Principles of microfluidic actuation by modulation of surface stresses

Development and optimization of multifunctional devices for fluidic manipulation of films, drops, and bubbles require detailed understanding of interfacial phenomena and microhydrodynamic flows. Systems are distinguished by a large surface to volume ratio and flow at small Reynolds, capillary, and Bond numbers are strongly influenced by boundary effects and therefore amenable to control by a variety of surface treatments and surface forces. We review the principles underlying common techniques for actuation of droplets and films on homogeneous, chemically patterned, and topologically textured surfaces by modulation of normal or shear stresses

Electrowetting on superhydrophobic SU-8 patterned surfaces

Electrowetting on micro-patterned layers of SU-8 photoresist with an amorphous Teflon (R) coating has been observed. The cosine of the contact angle is shown to be proportional to the square of the applied voltage for increasing bias. However, this does not apply below 40 V and we suggest that this may be explained in terms of penetration of fluid into the pattern of the surface. Assuming that the initial application of a bias voltage converts the drop from Cassie-Baxter to Wenzel regime, we have used this as a technique to estimate the roughness factor of the surface

Wetting of anisotropic sinusoidal surfaces - experimental and numerical study of directional spreading

Directional wettability, i.e. variation of wetting properties depending on the surface orientation, can be achieved by anisotropic surface texturing. A new high precision process can produce homogeneous sinusoidal surfaces (in particular parallel grooves) at the micro-scale, with a nano-scale residual roughness five orders of magnitude smaller than the texture features. Static wetting experiments have shown that this pattern, even with a very small aspect ratio, can induce a strong variation of contact angle depending on the direction of observation. A comparison with numerical simulations (using Surface Evolver software) shows good agreement and could be used to predict the fluid-solid interaction and droplet behaviour on textured surfaces. Two primary mechanisms of directional spreading of water droplets on textured stainless steel surface have been identified. The first one is the mechanical barrier created by the textured surface peaks, this limits spreading in perpendicular direction to the surface anisotropy. The second one is the capillary action inside the sinusoidal grooves accelerating spreading along the grooves. Spreading has been shown to depend strongly on the history of wetting and internal drop dynamics

On the use of CO2 laser induced surface patterns to modify the wettability of Poly(methyl methacrylate) (PMMA)

CO2 lasers can be seen to lend themselves to materials processing applications and have been used extensively in both research and industry. This work investigated the surface modification of PMMA with a CO2 laser in order to vary the wettability characteristics. The wettability characteristics of the PMMA were modified by generating a number of patterns of various topography on the surface using the CO2 laser. These induced patterns were trench and hatch with scan dimensions of 50 and 100 μm. Through white light interferometry it was found that for all laser patterned samples the surface roughness had significantly increased by up to 3.1 μm. The chemical composition of selected samples were explored using X-ray photoelectron spectroscopy and found that the surface oxygen content had risen by approximately 4% At. By using a sessile drop device it was found that, in comparison to the as-received sample, 50 μm dimensions gave rise to a more hydrophilic surface; whereas 100 μm dimensions gave rise to either no change in contact angle or an increase making the PMMA hydrophobic. This can be explained by combinations of surface roughness and γp contributing to the observed contact angle, in addition to the possibility of different wetting regimes taking place owed to the variation of topographies over the as-received and laser patterned samples

Droplet wetting on chemically and mechanically structured surfaces

In dieser Arbeit wird das Benetzungsverhalten von Tröpfchen auf chemisch strukturierten und mechanisch strukturierten Oberflächen untersucht. Hier werden die Gleichgewichtsformen und die Quasi-Gleichgewichtsbewegungen von Tröpfchen auf chemisch strukturierten Oberflächen, das Benetzungsverhalten von Mehrphasentröpfchen auf chemisch heterogenen Oberflächen und das Tröpfchenpermeationsverhalten in einer einzelnen Porenstruktur angesprochen. Zu guter letzt wird das Phasenfeldmodell validiert, um die Tröpfchendynamik auf festen heterogenen Oberflächen zu untersuchen, und das validierte Modell wird verwendet, um die steuerbare Bildung von Satellitentröpfchen während des Entwässerungsprozesses für dünne Flüssigkeitsfilme auf chemisch strukturierten Oberflächen zu untersuchen. Für Tröpfchen auf chemisch strukturierten Oberflächen werden zunächst die Gleichgewichtsform von Tröpfchen und die Kontaktlinienbewegung auf chemisch streifenmusterierten Oberflächen untersucht. Es wurde gezeigt, dass das Phasenfeldmodell sehr robust ist, um die Gleichgewichtsform, die Ausbreitungsdynamik und die Phasenänderung von Tröpfchen auf chemisch strukturierten Oberflächen zu simulieren. Man erhält ein morphologisches Diagramm, das zeigt, dass das Tröpfchenaspektverhältnis und die Anzahl der Gleichgewichtsformen eng mit der skalierten Streifenbreite zusammenhängen. Durch die Vergleiche zwischen kondensierenden und verdampfenden Tröpfchen wird ein Hysteresephänomen beobachtet, das beweist, dass die unterschiedlichen Tröpfchenformen über unterschiedliche Bewegungspfade erreicht werden können. Darüber hinaus wird ein präzises mathematisch-physikalisches Modell vorgeschlagen, um die Tröpfchenkonfigurationen auf drei typischen programmierbaren chemisch strukturierten Oberflächen zu beschreiben. Dieses analytische Modell basiert auf der Berechnung der Oberflächenenergielandschaft und wurde erfolgreich gegen Phasenfeldsimulationen und Experimente validiert. Es kann als Anleitung für Experimente und Simulationen dienen, um verschiedene Gleichgewichtsformen ohne blinde Versuche zu finden. Dieses analytische Modell gilt insbesondere für die Situation, in der die Größe der chemischen Heterogenität mit der Tröpfchengröße vergleichbar ist. Basierend auf diesem Konzept wird ein modifiziertes Cassie-Baxter-Modell vorgeschlagen, um die anisotropen Benetzungskonfigurationen zu adressieren. Zusätzlich wird das Mehrphasen-Phasenfeldmodell verwendet, um das Benetzungsverhalten von Mehrphasentröpfchen auf chemisch strukturierten Oberflächen zu untersuchen, und die Wechselwirkung der Flüssig-Flüssig-Grenzfläche, die durch unterschiedliche Werte der Grenzflächenspannungen beeinflusst wird, wird diskutiert. Das Phasenfeldmodell wird weiter validiert, um die Tröpfchenbenetzungszustände in einer Keilstruktur zu untersuchen. Danach wird das Tröpfchenbenetzungsverhalten in einer Porenstruktur theoretisch und numerisch untersucht, um das Kriterium für die Tröpfchenpermeation zu finden. Es ist erwiesen, dass der Öffnungswinkel und die Hydrophobizität des Substrats einen großen Einfluss auf das Tröpfchenpermeationsverhalten haben. Schließlich wird das Cahn-Hilliard-Modell mit Navier-Stokes-Gleichungen gekoppelt, um die Tröpfchendynamik auf chemisch strukturierten Oberflächen zu untersuchen. Wir finden eine neue Strategie zur Kontrolle der Bildung von Satellitentröpfchen durch gezielte Gestaltung der chemischen Muster

Electrowetting: from basics to applications

Electrowetting has become one of the most widely used tools for manipulating tiny amounts of liquids on surfaces. Applications range from 'lab-on-a-chip' devices to adjustable lenses and new kinds of electronic displays. In the present article, we review the recent progress in this rapidly growing field including both fundamental and applied aspects. We compare the various approaches used to derive the basic electrowetting equation, which has been shown to be very reliable as long as the applied voltage is not too high. We discuss in detail the origin of the electrostatic forces that induce both contact angle reduction and the motion of entire droplets. We examine the limitations of the electrowetting equation and present a variety of recent extensions to the theory that account for distortions of the liquid surface due to local electric fields, for the finite penetration depth of electric fields into the liquid, as well as for finite conductivity effects in the presence of AC voltage. The most prominent failure of the electrowetting equation, namely the saturation of the contact angle at high voltage, is discussed in a separate section. Recent work in this direction indicates that a variety of distinct physical effects¿rather than a unique one¿are responsible for the saturation phenomenon, depending on experimental details. In the presence of suitable electrode patterns or topographic structures on the substrate surface, variations of the contact angle can give rise not only to continuous changes of the droplet shape, but also to discontinuous morphological transitions between distinct liquid morphologies. The dynamics of electrowetting are discussed briefly. Finally, we give an overview of recent work aimed at commercial applications, in particular in the fields of adjustable lenses, display technology, fibre optics, and biotechnology-related microfluidic devices