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Chemistry

Préparation de la microfluidique d’élastomère cristalline liquide actionneurs

Published: May 20, 2018 doi: 10.3791/57715
Automatic Translation
*1, *1, 2, 1
1Department of Organic Chemistry, Johannes Gutenberg University, 2CNRS, ICS UPR 22, Université de Strasbourg
* These authors contributed equally

Summary

Cet article décrit le processus de microfluidique et les paramètres pour préparer des particules actionnement des élastomères cristallines liquides. Ce processus permet la préparation d’actionner des particules et la variation de leur taille et forme (à partir de base-coquille aplatie aux pôles à fortement allongé et morphologies Janus) ainsi que l’ampleur de la manoeuvre.

Abstract

Ce document met l’accent sur le processus de microfluidique (et ses paramètres) pour préparer des particules actionnement des élastomères cristallines liquides. La préparation consiste habituellement à la formation de gouttelettes contenant de faible masse molaire cristaux de liquides à des températures élevées. Par la suite, ces précurseurs de particules sont orientés dans le champ d’écoulement du capillaire et solidifiés par une polymérisation de réticulation, qui produit des particules de manoeuvre finales. L’optimisation du processus est nécessaire pour obtenir les particules de commande et la variation appropriée des paramètres du procédé (température et débit taux) et permet des variations de la taille et la forme (à partir d’oblat de morphologies fortement prolate) ainsi que la ampleur d’actionnement. En outre, il est possible de faire varier le type d’actionnement de l’élongation à la contraction en fonction du profil de directeur induite par les gouttelettes au cours de l’écoulement dans le capillaire, qui dépend encore une fois sur le processus de la microfluidique et ses paramètres. En outre, les particules de formes plus complexes, comme des structures de noyau-enveloppe ou particules de Janus, peuvent être préparés en ajustant le programme d’installation. Par la variation de la structure chimique et le mode de réticulation (solidification) de l’élastomère liquide cristalline, il est également possible de préparer des particules actionnement déclenchées par la chaleur ou l’irradiation UV-visible.

Introduction

Microfluidique synthèses sont devenues une méthode bien connue pour la fabrication de vérins élastomère cristalline liquide (LCE) dans le dernier quelques années1,2,3. Cette approche non seulement permet la production d’un grand nombre de particules bien manoeuvre mais permet également la fabrication de formes et de morphologies qui ne sont pas accessibles par d’autres méthodes. Actionneurs LCE étant des candidats prometteurs pour une application comme muscles artificiels en micro-robotique, nouvelles méthodes pour synthétiser ces particules sont d’une grande importance pour cette technologie d’avenir4.

Dans LCEs, le mésogène d’un cristal liquide (LC) est connectés à un réseau en élastomère5,6,7,8, les chaînes de polymère. Le lien entre les mésogènes à la chaîne de polymère peut ainsi se produire sous la forme d’une chaîne latérale, une principal-chaîne ou un combiné LC-polymère9,10,11. La distance entre les points de réticulation doit être suffisamment loin pour permettre une réorientation libre de la chaîne polymère dans l’intervalle (en fait, c’est vrai pour tout élastomère, ce qui les différencie des « thermodurcissables »). Ainsi, la réticulation peut être permanente ou réversible en raison de fortes interactions non-covalentes12,13,14. Ce genre de matériel combine les propriétés des deux, le comportement anisotrope d’un cristal liquide avec l’élasticité entropique de l’élastomère. À des températures allant de la phase cristalline liquide, les chaînes de polymère adoptent une conformation étirée (plus ou moins) causée par l’anisotropie de la phase cristalline liquide, qui est quantifiée par le paramètre order nématique. Lorsque l’échantillon est mis au-dessus de la température de transition de phase nématique-à-isotrope, l’anisotropie disparaît, et le réseau se détend à la conformation de pelote aléatoire énergiquement favorisée. Cela conduit à une déformation macroscopique et donc déclenchement5,15. Outre le chauffage de l’échantillon, cette transition de phase peut également être induite par autres stimuli tels que la diffusion lumineuse ou solvant dans la LCEs16,17,18,19.

Afin d’obtenir une forte déformation, il est nécessaire que l’échantillon soit, le fait de fonctionnalités ou une monodomaine au moins une orientation préférentielle des administrateurs du domaine unique au cours de l’étape de réticulation20. Pour la production de films LCE, cette opération est souvent réalisée par l’étirement d’un échantillon préalable polymérisé, via l’orientation des domaines dans un champ électrique ou magnétique, à l’aide de couches de photo-alignement ou par impression 3D21 ,22,23,24,25,26.

Une approche différente est la préparation continue de particules LCE avec générateurs de gouttelettes microfluidique axée sur le capillaire. Des gouttelettes de liquide monomère cristallin sont dispersées dans une phase continue très visqueuse, qui s’écoule autour des gouttelettes et applique un taux de cisaillement sur la surface des gouttelettes. Par conséquent, une circulation à l’intérieur de la goutte de monomère est observée, ce qui entraîne un alignement global de la phase cristalline liquide27. Ainsi, l’ampleur des taux de cisaillement agissant sur les gouttelettes a une forte influence sur la taille et forme de la goutte, ainsi que sur l’orientation du champ directeur cristalline liquide. Ces gouttelettes bien orientées peuvent ensuite être polymérisés plus en aval dans le paramétrage de la microfluidique. Ainsi, la préparation des actionneurs avec des formes variées (p. ex., particules et fibres) et morphologies plus complexes comme le noyau-enveloppe et particules de Janus sont possible28,29,30,31. Il est même possible de préparer des particules aplatie aux pôles, qui s’étendent le long de leur axe de symétrie et les particules très allongés, fibre-like qui se rétrécissement à la transition de phase. Les deux types de particules peuvent être faits avec le même genre de configuration de la microfluidique, simplement en faisant varier le taux de cisaillement27. Nous présentons ici le protocole de la façon de produire de tels actionneurs LCE des différentes morphologies dans auto-construit microfluidiques axée sur le capillaire.

Outre l’effet de l’alignement mésogène dans les gouttelettes LCE et l’accessibilité des polymères avec des formes variées, des approches microfluidique ont d’autres avantages. Par rapport aux autres méthodes de fabrication de particules comme les précipitations dans un non solvant ou suspension polymérisation32 (qui mène à des particules avec une large distribution de la taille), particules monodisperses (le coefficient de variation de la taille des particules est < 5 %) peuvent être synthétisés à l’aide de dispositifs microfluidiques33,,34. En outre, il est facile de briser la symétrie de la sphère des gouttelettes par un flux. Ainsi, les grosses particules avec une symétrie cylindrique sont accessibles, ce qui est nécessaire pour les actionneurs. Ceci est différent de LC-particules constituées de suspension polymérisation32. De plus, la taille des particules est bien réglable par microfluidics dans une gamme de plusieurs micromètres à plusieurs centaines de microns et additifs peuvent facilement être apportés dans les particules ou à leur surface. C’est pourquoi la préparation de particules microfluidique est souvent utilisée dans des sujets comme la drogue livraison35 ou la fabrication de cosmétiques,36.

Les configurations de microfluidique utilisées dans cet article ont été introduites par Serra et al. 33 , 37 , 38 . Ceux-ci sont fabriqués des et sont constitués de tubes de polytétrafluoréthylène (PTFE) de chromatographie liquide à haute performance (HPLC) et jonctions en t, ainsi que des capillaires de silice fondue qui fournissent les phases unique. Ainsi, le programme d’installation peut facilement être modifié, et pièces uniques tout simplement peuvent être échangés car ils sont disponibles dans le commerce. Un photo-initiateur est ajouté pour les mélanges de monomères, qui permet l’utilisation d’une source de lumière appropriée pour induire la polymérisation de la gouttelettes sur la volée, après avoir quitté le capillaire. Irradiation en dehors des capillaires est nécessaire pour éviter un colmatage de l’installation. Autres types de polymérisation ne commencent la polymérisation après que la goutte a quitté le capillaire (p. ex., avec initiateurs basée sur les processus d’oxydo-réduction)39. Toutefois, en raison de la rapidité de la polymérisation de réticulation photo-induites et la possibilité d’être contrôlé à distance, photoinitiation est la plus avantageuse.

Mélange de monomère de la LCE étant cristalline à température ambiante, un contrôle de température minutieuse de la configuration entière microfluidique est nécessaire. Par conséquent, la partie de l’installation où a lieu la formation de gouttelettes est placée dans un bain d’eau. Ici, les gouttelettes sont forment à des températures élevées dans la fonte isotrope du mélange. Pour l’orientation, les gouttelettes doivent être refroidis dans la phase cristalline liquide. Par conséquent, le tube de polymérisation est placé sur une plaque chauffante qui est sur la plage de température inférieure du LC-phase (Figure 1).

Nous décrivons ici une méthode simple et flexible pour la fabrication de vérins LCE dans un flux. Ce protocole fournit les étapes nécessaires à la construction de l’installation de microfluidique pour la synthèse de particules simples ainsi que Janus et noyau-enveloppe en quelques minutes. Ensuite, nous décrivons comment exécuter une synthèse et de montrer le résultat typique ainsi que les propriétés des particules actionnement. Finalement, nous discutons des avantages de cette méthode et pourquoi nous pensons qu’il pourrait faire des progrès dans le domaine des actionneurs LCE.

Protocol

1. synthèse des particules LCE actionnement simple

  1. Montage de l’appareil
    Remarque : Tous les matériaux utilisés pour la configuration de la microfluidique sont HPLC approvisionnement et disponible dans le commerce.
    1. Équiper un plat en verre eau bain [diamètre (D) : 190 mm, connexions : bride joints rodés deux 29/24] avec deux septa. Aborder les deux cloisons avec une alène fermer un tube avec un diamètre extérieur (OD) de 1/16 de pouce dans le trou d’ouverture.
    2. Fixez un raccord pour tuyau de 1/16 de pouce OD et l’embout correspondant à l’extrémité d’un tube PTFE (tube 1.1 ; OD : 1/16 po, diamètre intérieur (ID) : 0,17 mm, longueur (L) : 5 cm) et coller la pointe (env. 1 cm) d’une capillaire de silice revêtus de polyimide (ID : 100 µm, OD : 165 µm, L: 7 cm) dedans.
    3. Vissez le tube sur un adverse bras d’une polyéther éther cétone (PEEK) carrefour en t de 1/16 de pouce OD tubes, qui est monté sur une petite table en métal. Maintenant, le capillaire doit dépasser quelques centimètre de la jonction en t.
      NOTE : Les tubes PTFE sont mieux couper à l’aide d’un coupe-tube. Pour les capillaires, une pierre de clivage est préférable d’utiliser.
    4. Fixez un raccord approprié et une bague à l’extrémité d’un deuxième tube PTFE (tube 1.2 ; OD : 1/16 de pouce, ID : 0,75 mm), qui est assez long pour atteindre un pousse-seringue en dehors de l’eau du bain et vissez-le sur le bras latéral de la jonction en t.
    5. Coller un troisième tube PTFE (tube 1.3 ; OD : 1/16 de pouce, ID : 0,17 mm) par le biais de l’un des septums. Tube 1.3 doit être suffisamment long pour relier une deuxième pompe de seringue avec tube 1.1 à l’intérieur de l’eau du bain. Ajoutez deux écluses de raccord luer femelle pour tube d’OD 1/16 de pouce à la fin de rechange des tubes 1.1 et 1.3, respectivement.
    6. Préparer un quatrième PTFE (tube de polymérisation 1.4 ; OD : 1/16 de pouce, ID : 0,75 mm) avec un raccord plus virole et collez-la à travers le septum deuxième. Tube 1.4 doit être suffisamment long pour laisser l’eau du bain et de passer une précision plaque chauffante. Raccord tube 1.4 via son bras restant du carrefour et placer l’extrémité du verre capillaire à l’intérieur du tube.
    7. Mettre au bain-marie sur une plaque chauffante équipée d’un thermomètre, utiliser le ruban adhésif pour fixer le tube 1.4 sur le dessus de la précision, plaque chauffante et fixer un flacon en verre de 5 mL à l’extrémité du tube 1,4. Connectez l’extrémité du tube 1.2 à une seringue remplie de la phase continue (huile de silicone, viscosité : 1.000 m2/s), raccorder le tube 1.3 à une seringue remplie de l’huile hydraulique pour la phase de monomère (huile de silicone, viscosité : 100 m2/s) et brancher les deux seringues dans un pousse-seringue.
      Remarque : Afin de raccorder les tubes pour les seringues, connecteurs de barb-à-femelle-luer-lock pour une utilisation avec des tubes de 3/32 de pouce ID sont les meilleurs à utiliser.
    8. Installer un stéréomicroscope avec l’accent mis sur l’extrémité du capillaire pour permettre l’observation de la formation de gouttelettes et de monter une source de lumière UV (e.g., une lampe à vapeur de 500 W-mercure) avec le cône de lumière concentré sur tube 1,4.
  2. Préparation du mélange monomère
    1. Pour préparer le mélange de monomère40, ajouter 200 mg de (4-acryloyloxybutyl) - 2, 5 - di(4-butyloxybenzoyloxy) benzoate d’une fiole de 50 mL en forme de poire.
    2. Ajouter 7,2 mg de 1, 6-hexanediol diméthacrylate (10 mol%) et 6,2 mg de ethyl(2,4,6-trimethylbenzoyl) phenylphosphinate (photo-initiateur, 3 w %) dans le ballon. Dissoudre le mélange dans environ 1 mL de dichlorométhane.
      NOTE : À partir de l’étape 1.2.2., toutes les étapes devraient être effectuées dans des conditions sans lumière UV (par exemple, sous la lumière jaune).
    3. Enlever le solvant complètement sous vide à 313 K et faire fondre le solide résiduel à 383 K dans un bain d’huile.
    4. Préparer une seringue avec un connecteur de barb-à-femelle-luer-lock pour une utilisation avec des tubes de 3/32 de pouce ID et fixez un tube PTFE (tube 1,5 ; OD : 1/8 pouce, ID : 1,65 mm) via un raccordement tube (OD : 1/16 de pouce, ID : 0,75 mm). Dresser le mélange monomère dans le tube de 1.5 à l’aide de la seringue.
      Remarque : La quantité de monomère ne doit pas être inférieure à 70 mg. sinon, il devient très difficile de tirer suffisamment mélange monomère dans tube 1.5. Le protocole peut être suspendu ici. Dans l’affirmative, ranger le tube dans un réfrigérateur.
  3. Préparation des particules
    1. Attacher un verrou luer mâle pour tuyau de 1/8 de pouce OD aux deux extrémités du tube 1.5 contenant le mélange monomère. Ensuite, reliez les deux extrémités du tube 1.5 avec les serrures luer femelle sur les extrémités des tubes 1.1 et 1.3.
      NOTE : Les tubes doivent être rincés avec les liquides fournis par les pompes à seringue avant la synthèse.
    2. Température de l’eau du bain 363 K et valeur de la précision de température de la plaque à 338 K.
    3. Veillez à ce que le bout du capillaire est situé dans le centre du tube polymérisation 1,5 et ne touche pas le mur.
      NOTE : Les températures indiquées ici sont optimisées pour ce mélange monomère. En général, la température de l’eau du bain doit être assez élevée pour faire fondre le mélange monomère et la température de la plaque chauffante devrait être à des températures allant de la phase cristalline liquide.
    4. Après le mélange monomère est fondu, régler le débit de la phase continue (Qc) à une valeur comprise entre 1,5 et 2,0 mL/h et choisir le flux des rapports de vitesse de Qc/qd (Qd = la vitesse d’écoulement de la phase huile hydraulique/monomère) entre 20 et 200.
      Remarque : Pour un débit de Qc = 1,75 mL/h et Qd = 0,35 mL/h, des particules bien actionnement avec un D de 270 µm sont observées, par exemple.
    5. Après le début de la formation de gouttelettes, attendez que les gouttelettes sont tous la même taille avant d’allumer la lumière UV. Pour le mélange monomère décrit, positionner la source UV 1 cm au-dessus du tube de polymérisation 1.4 à l’extrémité droite de la précision plaque chauffante. Recueillir les différentes fractions de particules polymérisés dans le flacon de verre de 5 mL à l’extrémité du tube 1,4. Tout en circulant sous la lumière UV, couleur des gouttelettes devrait changer de transparent au blanc.
      ATTENTION : Porter des lunettes de protection anti-UV pour protéger les yeux.
    6. Mettre un bouclier (par exemple, une boîte de papier) entre la source lumineuse et le bain d’eau, afin d’éviter toute obturation du capillaire.
      Remarque : Dans le cas d’un tube de polymérisation colmatage, il pourrait aider à chauffer la partie bouchée avec un pistolet à air chaud.
    7. Après que tout le monomère est consommé, nettoyer l’installation en injectant de l’acétone dans tube 1.3.

2. synthèse des particules de noyau-enveloppe LCE

  1. Montage de l’appareil
    1. Suivez l’étape 1.1.1. mais utilisez un plat de bain de l’eau avec un D de 190 mm.
    2. Fixez un raccord et une bague aux deux extrémités d’un manchon de tube fluoré éthylène propylène (FEP) (ID : 395 µm, OD : 1/16 de pouce, L: 1,55 pouce), respectivement. Tout d’abord, coller un capillaire en silice fondue (ID : 280 µm, OD : 360 µm, L: 8 cm) par l’intermédiaire de la douille, de telle sorte qu’il dépasse d’environ 3 mm sur un côté. Puis coller un capillaire plus mince (ID : 100 µm, OD : 165 µm, L: 11 cm) à travers le cotylédon, alors qu’il dépasse de quelques millimètres de son côté le plus long.
    3. Visser le manchon sur une des branches opposées d’une intersection PEEK pour tubes de 1/16 de pouce OD (carrefour en t 1) qui est monté sur une petite table en métal, avec le bout court du capillaire plus grand dans l’intersection.
    4. Coller un tube PTFE (tube 2.1 ; OD : 1/16 de pouce, ID : 0,17 mm) qui est assez long pour relier un pousse-seringue avec carrefour en t 1 par l’une des cloisons de la baignoire d’eau. Fixez un raccord et une bague à l’extrémité du tube à l’intérieur de l’eau du bain, branchez-le sur le bras latéral libre de carrefour en t 1 et coller le capillaire plus mince à l’intérieur du tube 2.1.
    5. Préparer un deuxième tube PTFE (tube 2.2 ; OD : 1/16 de pouce, ID : 0,5 mm) avec un raccord et une bague de serrage et branchez-le sur le bras de rechange de carrefour en t 1. Coller un autre tube PTFE (tube 2.3 ; OD : 1/16 de pouce, ID : 0,5 mm) à travers un deuxième trou dans le septum à côté de tube 2.1. Tube 2.3 doit être suffisamment long pour se connecter à un autre pousse-seringue avec tube 2.2.
    6. Ajouter deux écluses de raccord luer femelle pour tube de 1/16 de pouce OD aux extrémités libres des tubes 2.2 et 2.3 à l’intérieur de la baignoire d’eau, respectivement.
    7. Raccordez l’extrémité libre de la manche à une des branches opposées du deuxième croisement PEEK (carrefour en t 2) qui est également monté sur la petite table en métal. Préparer un quatrième tube PTFE (tube 2.4 ; OD : 1/16 de pouce, ID : 0,75 mm) avec un raccord plus la virole. Tube 2.4 est assez long pour atteindre une troisième pompe à seringue en dehors de l’eau du bain et branchez-le sur le bras latéral de 2 t-Junction.
    8. Préparer un cinquième PTFE (tube de polymérisation 2.5 ; OD : 1/16 de pouce, ID : 0,75 mm) avec un raccord plus virole et collez-la à travers le septum d’autre. Tube 2.5 doit être suffisamment long pour laisser l’eau du bain et de passer une haute précision, plaque chauffante. Connecter le raccord du tube 2.5 avec le bras restant de carrefour. Maintenant conseils des capillaires en verre doivent être placés à l’intérieur du tube 2.5.
    9. Mettre au bain-marie sur une plaque chauffante équipée d’un thermomètre, utilisez un ruban adhésif pour fixer le tube 2.5 sur le dessus une précision plaque chauffante et attacher un flacon en verre de 5 mL à la fin du tube. Connectez l’extrémité du tube 2.1 à une seringue remplie de glycérol (phase interne), raccorder le tube 2.3 à une seringue remplie de l’huile hydraulique pour la phase de monomère (huile de silicone, viscosité : 100 m2/s), raccorder le tube 2.4 à une seringue remplie de la phase continue ( huile de silicone ; viscosité : 1.000 m2/s) et branchez toutes les seringues dans les pompes à seringue.
    10. Suivez l’étape 1.1.7., mais lu tube 2,5 au lieu du tube 1,4.
  2. Préparation du mélange monomère
    1. Suivez toutes les étapes de 1,2.
  3. Préparation des particules coeur-écorce
    1. Attacher un verrou luer mâle pour tubes de 1/8 de pouce OD aux deux extrémités du tube contenant le mélange monomère, respectivement. Ensuite, reliez les deux extrémités de ce tube avec les serrures luer femelle sur les extrémités des tubes 2.2 et 2.3.
    2. Suivez les étapes 1.3.2-1.3.4.
    3. Observer la formation de gouttelettes le via un microscope stéréo.

3. synthèse des particules LCE Janus

  1. Montage de l’appareil
    1. Suivez l’étape 1.1.1.
    2. Fixez un raccord et une bague aux deux extrémités d’un manchon de tuyau FEP (ID : 395 µm, OD : 1/16 de pouce, L: 1,55 pouce), respectivement. Coller deux alignés parallèlement en silice fondue capillaires (ID : 100 µm, OD : 165 µm, L1: 8 cm, L2: 11 cm) par l’intermédiaire de la douille. Le capillaire court dépasse environ 3 mm d’un côté de la manche. De l’autre côté de la manche, les deux capillaires ont la même longueur.
    3. Super colle les capillaires en mettant certains coller sur une extrémité de la gaine et attendent jusqu'à ce qu’il est guéri.
    4. Connecter deux jonctions en t PEEK en vissant le manchon sur un des bras adverses, respectivement et monter sur une petite table en métal.
    5. Suivez les étapes 2.1.4-2.1.7.
    6. Préparer un cinquième PTFE (tube de 3.5 ; OD : 1/16 de pouce, ID : 0,75 mm, l : 5 cm) avec un raccord plus virole et raccorder avec le bras restant de carrefour en t 2. Les deux conseils des capillaires en verre sont trouvent à l’intérieur du tube de 3.5.
    7. Coller un autre tube PTFE (tube 3.6 ; OD : 1/16 de pouce, ID : 0,5 mm) à travers le septum d’autre. Tube 2.6 doit être suffisamment long pour laisser l’eau du bain et de passer une précision plaque chauffante. Connecter les tubes 3.5 et 3.6 via mise en place des systèmes pour les tuyaux de 1/16 de pouce OD.
    8. Mettre au bain-marie sur une plaque chauffante équipée d’un thermomètre, utilisez un ruban adhésif pour fixer le tube 3.6 sur le dessus une précision plaque chauffante et attacher un flacon en verre de 5 mL à la fin du tube. Connectez l’extrémité du tube 3.1 à une seringue remplie d’un mélange aqueux monomère (phase de monomère AQ.), raccorder le tube 3.3 à une seringue remplie de l’huile hydraulique pour la phase de LC-monomère (huile de silicone, viscosité : 100 m2/s), raccorder le tube 3.4 à une seringue remplie avec la phase continue (huile de silicone, viscosité : 1.000 m2/s) et branchez toutes les seringues dans les pompes à seringue.
    9. Suivez l’étape 1.1.8, mais lu tube 3.6 au lieu de tube 1,4.
  2. Préparation du mélange monomère (LC) cristalline liquide
    1. Suivez toutes les étapes de 1,2.
  3. Préparation du mélange monomère aqueux
    1. Préparer une solution de wt 40 % d’acrylamide dans l’eau distillée. Ajouter 10 % de mol de l’agent de réticulation N, N'-methylenebis(acrylamide) et 2 % en poids de l’initiateur 2-hydroxy-2-methylpropiophenone à la solution. (Les deux montants sont à l’égard de l’acrylamide).
      Remarque : Afin d’accroître la viscosité du mélange monomère aqueux, polyacrylamide peut être ajouté.
    2. Remuer le mélange pendant 24 h à RT et le remplir dans une seringue de 1 mL, par la suite.
  4. Préparation des particules Janus
    1. Attacher un verrou luer mâle pour tubes de 1/8 de pouce OD aux deux extrémités du tube contenant le mélange monomère de LC, respectivement. Ensuite, reliez les deux extrémités de ce tube avec les serrures luer femelle sur les extrémités des tubes 3.2 et 3.3.
    2. Suivez les étapes 1.3.2-1.3.4.
    3. Observer la formation de gouttelettes le via un microscope stéréo.

4. analyse des particules

  1. Mettre les particules sur une scène chaude au microscope optique connecté à un ordinateur avec des logiciels d’imagerie. Pour analyser l’actionnement des particules, prendre des photos à des températures au-dessus et en dessous de leur température de transition de phase et de mesurer leur D.
    Remarque : Une goutte d’huile de silicone empêche les particules de coller sur le porte-objet.
  2. Pour estimer la température de compensation des particules, déterminer la température à laquelle les particules perdent leur biréfringence sous un microscope optique polarisée (POM).

Representative Results

Dans ce protocole, nous présentons la synthèse de particules LCE avec différentes morphologies via une approche de la microfluidique. Les configurations de microfluidique pour la fabrication du single, core-shell et particules de Janus sont illustré à la Figure 129,38,41. Un des avantages de la production en flux continu sont le très bon contrôle sur la taille et la forme des particules. Figure 2 un illustre l’avantage de la configuration de gouttelettes unique : une granulométrie très étroite avec toutes les particules ayant la même forme41. Par la présente, la taille des sphères peut facilement être ajustée en modifiant le rapport des débits des différentes phases. Conformément au protocole, diamètres de particules entre 200 et 400 µm peut être produite de façon bien contrôlée en choisissant le flux des rapports de vitesse, tel qu’illustré à la Figure 2b1. Les meilleurs résultats sont obtenus pour des débits de la phase continue (Qc) entre 1,5 et 2,0 mL/h et pour les rapports de taux de débit de QC/qd (Qd = la vitesse d’écoulement de la phase de monomère) entre 20 et 200. Pour les débits de Qc = 1,75 mL/h et Qd = 0,35 mL/h, bien actionnement particules ayant un diamètre de 270 µm sont observées, par exemple. Si plus haut ratio Qc/qd sont sélectionnés, la formation de gouttelettes est moins contrôlé et distribution granulométrique des particules devient beaucoup plus large. Pour des rapports plus faibles, les particules ne sont pas sphériques plus. Outre les ajustements de taux de flux, la distance de la lampe UV pour la polymérisation tube ainsi que la position entre la gauche et l’extrême droite de la plaque de cuisson de précision peut modifier les propriétés de mise en action des particules LCE, ce qui se passe, par exemple, si la cinétique de la polymérisation changer en raison de choix de compositions de mélange monomère ou appliqué à des températures de polymérisation diffère de celle décrite ici.

Figure 3 une montre une particule d’actionnement qui s’allonge jusqu'à 70 % quand il est chauffé au-dessus de sa température de transition de phase, ce qui prouve que la condition d’induire une orientation du directeur cristalline liquide avant polymérisation est remplie. Cet alignement des mésogènes résultats de cisaillement entre la phase continue très visqueuse et surface des gouttelettes monomère. Si l'on utilise des huiles de silicone de plus faible viscosité, actionnement de la particule est réduite.

En outre, le dispositif microfluidique permet le contrôle des différents types de modèles d’actionnement, telles que l’allongement ou la contraction pendant la phase de transition, en faisant varier la vitesse de cisaillement agissant sur les gouttelettes au cours de la polymérisation. Cela peut être traité facilement à débit constant de la phase continue à l’aide de différents diamètres intérieurs de tube de la polymérisation. Figure 3 une montre un oeuf en forme de particule, qui s’allonge le long de son axe de rotation et a été synthétisé à des taux inférieurs de cisaillement dans un tube plus large de polymérisation (ID : 0,75 mm). Les molécules cristallines liquides (mésogènes) sont alignées le long d’un champ directeur concentriques dans ce cas. De l’autre côté, tige-comme des particules (comme illustré dans la Figure 3b) disposent d’une contraction pendant la phase de transition et un alignement bipolaire du champ directeur de des mésogènes. Cette particule a été produite à des taux plus élevés de cisaillement dans un mince tube de polymérisation (ID : 0,5 mm).

Le protocole décrit un autre avantage de ce procédé de microfluidique. Sans compter que des particules simples, les échantillons des morphologies plus complexes peuvent aussi être synthétisés. Figure 3 c montre un actionnement particule de noyau-enveloppe et Figure 3d une particule de Janus, qui tous deux ont été produites après la partie 2 et 3 du protocole29,30.

Si toutes les étapes du protocole sont faits correctement, les particules ayant des propriétés indiquées dans la Figure 4 devraient être obtenues3,41. Dans la Figure 4a, le chauffage et le refroidissement des courbes sont tracées pour unique particules synthétisées à des débits différents. En chauffant les particules de la température ambiante, l’ordre cristallin liquide est - dans un premier temps - réduit pour un peu, ce qui entraîne une petite déformation de la particule. Toutefois, près de la température de transition de phase, toute orientation est soudainement perdue et la particule montre un fort allongement juste en le chauffant à quelques degrés. En refroidissant la particule, une hystérésis peut être observée, et la forme d’origine est obtenue. Ce processus est réversible au fil de nombreux cycles de déclenchement, comme illustré à la Figure 4b.

Figure 1
Figure 1 : Configurations microfluidiques. (a) le général configuration comprend trois seringues, qui contiennent de l’huile de silicone hydraulique (1), le mélange aqueux monomère (3) et l’huile de silicone de phase continue (4). Le mélange de liquide monomère cristallin (2) est placé dans l’eau du bain (5) à 363 K, qui se réchauffe le cristal liquide à l’État isotrope. La polymérisation de la gouttelette est initiée sur la plaque de cuisson (6) à 338 K dans l’État nématique du cristal liquide par irradiation UV (7). (La configuration d’une seule particule correspond à la configuration générale, mais manque le deuxième capillaire, la seringue (3) et au deuxième carrefour en t). (b) ce panneau montre une configuration contenant deux capillaires côte à côte à l’autre, ce qui permet la formation de gouttelettes de Janus. installation (c), la coque du noyau est composée d’un capillaire qui est télescopée dans un capillaire de deuxième plus large. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 2
Figure 2: particules représentatives obtenues dans la configuration d’une seule particule de microfluidique. (a) ce panneau montre une image de microscopie de monodispersés particules LCE préparés dans la configuration d’une seule particule de microfluidique. Echelle = 200 µm. (b) ce panneau montre la dépendance du diamètre des particules en ce qui concerne le rapport entre la vitesse d’écoulement de l’huile (Qc) au débit du mélange monomère (Qd). La taille des particules obtenues dépend uniquement sur le rapport de la vitesse des deux phases et non sur leurs valeurs absolues. (Ce chiffre a été modifié d’Ohm, Fleischmann, Kraus, Serra et Zentel1 et Ohm, Serra et Zentel41.) S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 3
Figure 3 : Images de microscopie optique des quatre morphologies différentes particules dans les nématiques d’État (à 353 K) et après la transition de phase dans l’isotrope d’État (à 413 K). Ces panneaux montrent (un) l’allongement d’une forme aplatie particule LCE (champ directeur concentriques), (b), la contraction d’un bâtonnet en forme LCE-particule (champ directeur bipolaire), (c), l’allongement d’un noyau-enveloppe en forme aplatie particule et (d), la contraction d’un Janus en forme allongée (partie gauche : LCE, partie droite : acrylamide hydrogel). Barreaux de l’échelle = 100 µm. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure. 

Figure 4
Figure 4 : Propriétés d’actionnement des particules unique représentant. (a) ce panneau montre le chauffage et le refroidissement des courbes de particules LCE préparés pour la phase continue dans la configuration de microfluidique de particule à des débits différents. Les particules préparés au plus haut débit montrent l’activation plus forte (environ 70 %) et les deux courbes forment une hystérésis, respectivement. (b) il s’agit d’une parcelle de 10 cycles de déclenchement de particules LCE ne montrant aucune diminution de leur actionnement par le nombre de cycles. Cela prouve que les particules sont réticulés et l’actionnement est complètement réversible. Note : Ce graphique a été dessiné pour une particule fabriquée à partir d’un système LCE principal-chaîne mais a la même apparence pour le système LCE utilisé dans cet article. (Ce chiffre a été modifié de Ohm, Serra et Zentel41.) S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure. 

Discussion

Nous avons décrit la fabrication de particules avec différentes morphologies via une approche microfluidiques pour produire effet LCE. À cette fin, des configurations de base capillaire microfluidiques ont été construites qui permettent la formation de gouttelettes suivie par photopolymérisation à des températures déterminées.

Ici, un aspect essentiel d’une synthèse réussie est le montage correct de l’installation. Toutes les connexions entre les parties doivent être fixées correctement afin d’éviter toute fuite de liquides, et l’appareil doit être propres avant chaque synthèse pour éviter tout colmatage. Il est également essentiel que l’expérience est réalisée dans des conditions sans UV, depuis, dans le cas contraire, la polymérisation prématurée du mélange monomère et donc nouveau colmatage de l’installation serait le résultat.

À ce jour, l’approche de la microfluidique décrite ici est la seule méthode capable de produire des particules LCE actionnement. Par la présente, le processus de la microfluidique répond à deux exigences en même temps. Outre la fabrication d’une multitude de même tailles micro-objets, une orientation du directeur cristalline liquide est induite dans ces particules. En outre, c’est une procédure assez simple, puisqu’un grand nombre d’actionneurs peut être synthétisé en une seule étape. Application d’autres méthodes, l’orientation de la mésogène nécessite habituellement une étape supplémentaire comme l’étirement de l’échantillon ou l’application de couches de photo-alignement. En outre, ces processus sont manuelles, ce qui signifie que la production de nombreux actionneurs prend beaucoup de temps. En outre, la morphologie LCE est-en plus cas limitée aux films de polymère. Inconvénients de l’approche de la microfluidique sont la limitation de la particule de taille (comme le diamètre est limité à des valeurs comprises entre 200 et 400 µm), la vulnérabilité à obstruction le capillaire et la nécessité de conditions sans UV pendant la préparation de particules dans le programme d’installation.

Systèmes sur puce sont souvent utilisés pour les fabrications de particules microfluidique puisqu’ils peuvent facilement être produits et sont faites d’un seul morceau. Ces configurations, toutefois, non seulement n’ont pas le réglage de températures différentes dans la nécessaire au cours de la circulation mais aussi ne sont pas suffisamment souples pour échanger facilement des pièces bouchés ou cassés de la microréacteur. Par conséquent, les configurations de base capillaire que nous utilisons sont plus adaptées pour la synthèse d’actionneurs LCE, qu’ils remplissent les exigences essentielles.

En dehors de nos résultats présentés actionner Janus-particules et noyau-enveloppe micropumps, plus complexe actionnant des particules dotées de nouvelles propriétés pourraient être synthétisées dans l’avenir et ouvrent de nouvelles possibilités pour les applications de déclencheur souple. L’autre modification des particules de Janus aux particules multi réactifs est déjà en cours. Par conséquent, nous visons à l’introduction d’un deuxième polymère réactif température outre l’actionnement LCE. D’autres possibilités pour les nouvelles conceptions de particules peuvent également résulter de l’utilisation de liquides cristallines azo-monomères, qui se traduit par l’actionnement axée sur la lumière du LCE-particules17,18. Dans ce cas, nous pouvons penser des particules de Janus contenant une température conforme tant qu’une partie actionnant des photo. La synthèse de particules de noyau-enveloppe axée sur la lumière ou des structures ressemblant à des tubes propose une autre conception de particules possible, ce qui conduirait à micropumps photo-sensible. La modification des procédures microfluidique principe que nous avons présentée ci-dessus devrait permettre une variété de nouveaux actionneurs.

Disclosures

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Acknowledgments

Les auteurs remercient la Fondation allemande de Science pour le financement de ces travaux (Ze 230/24-1).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
NanoTight fitting for 1/16'' OD tubings Postnova_IDEX F-333N
NanoTight ferrule for 1/16'' OD tubings Postnova_IDEX F-142N
PEEK Tee for 1/16” OD Tubing Postnova_IDEX P-728 T-junction
Female Fitting for 1/16” OD Tubing Postnova_IDEX P-835 female luer-lock
Male Fitting for 1/8” OD Tubing Postnova_IDEX P-831 male luer-lock
Female Luer Connectors for use with 3/32” ID tubings Postnova_IDEX P-858 for the syrringe's tip
NanoTight FEP tubing sleeve ID: 395 µm OD: 1/16'' Postnova_IDEX F-185
Fused Silica Capillary Tubing ID: 100 µm OD: 165 µm Postnova Z-FSS-100165 glass capillary
Fused Silica Capillary Tubing ID: 280 µm OD: 360 µm Postnova Z-FSS-280360 glass capillary
‘‘Pump 33’’ DDS Harvard Apparatus 70-3333 syringe pump
Precision hot plate Harry Gestigkeit GmbH PZ 28-2
Stereomicroscope stemi 2000-C Carl Zeiss Microscopy GmbH 455106-9010-000
Mercury vapor lamp Oriel LSH302 LOT Intensity: 500 W
Teflon Kapillare, 1/16'' x 0,75mm WICOM WIC 33104 teflon tube
Teflon Kapillare, 1/16'' x 0,50mm WICOM WIC 33102 teflon tube
Teflon Kapillare, 1/16'' x 0,17mm WICOM WIC 33101 teflon tube
Silicion oil 1.000 cSt Sigma Aldrich 378399
Silicion oil 100 cSt Sigma Aldrich 378364
1,6-hexanediol dimethacrylate Sigma Aldrich 246816 Crosslinker
Lucirin TPO Sigma Aldrich 415952 Initiator
Polarized optical microscope BX51 Olympus For analysis
Hotstage TMS 94 Linkam For analysis
Imaging software Cell^D Olympus For analysis

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References

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Chimie numéro 135 microfluidique particules particules de Janus particule de noyau-enveloppe microsphères actionneur muscle artificiel liquide cristallin élastomère sensibles aux stimuli photopolymérisation synthèse de flux continu
Préparation de la microfluidique d’élastomère cristalline liquide actionneurs
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Hessberger, T., Braun, L. B., Serra, C. A., Zentel, R. Microfluidic Preparation of Liquid Crystalline Elastomer Actuators. J. Vis. Exp. (135), e57715, doi:10.3791/57715 (2018).

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