DE19748295A1 - Element mit extrem stark wasserabweisenden Trockenzonen an der Oberfläche - Google Patents

Element mit extrem stark wasserabweisenden Trockenzonen an der Oberfläche

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Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Element mit einem feinen, insbesondere mikroskopischen Oberflächenmuster aus hydrophilen Streifen und zwischen den hydrophilen Streifen liegenden hydrophoben Bereichen, wobei die Abstände zwischen nebeneinander verlaufenden hydrophilen Streifen und deren Streifenbreiten derart aufeinander abgestimmt sind, daß die hydropho­ ben Bereiche zwischen den hydrophilen Streifen Trockenzonen bilden, die Feuchtigkeit extrem stark abweisen.
Experimente mit einem erfindungsgemäßen Element haben folgenden, sehr zuverlässig reproduzierbaren Effekt gezeigt. Wird das Element feuchter Luft ausgesetzt, so kondensiert Wasser so gut wie ausschließlich auf den hydrophilen Streifen, und es bilden sich auf den hydrophilen Streifen kleine Wasserkanäle, die im Schnitt quer zur Streifenlängsrichtung eine konvexe Krümmung haben, wobei der Krümmungsradius von der Größenordnung der Breite der betreffenden hydrophilen Streifen ist. Der Laplacedruck Δp in den "Kanälen" ist gegeben durch Δp = σ/r, wobei σ die Oberflächenspannung des Wassers und r der Krümmungsradius des Kanals ist. Dieser Druck sorgt dafür, daß das kondensierte Wasser längs der Kanäle sehr effektiv nach außen beispielsweise zu einer an die Kanäle angeschlossenen Feuchtesenke abtransportiert wird. Als Folge davon bleiben die hydrophoben Bereiche zwischen den hydrophilen Streifen trocken. Dieser Effekt zeigt sich auch dann, wenn das Element unter Taupunkttemperatur abgekühlt und stark übersättigter Feuchtluft ausgesetzt wird. Kondensationsanlagerung findet auch unter solch extremen Feuchtbedingungen ausschließlich im Bereich der hydrophilen Streifen statt, da die "Kanäle" hier als sehr effektive Senke wirken und die kondensierte Flüssigkeit abtransportieren.
Das vorstehend beschriebene Verhalten des Elementes nach der Erfindung eröffnet zahlreiche interessante Anwendungsmöglichkeiten. Ein Anwen­ dungsbeispiel ist die Integration feuchteempfindlicher Bauelemente, wie etwa integrierter Schaltungen, Mikrosensoren, etc., im Bereich der Trockenzonen. Derartige Bauelemente könnten dann in extrem feuchter Umgebung zuverlässig betrieben werden, ohne Schaden zu nehmen.
Ein weiteres Anwendungsbeispiel ist die Verwendung erfindungsgemäßer Elemente als Kondensatorelemente, die ihrer Umgebung Feuchtigkeit entziehen. Bei Abkühlung unter den Taupunkt findet im Bereich der hydrophilen Streifen Kondensation statt, wobei das kondensierte Wasser unter Wirkung des oben angesprochenen Laplacedrucks sogleich längs der hydrophilen Streifen ("Kanäle") abgeleitet wird. Die erfindungsgemäßen Elemente können daher wirksam als Elemente zur Trocknung ihrer Umgebung eingesetzt werden. Bei einer derartigen Anwendung kann es zweckmäßig sein, die hydrophilen Streifen sehr eng aneinander anzuordnen, um möglichst viel Kondenswasser ableiten zu können.
Weitere interessante Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich daraus, daß mit dem enormen Materialtransport, der entlang der "Kanäle" stattfindet, auch ein hoher Wärmetransport bewerkstelligt werden kann. Hierbei ist beispielsweise an Wärmeeintrag aus der Gasphase bei gleichzeitiger Vermeidung des flächenhaften Beschlagens zu denken. Der gezielte Wärmetransport längs der hydrophilen Streifen ("Kanäle") eröffnet Möglichkeiten des Einsatzes erfindungsgemäßer Elemente in integrierten Miniatur-Wärmetauschern.
Weitere interessante Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich im Bereich der Optik. Grundsätzlich lassen sich transparente optische Elemente realisieren, die im Bereich der Trockenzonen - selbst in extrem feuchter Umgebung - nicht beschlagen. Ein Element nach der Erfindung kann grundsätzlich als Schicht realisiert sein, die an einem Trägermaterial haftet. Im optischen Bereich ist beispielsweise daran zu denken, das Objektiv eines Mikroskops entsprechend zu beschichten. Durch die hydrophoben Bereiche (Trockenzo­ nen) hindurch kann dann auch in sehr feuchter Umgebung mikroskopiert werden, wobei die "Kanäle" ggf. einen hinnehmbaren Lichtintensitätsverlust hervorrufen. Im Bereich der Optik kommt auch die Präparation eines Spiegels mit einem betreffenden Oberflächenmuster nach der Erfindung in Frage.
Ein weiteres, hochinteressantes Anwendungsgebiet ergibt sich im Zu­ sammenhang mit Bestrebungen zur Miniaturisierung und Parallelisierung chemischer, pharmazeutischer und biologischer bzw. biotechnologischer Prozesse, etwa in Analogie zur Entwicklung der integrierten Schaltungen in der Elektronik bzw. Optoelektronik.
Wichtige Funktionselemente für ein Bauelement zur Miniaturisierung und Parallelisierung solcher Prozesse sind Mikroventile, um Flüssigkeitsströmun­ gen im mikroskopischen Maßstab zu steuern. In diesem Zusammenhang sind bereits mikromechanische Ventile vorgeschlagen worden (vgl. "J. Pfahler et al, - Gas and Liquid Flow in Small Channels - Mikromechanical Sensors, Actuators, and Systems ASME DSC-32 (1991) S. 49"). Derartige mikromechanische Ventile weisen einen komplizierten, aufwendigen Aufbau auf und sind nur sehr begrenzt miniaturisierbar. Ihre Funktion beruht auf der Verwendung geschlossener Kanäle, die leicht verstopfen, und zwar umso leichter, je kleiner die Kanäle bzw. je höher der Integrationsgrad eines betreffenden Bauelementes ist.
Erfindungsgemäße Elemente können zur Realisierung von Mikroventilfunktio­ nen herangezogen werden.
Bringt man zwei einander gegenüberliegende Elemente nach der Erfindung mit ihren hydrophil/hydrophob-strukturierten Oberflächen eng zusammen und richtet man die Oberflächen dabei so zueinander aus, daß mit Wasser oder wäßrigen Lösungen besetzte, hydrophile Streifen einander fluchtend gegenüberliegen, so bilden sich spontan fluide Brücken von einem hydrophilen Streifen zu dem jeweils gegenüberliegenden hydrophilen Streifen zwischen den beiden Elementen aus, wobei die fluiden Brücken Flüssigkeitstransport von einem Element zum anderen Element ermöglichen. Die fluiden Brücken können auf einfache Weise gezielt und reversibel zerstört werden, wenn man den Abstand zwischen den beiden Elementen vergrößert und/oder die Ausrichtung bzw. Überlappung der hydrophilen Streifen, etwa durch seitliches Bewegen der beiden Elemente relativ zueinander, zumindest bis zu einem gewissen Grad aufhebt. In dieser Situation kann Flüssigkeitstransport nicht mehr zwischen den ehedem einander gegenüberliegenden hydrophilen Streifen und somit dort von dem einen Element zu dem anderen Element stattfinden, wohl aber längs der hydrophilen Streifen in jedem einzelnen Element. Es können somit Ventil­ funktionen zwischen den Elementen realisiert werden, die durch geringe Verschiebung der Elemente relativ zueinander steuerbar sind. Die Relativbe­ wegung der Elemente kann beispielsweise mittels Piezoaktoren in gezielter Weise durchgeführt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Elementes nach der Erfindung verlaufen die hydrophilen Streifen im wesentlichen geradlinig und ins­ besondere parallel zueinander, wobei die Oberfläche vorzugsweise eben ausgebildet ist. Ein derartiges Streifenmuster läßt sich unter Verwendung einer auf einfache Weise herstellbaren Maske leicht realisieren. Ferner läßt sich der Materialtransport in den Kanälen bei einem solchen Streifenmuster besser kontrollieren.
Das Element nach der Erfindung kann ein hydrophobes Substrat aufweisen, auf dem die hydrophilen Streifen aufgebracht sind. Alternativ kann ein hydrophiles Substrat vorgesehen sein, auf dem die hydrophoben Bereiche aufgebracht sind. Als hydrophile Materialien kommen beispielsweise Salze, insbesondere Magnesiumfluorit, und/oder Quarz in Frage. Als hydrophobe Materialien kommen beispielsweise Metalle, Sulfide, Graphit und/oder geeignete Polymere in Frage.
Sehr gute Ergebnisse im Hinblick auf die Nichtbenetzbarkeit der hydropho­ ben Bereiche (Trockenzonen) werden erzielt, wenn der Abstand zwischen benachbarten, nebeneinander verlaufenden, hydrophilen Streifen kleiner ist als die dreifache Streifen breite. Vorzugsweise sollte der lichte Abstand zwischen zwei nebeneinander verlaufenden, hydrophilen Streifen etwa dem Doppelten einer Streifen breite entsprechen oder kleiner sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sollten die hydrophilen Streifen eine Breite b zwischen 5 und 100 µm, insbesondere zwischen 20 und 60 µm, aufweisen.
Die vorstehend beschriebenen Effekte funktionieren mit Wasser und wäßrigen Lösungen als zu manipulierendes Medium. Sie funktionieren jedoch auch bei Fluiden, die sich aufgrund ihrer Oberflächenspannung wie Wasser auf der hydrophil/hydrophob-strukturierten Oberfläche verhalten.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine schematische Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Elementes nach der Erfindung in einer Draufsicht auf die hydrophil/hydrophob-strukturierte Oberfläche.
Fig. 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Elementes in Querschnitts­ darstellung mit der in Fig. 1 bei II-II angedeuteten Schnittebene.
Fig. 3 und Fig. 4 zeigen in Querschnittsdarstellung einen Ausschnitt aus einer Anordnung aus jeweils zwei erfindungsgemäßen Elementen zur Realisierung einer steuerbaren Mikroventilfunktion.
Fig. 5a-5d zeigen eine der Fig. 3 entsprechende Anordnung im Schnitt längs zweier einander gegenüberliegender hydrophiler Streifen mit unterschiedlichen Abständen der Elemente voneinander.
Gemäß Fig. 2 weist das Element 1 nach der Erfindung eine Basisplatte 2 aus Glas auf, auf der als hydrophobes Substrat 3 eine Silikongummischicht angeordnet ist. Im Beispielsfall wurde die Silikongummischicht durch Aufschleudern von "Sylgard 184" (Markenprodukt der Firma Dow Corning) und anschließendes Quervernetzen hergestellt. Mittels einer Maske mit einer Serie paralleler Schlitze sind dann die hydrophilen Streifen 4 durch Aufdampfen eines schwerlöslichen Salzes auf das Substrat 3 hergestellt worden. Hydrophile Streifen können beispielsweise auch dadurch hergestellt werden, daß man die Probe einer Plasmaentladung aussetzt.
Im Beispielsfall haben die hydrophilen Streifen 4 eine Breite b von etwa 30 µm. Der Abstand c zwischen benachbarten hydrophilen Streifen 4 beträgt etwa 60 µm und entspricht somit etwa der doppelten Breite der hydrophilen Streifen 4. Falls gewünscht, könnten die Abstände c auch kleiner sein und beispielsweise der Breite b entsprechen.
Gemäß Fig. 1 verlaufen die hydrophilen Streifen 4 parallel zueinander und erstrecken sich über die gesamte Probenlänge. Wird das Element 1 befeuchtet bzw. einer feuchten Umgebung ausgesetzt, so bilden sich in überraschender Weise Wasseransammlungen im wesentlichen ausschließlich über den hydrophilen Streifen, und zwar in Form von konvexen Kanälen 5 mit einer im wesentlichen zylindrischen Krümmung, wohingegen die hydrophoben Bereiche 6 trocken bleiben. Nach dem Gesetz von Laplace herrscht in den Kanälen 5 der Laplacedruck Δp = σ/r, wobei σ die Oberflächenspannung des Wassers und r den Krümmungsradius des Kanals bezeichnet. Sorgt man dafür, daß das Wasser die hydrophilen Streifen 4 endseitig verlassen kann, etwa durch Anschluß der Kanäle an ein Reservoir oder eine Senke, wie sie in Fig. 1 bei 9 gestrichelt angedeutet ist, so bewirkt der Laplacedruck, daß Flüssigkeit, insbesondere nachkondensieren­ dem Wasser, von dem Element 1 nach außen abfließt. Sofern ein gesonder­ tes, externes Reservoir 9 benutzt wird, kann dies beispielsweise aus irgendeinem saugfähigen Material bestehen, welches mit den Kanälen an wenigstens einem Ende der hydrophilen Streifen in Verbindung steht. Besonders gute Ergebnisse wurden mit einem Element 1 erzielt, bei dem das Verhältnis von b/c etwa 3/2 betrug.
Die Fig. 3 und 4 illustrieren die bereits oben angesprochene Möglichkeit der Realisierung einer Mikroventilfunktion. In Fig. 3 sind zwei Elemente nach der Erfindung einander gegenüberliegend mit im wesentlichen exakt zueinander ausgerichteten hydrophilen Streifen 4 dargestellt. Die mit ihren Oberflächen parallel zueinander liegenden Elemente 1 haben einen Abstand L1 voneinander, der in der Größenordnung der Breite b der hydrophilen Streifen 4 liegt. Gemäß Fig. 3 haben sich die Fluidkanäle 5 an den einander gegenüberliegenden hydrophilen Streifen 4 zu einer Fluidbrücke 7 zwischen den beiden Elementen 1 vereinigt, so daß Materialtransport von einem Element zum anderen Element über die Fluidbrücke 7 stattfinden kann. In Fig. 4 ist die Situation gezeigt, daß die beiden Elemente relativ zueinander um den Betrag L2 seitlich verschoben worden sind, so daß die im wesentli­ chen vollständige Überlappung der hydrophilen Streifen 4 beseitigt ist. Hierbei ist die Fluidbrücke 7 wieder in Kanäle 5 aufgebrochen worden, so daß kein Materialaustausch zwischen den beiden hydrophilen Streifen 4 mehr stattfindet. Materialtransport kann jedoch bei jedem der beiden Elemente längs der hydrophilen Streifen stattfinden. Die Zustände gemäß Fig. 3 und Fig. 4 sind durch entsprechendes Verschieben der Elemente 1 wahlweise und reversibel herstellbar, wodurch eine Ventilfunktion unter Vermeidung geschlossener Kanäle und somit unter Vermeidung von Kanalverstopfungsproblemen realisiert werden kann. Insbesondere organisiert sich die Flüssigkeit zwischen beiden Elementen 1 durch Verschiebung bzw. Verdrehung der Elemente 1 relativ zueinander selbst.
Zum Aufbrechen der Fluidbrücke 7 kann man beispielsweise auch den Abstand L1 durch Entfernen der Elemente 1 voneinander vergrößern und/oder die Elemente 1 relativ zueinander verdrehen.
In Fig. 5a ist eine Anordnung nach Fig. 3 in einer Schnittansicht längs zweier einander gegenüberliegender hydrophiler Streifen 4 dargestellt. Die Fig. 5b-5d zeigen in einer Sequenz, wie sich das Wasser bzw. die Fluidbrücke 7 typischerweise verhält, wenn der Abstand L1 durch Entfernen der Elemente 1 voneinander vergrößert wird. Bei Vergrößerung des Abstandes L1 tritt gemäß Fig. 5b zunächst der Effekt auf, daß sich in Streifenlängsrichtung zusammenhängende Fluidbrücken 7 jeweils zu einem oder mehreren fluiden Kompartiment 7' bzw. Kompartimenten 7' zu­ sammenziehen, die bei weiterer Vergrößerung des Abstandes L1 zu säulenartigen Gebilden 7' (Fig. 5c) auseinandergezogen werden. Im Zustand gemäß den Fig. 5b und 5c findet längs der hydrophilen Streifen 4 keine Fluidströmung zwischen den benachbarten Kompartimenten 7' statt, so daß auch in bezug auf Fluidtransport entlang der hydrophilen Streifen 4 eine Mikroventilfunktion realisiert werden kann, wobei Fig. 5a den Zustand des geöffneten Ventils - und Fig. 5b oder 5c den Zustand des geschlossenen Ventils darstellt.
Bei weiterer Vergrößerung des Abstands L1 reißen die Fluidbrücken bzw. Kompartimente 7' zwischen den Elementen 1 auf, so daß zwischen den Elementen 1 keine Strömung mehr stattfindet. Die Flüssigkeit bildet gemäß Fig. 5d jeweils einen separaten Kanal 5 an den hydrophilen Streifen 4. Es lassen sich somit folgende Zustände schalten:
  • 1. Fluidtransport zwischen zwei Elementen 1 und längs der hydrophilen Streifen (Fig. 5a).
  • 2. Flüssigkeitstransport zwischen den beiden Elementen 1 bei Unter­ brechung der Strömung längs der hydrophilen Streifen 4 (Fig. 5b bzw. 5c).
  • 3. Flüssigkeitstransport längs der hydrophilen Streifen bei Unter­ brechung der Strömung zwischen den Elementen 1 (Fig. 5d).
In den Fig. 5a-5d sind Anschlußöffnungen 8 angedeutet, über die Flüssigkeit zugeführt bzw. abgeführt werden kann.
Es sei darauf hingewiesen, daß die in den Fig. 5a-5d gezeigte Sequenz durch Annäherung der Elemente 1 umgekehrt werden kann.
Geht man beispielsweise vom Zustand gemäß Fig. 5b aus, indem man zunächst zwei chemische Reaktionspartner über die Öffnungen 8 bei entsprechendem Abstand der Elemente 1 voneinander und darauf abge­ stimmter Dosierung in den Zwischenraum einbringt, so daß jeder der beiden Reaktionspartner ein betreffendes Kompartiment 7' bildet, und nähert man dann die Elemente 1 aneinander an, so kann man den Zustand gemäß Fig. 5a herstellen, in dem die beiden Reaktionspartner in Kontakt kommen und eine betreffende chemische Reaktion ausführen können. Die erfindungs­ gemäßen Elemente 1 können somit auch zur Bildung von Mikroreaktoren verwendet werden. Das Zusammenbringen zweier chemischer Reaktions­ partner kann auch dadurch erfolgen, daß man vom Zustand gemäß Fig. 5d zum Zustand gemäß Fig. 5a übergeht, wobei im Zustand gemäß Fig. 5d jeweils ein Reaktionspartner an einem betreffenden hydrophilen Streifen 4 haftet.
Weitere Versuche haben gezeigt, daß man ausgehend vom Zustand der Fig. 5a Kompartimente 7' gemäß Fig. 5b erzeugen kann, wenn man die Elemente 1 bei gleichbleibendem Abstand L1 um einen nicht zu großen Winkel um eine vertikale Achse gegeneinander verdreht. Die so erzeugten Kompartimente können nun durch laterale Verschiebung einer Platte in einer Richtung senkrecht zum Verlauf der hydrophilen Streifen 4 rasch über die Substratoberfläche, also auch über hydrophobe Bereiche hinweg, bewegt werden. Hieraus ergibt sich eine weitere Möglichkeit der Realisierung von Ventilfunktionen, wenn an geeigneten Stellen Versorgungsanschlüsse, beispielsweise Versorgungslöcher, in die Elemente 1 einpräpariert werden.
Schließlich ist noch darauf hinzuweisen, daß die Gegenphase (über den hydrophoben Bereichen) nicht unbedingt Luft (oder ein anderes Gas) sein muß. Es kann bedarfsweise auch eine mit der zu manipulierenden Flüssigkeit nicht mischbare, zweite Flüssigkeit sein. Will man beispielsweise wäßrige Systeme kontrollieren, so bietet sich ein Öl (etwa Silikonöl) als Gegenphase an, wobei sich Wasser auf den hydrophilen Bereichen ansammelt. In diesem Zusammenhang wäre dann unter dem Begriff Trockenzone eine wasserfreie, jedoch von der Gegenphase besetzbare Zone zu verstehen.
Es sei darauf hingewiesen, daß die parallele Anordnung der hydrophilen Streifen vorteilhaft, jedoch nicht zwingend ist. Insbesondere bei der Realisierung von Bauelementen mit Mikroventilen der vorstehend erläuterten Art können auch andere Oberflächenmuster gewählt werden, um ein zweckmäßiges "Fluidtransport-Leiterbahndesign" zu verwirklichen. Dabei können die einander gegenüberliegenden Elemente 1 gleiche oder unter­ schiedliche Streifenmuster und Streifenanzahlen haben.

Claims (9)

1. Element mit einem feinen, insbesondere mikroskopischen Ober­ flächenmuster aus hydrophilen Streifen (4) und zwischen den hydrophilen Streifen (4) liegenden hydrophoben Bereichen (6), wobei die Abstände (c) zwischen nebeneinander verlaufenden, hydrophilen Streifen (4) und deren Streifenbreiten (b) derart aufeinander abge­ stimmt sind, daß die hydrophoben Bereiche (6) zwischen den hydrophilen Streifen (4) extrem stark wasserabweisende Trockenzo­ nen bilden.
2. Element nach Anspruch 1, wobei die hydrophilen Streifen (4) im wesentlichen geradlinig und insbesondere parallel zueinander verlaufen.
3. Element nach Anspruch 1 oder 2, wobei es ein hydrophobes Substrat (3) aufweist, auf dem die hydrophilen Streifen (4) aufgebracht sind.
4. Element nach Anspruch 1 oder 2, wobei es ein hydrophiles Substrat aufweist, auf dem die hydrophoben Bereiche (6) aufgebracht sind.
5. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die hydrophilen Streifen (4) eine Breite b aufweisen und wobei der Abstand c zwischen benachbarten, nebeneinander verlaufenden, hydrophilen Streifen (4) kleiner als 3b, insbesondere kleiner als oder gleich 2b ist.
6. Element nach Anspruch 5, wobei die hydrophilen Streifen (4) eine Breite (b) zwischen 5 und 100 µm aufweisen.
7. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die hydrophilen Streifen (4) mit wenigstens einer Flüssigkeit ableitenden Senke (9) verbunden oder zur Verbindung mit einer solchen eingerich­ tet sind.
8. Anordnung aus wenigstens zwei Elementen nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, wobei die Elemente (1) mit ihren Oberflächenmu­ stern einander gegenüberliegend angeordnet und relativ zueinander bewegbar sind, um Fluidbrücken (7) zwischen den Elementen durch Annäherung hydrophiler Streifen (4) der beiden Elemente aneinander zu erzeugen bzw. durch Entfernung der betreffenden hydrophilen Streifen (4) voneinander zu zerstören, so daß in gesteuerter Weise Fluidströmung zwischen den betreffenden hydrophilen Streifen (4) ermöglicht oder unterbunden wird.
9. Anordnung nach Anspruch 8, wobei zur Erzeugung der Bewegung der beiden Elemente (1) relativ zueinander wenigstens eines der Elemente (1) mit einem Piezoaktuator verbunden ist.
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