Femtosecond laser ablated tracks on smart surfaces for droplet manipulation applications

Abstract

In droplet based microfluidics, ability of controlling the motion of the droplets insidechips have great importance for the applications such guiding, sorting, mixing and dividing of liquid droplets. In this study, we fabricated hydrophilic microchannels inside the chips by femtosecond laser ablation technique in order to control droplet motion. The laser beam focused on PDMS converts the irradiated regions to hydrophilic by ablating the coating entirely from the surface. Droplets follow the tracks because of the difference in wettability of ablated region and PDMS surfaces together with the topographical profile of the ablated tracks. Within this study, we investigated the manipulation of three kind of liquid droplets (water/surfactant mixture, pure water and pure etylene glycol) along microchannels with depths of 1μm, 1.5μm and 2μm. We verified the experimental results with simulations and analyzed the trajectories of the moving droplets with the different wettability along the tracks of different depths. Our results showed that, while topographical effects play role in droplet guiding for 1.5μm and 2μm tracks, for the case of 1μm depth of channel, surface energy modifications cause the guiding rather than the topographical step on the surface. These results will pioneer for sorting applicaitons of different microdroplets mixed in the same microfluidic chip. / Damla temelli mikroakışkan sistemlerinde, damlaların yonga içerisindeki hareketlerinin kontrolü, yönlendirme, ayrıştırma, birleştirme ve bölme gibi uygulamalarda oldukça önemlidir. Bu çalışmada, damlaların hareketinin kontrolünü sağlamak için mikroakışkan yonga içerisinde hidrofilik mikrokanalları femtosaniye lazer ablasyon tekniği ile ürettik. Polydimethylsiloxane (PDMS) üzerine odakladığımız fs lazer hüzmesi uyarılan bölgeyi tamamen aşındırarak hidrofilik hale getirmektedir. Damlalar, aşındırılan hidrofilik bölge ile PDMS yüzeyi arasındaki ıslanabilirlik ve topografik farklılık sebebiyle bu kanallara eşlenerek ilerlemektedir. Bu çalışma kapsamında, üç farklı polar akışkandan (su/yüzey aktif madde karışımı, saf su ve saf etilen glikol) yağ içerisinde ürettiğimiz damlaların, 1μm, 1.5μm ve 2μm derinliklerine sahip işlenmiş mikrokanallar aracılığıyla yönlendirilmesini araştırdık. Deneysel olarak gerçekleştiridiğimiz çalışmaların sonuçlarını simülasyon değerleri ile karşılaştırdık ve farklı yapıdaki akışkan damlaların farklı derinliklerdeki kanallara sahip yongalardaki hareket yörüngelerini inceledik. Elde ettiğimiz sonuçlarla 1.5μm ve 2μm derinliğindeki kanallarda damlaların yönlendirilmesi hususunda kanal topografisinin etkili olduğunu, 1μm derinliğindeki kanallar için ise kanalın yüzeyde sahip olduğu derinlik yerine yüzey enerjisindeki değişimin etkili olduğunu gösterdik. Elde ettiğimiz bu sonuçlar, aynı yonga içerisinde bulunan farklı ıslanabilirlik özeliklerine sahip akışkanların ayrıştırılması gibi uygulamalara imkan sağlayacaktır.