. Durante la observación, no hay evidencia de falla o alteraciones en esta región, lo que indica la fortaleza continua del vínculo. Además, los resultados de alto uso presentados en la Fig. 5C muestran la estabilidad y consistencia del PMA a pesar de las tareas y secuencias repetitivas. Cada uno de los puntos medidos tiene un trazado idéntico independientemente del número de actuaciones. Después de 18 h de actuación constante de todas las microválvulas del PMA, casi no hay diferencias en el rendimiento del PMA. Estos resultados muestran que se puede confiar en el método de unión selectiva asistido por PFTCS para misiones espaciales que tienen largos tiempos de espera y una gran cantidad de operaciones de ciclo sin riesgo de falla en las operaciones de microfluidos. Se están realizando más caracterizaciones para comprender los perfiles térmicos y el rendimiento de actuación de PMA en condiciones de gravedad cero.

Para respaldar una misión espacial a largo plazo utilizando un conjunto de microválvulas programables, se ha caracterizado y demostrado por primera vez un procedimiento de unión selectiva de PDMS que utiliza la impresión de microcontactos PFTCS. Se caracterizaron en detalle la fabricación del sello, la deposición de PFTCS y el uso de los sellos, y se identificaron los parámetros principales como la temperatura, la presión y las condiciones de carga para la deposición y el sello para lograr la unión selectiva de PDMS en varios sustratos. En particular, determinamos los parámetros dominantes tanto para la deposición, alto nivel de vacío, como para el estampado, alta temperatura. Los otros parámetros probados, la temperatura de la fuente y el tiempo durante la deposición y el tiempo de estampado y el material durante la transferencia, no influyeron con respecto al ruido de fondo en los datos. Utilizando el protocolo detallado en este manuscrito, se depositó PFTCS en sellos PDMS que se usaron para transferir el PFTCS tanto al vidrio como al PDMS para demostrar una matriz de microválvulas y un dispositivo de cinta 3D estirable. Además, este método de fabricación es estable durante largos períodos de tiempo, una gran cantidad de actuaciones y exposición a altas fuerzas G, lo que lo hace útil para misiones espaciales a largo plazo sin ninguna alteración de la funcionalidad de las microválvulas. Además, la técnica de unión selectiva presentada es fácilmente escalable a dispositivos más grandes con una matriz de microválvulas de alta densidad. Un PMA más complejo que el presentado aquí podría almacenar y diluir reactivos, mezclar y etiquetar muestras y entregar la muestra etiquetada a un sistema de detección, todo con la estabilidad a largo plazo requerida para las misiones en el sistema solar exterior. Ese PMA hipotético podría usarse para muchos perfiles de misión diferentes, ya que su programabilidad permite cambios de protocolo sin cambiar el diseño físico del chip. Las pruebas adicionales serán beneficiosas particularmente para el termociclado para comprender el estrés térmico inducido por la expansión térmica y la vibración integral para evaluar la estabilidad mecánica. A pesar de que los resultados preliminares de este tipo de pruebas son prometedores, aún son necesarias pruebas ambientales más exhaustivas para mejorar el nivel de preparación tecnológica (TRL). Además, el método de fabricación presentado se puede mejorar mediante el uso de enmascaramiento del sello PDMS basado en fotoprotectores. Esto aumentaría en gran medida la posible resolución de este método para crear patrones de tratamiento de superficies más complejos.

Los conjuntos de datos generados y analizados durante este trabajo no están disponibles públicamente debido a la consideración de la solicitud de patente, pero están disponibles a través del autor correspondiente a solicitud razonable.

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Descargar referencias

Este trabajo fue apoyado principalmente por la subvención MatISSE 80NSSC17K0600 y REDDI 80NSSC21K0447 de la NASA. Además, J. Kim agradece el apoyo financiero de este proyecto por parte de la Universidad de Utah. Todos los autores agradecen a la Raider Aerospace Society de la Texas Tech University por su apoyo para proporcionar el lanzamiento del cohete para las pruebas de estabilidad. Este trabajo se realizó en parte en Utah Nanofab, patrocinado por la Facultad de Ingeniería, la Oficina del Vicepresidente de Investigación y la iniciativa Utah Science Technology and Research (USTAR) del estado de Utah. Los autores agradecen el apoyo del personal y las instalaciones que hicieron posible este trabajo.

Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Utah, Salt Lake City, UT, 84112, EE. UU.

Zachary Estlack y Jungkyu Kim

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ZE y JK diseñaron la investigación; ZE realizó investigaciones; ZE y JK analizaron los datos; y ZE y JK escribieron el artículo.

Correspondencia a Jungkyu Kim.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Estlack, Z., Kim, J. Fabricación de conjuntos de microválvulas mediante unión selectiva de PDMS (polidimetilsiloxano) mediante pasivación con perfluorooctil-triclorosilano para la exploración espacial a largo plazo. Informe científico 12, 12398 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-16574-9

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Recibido: 01 de febrero de 2022

Aceptado: 12 de julio de 2022

Publicado: 20 de julio de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-16574-9

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