Estudio del llenado capilar en estructuras nano-porosas mediante técnicas interferométricas

Abstract

The dynamic of capillary imbibition of various polymers in porous silicon and anodic alumina matrices was studied using interferometric techniques. The analysis of the filling dynamics allows one to investigate the polymer viscosity under confinement. The applicability of the technique was validated with unentangled polymers, having relatively low viscosities. To the date, there are no reports on a technique providing the advantages here presented: high temporal-spatial resolution, precise information on the dynamics of imbibition even at the first instants of the process and simplicity of the experimental set-up with capability of adaptation to vacuum systems. The interplay between optics, fluid dynamics and material science fundamentals, allowed the development of a new technique, also based on interferometry, but with greater application capabilities. This allowed the study of polymers under confinement as a function of temperature, expanding the applicability to very high viscosity polymers. In addition, the same fundamentals boosted the invention and development of a microfabrication technique termed "Capillary Imbibition Laser Lithography". The method allows the manufacturing of porous microchannels through the selective imbibition of hot-melt materials in porous membranes, promoted by a localized heating of the material. The common requirement of high specific surface for the micro-devices, typical of porous materials, added to other advantages like avoiding bonding steps, makes this development attractive to the microfluidic technology market, which today beats 2000 million dolars, with a sustained growth predicted until 2025.

Se estudió la dinámica de imbibición capilar de diversos polímeros en matrices porosas de silicio y alúmina anódica mediante un método interferométrico. El análisis de la dinámica de llenado permite estudiar la viscosidad del polímero en su estado confinado. Se validó la aplicabilidad del método a polímeros no entrecruzados, de viscosidades relativamente bajas, para lo cual no existen en la actualidad técnicas que permitan realizar este análisis con las ventajas que aquí se exponen; alta resolución temporal-espacial, información precisa de la dinámica de imbibición desde los primeros instantes de llenado, simplicidad del arreglo experimental y capacidad de adaptación a sistemas de vacío. Por otro lado, la interacción entre los fundamentos ópticos, fluidodinámicos y de ciencia de materiales, permitió el desarrollo otra técnica, basada también en interferometría, pero con mayores capacidades de aplicación. Esto posibilitó el estudio de polímeros en confinamiento en función de la temperatura, expandiendo el rango de análisis a polímeros de viscosidades muy altas. Los mismos fundamentos impulsaron la invención y el desarrollo de una técnica de microfabricación denominada "Litografía Láser de Imbibición Capilar". Este método permite fabricar microcanales porosos por la imbibición selectiva de materiales termofusibles en matrices nanoporosas, lo que se logra mediante un calentamiento selectivo del material. El usual requerimiento de obtener micro-dispositivos con alta superficie específica, propia de los medios porosos, puede hacer a este desarrollo de interés para el mercado de la microfluídica, el cual al día de hoy, supera los 2000 millones de dólares y con un crecimiento sostenido previsto hasta 2025.