Determinación de la fracción de llenado en silicio nano-poroso mediante microscopía holográfica digital

F. MARTÍNEZ; M. SALLESE; J. A. GUZMÁN; R. URTEAGA; N. BUDINI; A. C. MONALDI

BAHÍA BLANCA

Congreso; 108° Reunion de la Asociación Físíca Argentina; 2023

Asociación Física Argentina

La microscopía holográfica digital (MHD) es una técnica óptica no invasiva muyeficaz para la caracterización de diferentes tipos de muestras, tales como películassólidas delgadas, líquidos, materiales orgánicos y tejidos biológicos. Esta técnicaconsiste en registrar digitalmente un holograma de la muestra, que se forma porla interferencia de un haz de luz no perturbado (conocido como haz de referencia)y un haz de luz que se refleja o transmite a través de la muestra (conocido comohaz objeto). Posteriormente se reconstruye numéricamente el holograma digital,obteniéndose la fase del campo óptico en diferentes puntos de la muestra. De estaforma, la MHD permite determinar con muy buena precisión variaciones de faseen la muestra ante cambios en sus propiedades físicas. En particular la MHDconstituye una herramienta poderosa para estudiar membranas porosas, ya quepermite generar mapas bidimensionales de diferencias de fase al ingresar un fluido en sus poros. Las membranas porosas nano-estructuradasresultan de gran interés debido a sus pequeños tamaños de poro (∼ 10 nm) y asus altas superficies específicas, que les confieren propiedades ópticas únicas yaque se comportan como medios ópticamente efectivos con una alta sensibilidad asu entorno. Además, el estudio de la interacción entre un líquido y una membranaporosa nano-estructurada ha ganado relevancia debido al desarrollo de dispositi-vos micro-fluídicos con aplicaciones en biomedicina, electrónica y biotecnología,entre otras áreas. En este trabajo estudiamos la fracción de llenado de porosalrededor de una gota de líquido depositada sobre una membrana de silicio porosonano-estructurado (nPS). Inicialmente, los poros que están en contacto directo conla gota se llenan completamente de líquido (es decir, fracción de llenado = 1)debido a la imbibición capilar, mientras que los poros alrededor de la gota presentandos regiones bien diferenciadas: (1) una región adyacente a la gota donde los poros permane-cen completamente llenos hasta cierta distancia de su borde (denominada anillo)y (2) una región donde la fracción de llenado de poros decae progresivamente amedida que aumenta la distancia desde la gota. La formación y evolución de estasregiones se debe a la compleja interacción entre procesos microfluídicos de llenadocapilar (desde los poros debajo de la gota hasta los poros adyacentes a la gota),evaporación de líquido (desde los poros al ambiente) y condensación de líquido(desde el ambiente a los poros). Mediante el registro de hologramas durante elsecado de la gota pudimos reconstruir la evolución temporal de la fracción dellenado de poros en función de la posición, la velocidad de retracción del bordede la gota y el ancho del anillo. Esta información es fundamental para evaluar ladinámica de secado de los poros. En conclusión, mostramos que la MHD sirve comotécnica no destructiva para analizar procesos dinámicos en nPS y que, en combinacióncon un modelo fluidodinámico adecuado, puede utilizarse para caracterizar lacompleja morfología interna de membranas de este tipo.