Is het je ooit opgevallen dat bij verhitting een laagje olie in een pan niet helemaal vlak blijft? In plaats daarvan, het vormt een golvend patroon dat lijkt op de buitenkant van een sinaasappel. Dit soort vervormingen inspireerde een groep onderzoekers van de Technische Universiteit van Darmstadt, in Duitsland, om te onderzoeken of ze kunnen worden gebruikt om microfabricageprocessen te verbeteren en te stroomlijnen.

De oliefilm is een klassiek voorbeeld van een hydrodynamisch systeem met een vloeibaar-gas-interface terwijl, bijvoorbeeld, de kleine vetdruppeltjes in melk hebben een vloeistof-vloeistof-interface. Vlakke vloeibare films, zoals de oliefilm, zijn bijzonder mechanisch onstabiel en kunnen veranderingen in morfologie ondergaan als ze niet op een uniforme temperatuur worden gehouden.

Alleen voldoende dunne vloeibare films ondergaan significante oppervlaktevervormingen bij blootstelling aan spanningen aan het oppervlak, terwijl zeer regelmatige periodieke stromingspatronen zich ontwikkelen in het grootste deel van dikkere films wanneer ze aan dezelfde spanningen worden blootgesteld.

In duidelijk contrast met dunnere films, dikkere films vertonen geen significante oppervlaktevervormingen. Dus, in het kader van de ontwikkeling van onconventionele microfabricagetechnieken, de meeste inspanningen waren gericht op de grensvlakinstabiliteiten van zeer dunne films.

Deze inspanningen gaven aan dat geaccentueerde patronen kunnen worden bereikt, maar ze zijn helaas zeer onregelmatig in de verspreidingsrichting van de film. Dit fundamentele nadeel is terug te voeren op dezelfde reden waarom een ​​waterstraal die uit een kraan stroomt, uiteindelijk in druppels uiteenvalt:oppervlaktespanning.

Zoals de groep beschrijft in Technische Natuurkunde Brieven , van AIP Publishing, ze combineerden het zeer regelmatige convectiepatroon dat zich in dikkere lagen vormt met sterke grensvlakvervormingen die alleen mogelijk zijn in veel dunnere vloeibare films. "In tegenstelling tot eerder werk met adresseringssystemen met verschillende interfaces, in onze benadering heeft elke laag een enorm andere initiële dikte dan de andere, " zei Iman Nejati, hoofdauteur van het papier en een Ph.D. student aan het Instituut voor Nano en Microfluïdica, Centrum van slimme interfaces, TU Darmstadt.

Deze benadering houdt in wezen in dat een dunne film van olie die gevoelig is voor bestraling met ultraviolet (UV) licht, tussen een vast, vlak substraat en een veel dikkere laag van een andere niet-mengbare vloeistof wordt geplaatst. Dit houdt in dat het systeem niet alleen een vloeistof-gas-interface heeft als het eerste voorbeeld van de oliefilm in een pan, maar ook een vloeistof-vloeistof-interface.

"Het blootstellen van dit meerlaagse systeem aan een verrassend klein temperatuurverschil in de richting van de gelaagdheid veroorzaakt spanningen op het grensvlak tussen vloeistof en gas vanwege een temperatuurafhankelijke oppervlaktespanning, "zei Nejati. "Deze spanningen drijven roterende cellulaire stroompatronen in de dikkere laag aan, die zeer periodiek zijn in de verspreidingsrichting van die laag."

In plaats van de spanningen veroorzaakt door de temperatuurafhankelijke oppervlaktespanning direct te gebruiken om de film te modelleren, de benadering van de groep is gebaseerd op het stromingspatroon in de dikkere laag om de dunnere film eronder te vervormen.

Deze strategie maakt het mogelijk om "grote gebieden met zeer regelmatige structuren op een parallelle manier te modelleren - alle structuren worden tegelijkertijd gefabriceerd - in een enkele processtap, wat tijd bespaart en kosten bespaart, " legde Nejati uit. "Omdat de structuren worden gegenereerd uit een vloeistof, zonder gereedschap dat mechanisch contact maakt met het werkmateriaal, het oppervlak is zeer glad en behoeft geen verdere bewerking."

En door de temperatuurverdeling langs het vloeistof-gasgrensvlak van de dikkere laag te ontwerpen, de convectiecellen en vervorming van de dunne film kunnen worden aangepast om te voldoen aan de specificaties van een gewenste structuur van belang. Zodra de gewenste vervorming is bereikt, het wordt op zijn plaats "bevroren" door bestraling met UV-licht.

De combinatie van de genoemde voordelige eigenschappen van de nieuwe techniek is zeer wenselijk omdat alle gangbare microfabricagetechnologieën, waaronder fotolithografie, afdrukken, of reliëf — niet aan ten minste één van deze criteria voldoen. "Gezien de relatieve eenvoud van de apparatuur die nodig is voor onze methode, en hoe gemakkelijk het zich aanpast aan specifieke situaties, het kan ook worden gebruikt voor het vervaardigen van producten met een lage hoeveelheid, ' voegde Nejati eraan toe.

Welke toepassingen ziet de groep voor hun methode? Voor starters, het is ideaal voor het vervaardigen van microlens-arrays. "Deze arrays verbeteren lokaal de lichtintensiteit en kunnen door de optische industrie worden gebruikt in integrale beeldvormingssystemen, onconventionele fotolithografie, en fotovoltaïsche systemen, " legde Nejati uit. "Voor fotovoltaïsche een reeks lenzen bovenop een zonnecel kan dienen als lichtcollector om de efficiëntie van het fotovoltaïsche systeem te verbeteren door het minder gevoelig te maken voor de hellingshoek van het zonlicht ten opzichte van het celoppervlak. geïntegreerd in het productieproces van zonnecellen.

In de nabije toekomst, "er is geen directe noodzaak om de structuren te stollen door UV-licht, ' merkte hij op. 'In plaats daarvan, de reeks lenzen kan in vloeibare toestand blijven, waarmee we de periodiciteit van de vloeistoflenzen kunnen wijzigen als, zeggen, het temperatuurverschil dat de convectiecellen aandrijft, wordt gevarieerd. Dit moet bijdragen aan de ontwikkeling van afstembare lensarrays."