توليف للبرمجة الرئيسية سلسلة اللدائن السائل البلوري باستخدام مرحلتين ثيول-اكريليت رد الفعل
يناير 19, 2016
ويرد منهجية جديدة لتجميع واللدائن البرنامج الرئيسية سلسلة السائل البلوري باستخدام أحادية بدءا المتاحة تجاريا. وهناك مجموعة واسعة من الخصائص الميكانيكية الحرارية ومصممة عن طريق ضبط كمية من crosslinker، في حين كان أداء يشتغل تعتمد على كمية من سلالة التطبيقية خلال البرمجة.
الهدف العام من هذا التفاعل المكون من مرحلتين هو المساعدة في التغلب على العديد من الحواجز التقنية للمطاط الصناعي السائل البلوري ، مثل كيفية استخدام تفاعل سهل وقابل للتخصيص وقابل للتطوير أو كيفية برمجة عينة ميكانيكيا للتشغيل الميكانيكي الشامل. تمنحنا هذه الطريقة منصة متعددة الاستخدامات للتحقيق في الأسئلة الرئيسية في مجال LCEs بالإضافة إلى جعل هذه المواد في متناول الباحثين الذين ليس لديهم خلفيات واسعة في الكيمياء والتوليف. تتمثل إحدى ميزات استخدام هذه التقنية في أنه باستخدام كيمياء الثيول والأكريليت ، فإنها تمنح الباحثين طريقة سهلة للغاية للتحقيق في علاقات الهيكل والممتلكات والأداء ببساطة عن طريق ضبط كميات وأنواع المونومرات والميزوجينات المستخدمة.
لطالما كان إنشاء مجال أحادي في المطاط الصناعي البلوري السائل يمثل تحديا ، خاصة عينة سميكة نسبيا. بشكل عام ، سيكافح الأفراد المعروفون بالنظر إلى المطاط الصناعي البلوري بسبب صعوبة التوليف. سيظهر هذا الإجراء طلاب البكالوريوس فيكتوريا دور ومايكل بولينجر.
للبدء ، أضف 4 جرامات من RM257 في قارورة سعة 30 مل. RM257 هو mesogen diacrylate ويتم استلامه كمسحوق. قم بإذابة RM257 بإضافة 40 بالمائة من التولوين أولا.
ثم سخنيها إلى 80 درجة مئوية على طبق ساخن. عادة ما يستغرق إذابة RM257 في محلول أقل من 5 دقائق. بعد تبريد المحلول إلى درجة حرارة الغرفة ، أضف 0.217 جرام من مونومر رباعي الثيول PETMP.
الخطوة التالية هي إضافة مونومر ديثيول. في هذه الدراسة ، تم اختيار EDDET على ثنائيات الأقصر والأقل وزنا جزيئيا والتي لها رائحة قوية للغاية في شكل سائل. أضف 0.9157 جراما من EDDET للحصول على نسبة مولية من المجموعات الوظيفية الثيول بين PETMP و EDDET من 15 إلى 85 أو 15 مول بالمائة PETMP.
ثم قم بإذابة 0.0257 جرام من المبدئ الضوئي HHMP في المحلول. يستخدم HHMP لتمكين تفاعل البلمرة الضوئية في المرحلة الثانية ويمكن حذفه إذا لم يتم استخدام تفاعل المرحلة الثانية. قم بإعداد محلول منفصل من المحفز عن طريق تخفيف ثنائي بروبيل أمين أو DPA ، مع التولوين بنسبة 1:50.
أضف 0.568 جراما من محلول المحفز المخفف إلى محلول المونومر ، والذي يعادل 1 مول بالمائة من المحفز فيما يتعلق بالمجموعات الوظيفية للثيول. تخلط بقوة على خلاط دوامة. تجنب إضافة محفزات غير مخففة إلى المحلول ، حيث من المحتمل أن يؤدي ذلك إلى بلمرة موضعية سريعة للغاية وسيمنع التلاعب بمحلول البوليمر في القوالب المطلوبة.
مباشرة بعد الخلط ، ضع محلول المونومر في غرفة مفرغة لمدة دقيقة واحدة عند 508 ملم من الزئبق لإزالة أي فقاعات هواء ناتجة عن الخلط. انقل المحلول على الفور إلى القالب المطلوب أو قم بحقن المحلول بين شريحتين زجاجيتين. يجب تصنيع القوالب من HDPE.
لا تحتاج القوالب إلى التغطية ، لأن تفاعل إضافة مايكل غير حساس نسبيا لتثبيط الأكسجين. اترك التفاعل يستمر لمدة 12 ساعة على الأقل في درجة حرارة الغرفة. سيبدأ المحلول في الهلام خلال أول 30 دقيقة.
ثم ضع العينات في غرفة مفرغة عند 80 درجة مئوية و 508 ملم من الزئبق لمدة 24 ساعة لتبخر التولوين. بمجرد الانتهاء ، يجب أن يكون للعينات مظهر أبيض لامع وغير شفاف في درجة حرارة الغرفة. كرر الإجراء لتخصيص نسبة مونومرات الثيول رباعية الوظائف إلى ثنائية الوظائف بنسب 25:75 و 50:50 و 100: 0 على التوالي.
قم بإعداد قالب عظام المخصص HDPE بطول مقياس 25 ملم ومساحة المقطع العرضي 1 ملم × 5 ملليمترات. باستخدام ماصة زجاجية ، املأ كل تجويف قالب بمحلول مونومر PETMT بنسبة 15 مولا بالمائة حتى يتدفق مع الجزء العلوي من القالب. اترك العينات تلجف وتجف كما كان من قبل.
بعد ذلك ، قم بتعيين قطعتين من شريط الليزر العاكس على بعد 5 إلى 7 ملليمترات داخل طول مقياس العينة. قم بتحميل العينة في جهاز اختبار ميكانيكي مجهز بمقياس تمديد ليزر وغرفة حرارية وخلية تحميل 500 نيوتن. استخدم مقابض إسفين أو ذاتية الشد لتأمين العينة.
يمكن أن تساعد مقابض الشد الذاتي في منع العينة من الإزاحة عند قيم إجهاد عالية. قم بمحاذاة مقياس التمدد بالليزر بشكل صحيح لتتبع التغيير الدقيق في الطول كدالة للإجهاد المطبق. باستخدام علامة دائمة ، ضع علامة على نقطة على الجانب الآخر من كل قطعة من الشريط العاكس ، وتسجيل الطول بين النقاط.
صفي العينات في درجة حرارة الغرفة بمعدل إزاحة 0.2 ملم في الثانية إلى 100 أو 200 أو 300 أو 400 بالمائة من الإجهاد. مع الحفاظ على مستوى الإجهاد المطلوب ، قم بتعريض العينة لمصدر ضوء الأشعة فوق البنفسجية 365 نانومتر بكثافة تقارب 10 مللي واط لكل سنتيمتر مربع لمدة 10 دقائق مع الاحتفاظ بمصباح الأشعة فوق البنفسجية على بعد حوالي 150 ملم من العينة. قم بتفريغ العينة ثم تسخينها فوق درجة حرارة الانتقال المتناحية، أو TI، للحث على التشغيل.
اترك العينة تبرد مرة أخرى إلى درجة حرارة الغرفة وسجل الطول بين النقاط. ثم احسب الثبات باستخدام المعادلة المدرجة في بروتوكول النص. بعد ذلك ، قم بقص عينة بطول 30 ملم من الجزء الأوسط من العينة المبرمجة.
قم بتحميل العينة بشكل صحيح في اختبار ميكانيكي ديناميكي أو DMA. اختبر العينة في وضع الشد بطول نشط يتراوح من 13 إلى 15 ملم ، مع الحرص على عدم إحكام قبضة قسيمة الاختبار. قم بموازنة العينة عند 120 درجة مئوية تحت حمولة مسبقة قدرها 0 نيوتن ، متبوعا بتبريد العينة من 120 إلى 25 درجة مئوية بمعدل 3 درجات مئوية في الدقيقة.
حافظ على القوة المسبقة عند 0 نيوتن للاختبار بأكمله. من خلال تخصيص النسبة المولية للمجموعات الوظيفية للثيول بين مونومرات الديثيول والتتراثيول ، يتم عرض مجموعة واسعة من الخصائص الميكانيكية في المواد. يتأثر المعامل وإجهاد الفشل وهضبة المرونة الناعمة بكمية الرابط المتقاطع رباعي الوظائف الموجود خلال تفاعل إضافة مايكل في المرحلة الأولى.
يمكن أيضا تصميم سلوك التزجج عبر النسبة المولية للرابط المتقاطع رباعي الثيول المستخدم أثناء التوليف. تزداد درجة حرارة التزجج والمعامل الهوائي ومعامل الخواص مع زيادة تركيز الرابط المتقاطع. تظهر هذه المواد سلوكا ميكانيكيا حراريا فريدا ، حيث تظل وظائف دلتا تان مرتفعة بعد انتقال الزجاج وفي جميع أنحاء المنطقة الهوائية.
تتبعسلالة الفشل لهذه المواد كدالة لدرجة الحرارة نفس شكل وظيفة تان دلتا ، حيث تصل إلى الحد الأقصى بالقرب من درجة حرارة التزجج الزجاجي. من خلال استخدام هذه المنصة ، يمكن قياس ثبات أو كفاءة قفل المجال الأحادي لتفاعل المرحلة الثانية كدالة للسلالة المطبقة. علاوة على ذلك ، ينظر إلى أن حجم التشغيل الحراري يزداد خطيا مع إجهاد البرمجة التطبيقي.
إن استخدام تفاعل أكريليت الثيول متعدد المراحل يجعل من السهل معالجة وتوليف LCEs. يعد العرض المرئي لهذه الطريقة أمرا بالغ الأهمية لإظهار أنه يمكن لأي شخص استكشاف هذه المواد الرائعة باستخدام النطاقات المزوجينية والمونومرات المتوفرة تجاريا. بعد مشاهدة هذا الفيديو ، يجب أن يكون لديك فهم جيد لكيفية إنشاء اللدائن السائلة البلورية القابلة للتخصيص وبرمجتها للتشغيل الحراري القابل للانعكاس.
نظرا للطبيعة القابلة للتطوير لتفاعل أكريلات الثيول ، يمكننا إنشاء ميزات صغيرة الحجم في عينات كبيرة لديها القدرة على استخدامها في الأجهزة الطبية الحيوية. بمجرد تعلمها ، تستغرق مجموعة كبيرة من عينات المطاط الصناعي السائل البلوري حوالي ساعة للخلط. نترك عيناتنا تشفى طوال الليل ، وتجف في اليوم التالي ، ثم تصبح جاهزة للاختبار ، وهو أسرع من العديد من التقنيات.
أثناء محاولة هذا الإجراء ، من المهم أن تتذكر أن يكون لديك مجموعات أكريليت زائدة لتمكين تفاعل البلمرة الضوئية في المرحلة الثانية. بالطبع إذا حافظت على التوازن المتكافئ لمجموعات الأكريلات إلى الثيول ، فلا يزال بإمكانك تجميع عينات متعددة المجالات. باتباع هذا الإجراء ، يمكن تنفيذ طريقة أخرى مثل الزخرفة الضوئية من أجل تخصيص الخاصية الميكانيكية للمطاط الصناعي بشكل خاص والتحكم في درجة حرارة الانتقال بين متعدد المجال ، أحادي المجال ، والحالة المتناحية.
تفتح هذه التقنية الآن الأبواب لمهندسي علوم المواد في جميع أنحاء العالم وتوفر الوسائل لاستكشاف الخصائص الميكانيكية والبصرية ل LCEs بطريقة سهلة للغاية. لا تنس أن العمل مع المذيبات العضوية والمونومرات أمر خطير ويجب دائما اتخاذ الاحتياطات مثل ارتداء معدات الحماية الشخصية والعمل في مروحة غطاء المحرك عند تنفيذ هذا الإجراء.
النظرة العامة
تقدم هذه الدراسة منهجية جديدة لتوليف وبرمجة الإيلاسтомرات البلورة السائلة ذات السلسلة الرئيسية (LCEs) باستخدام مونومرات متاحة تجاريا. تتيح هذه النهج إمكانية تصميم الخصائص الحرارية الميكانيكية وتحسين أداء التشغيل بناءً على الإجهاد المطبق أثناء البرمجة.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلم
- علم المواد
- كيمياء البوليمرات
- الإيلاستمرات البلورة السائلة
الخلفية
- تواجه الإيلاستمرات البلورة السائلة حواجز تقنية في التوليف والبرمجة.
- غالبًا ما تتطلب الطرق الموجودة معرفة كيميائية واسعة.
- توفر كيمياءات الثيول والأكريليت منصة متعددة الاستخدامات للبحث.
- كان إنشاء عينات LCEs أحادية المجال، خاصةً العينات السميكة، أمرًا صعبًا.
غرض الدراسة
- تطوير طريقة توليف قابلة للتطوير وقابلة للتعديل لإيلاستمرات البلورة السائلة.
- تمكين الباحثين ذوي الخلفيات الكيميائية المحدودة من استكشاف خصائص LCE.
- التحقيق في علاقات الهيكل-الخصائص-الأداء في LCEs.
الطرق المستخدمة
- تفاعل من مرحلتين يشمل كيمياءات الثيول والأكريليت.
- تحضير محاليل المونومرات بنسب محددة من المشابك.
- الاختبار الميكانيكي باستخدام مقياس تمدد بالليزر والتحليل الميكانيكي الديناميكي.
- تخصيص نسب مجموعة الثيول الوظيفية للتأثير على الخصائص الميكانيكية.
النتائج الرئيسية
- تتيح هذه الطريقة إنشاء LCEs بخصائص حرارية ميكانيكية مصممة.
- يعتمد أداء التشغيل على الإجهاد المبرمج.
- يمكن تعديل الخصائص الميكانيكية مثل المعامل وإجهاد الفشل.
- الإجراء متاح للباحثين الذين ليس لديهم تدريب كيميائي موسع.
الاستنتاجات
- تبسط هذه المنهجية عملية توليف LCEs، مما يجعلها أكثر سهولة.
- توفر إطارًا لمزيد من الاستكشاف لتطبيقات LCE.
- يمكن للدراسات المستقبلية البناء على هذا النهج لتحسين أداء المواد.
الأسئلة الشائعة
Executive Industry Relevance
This work addresses a key barrier in stimuli-responsive material development: the need for scalable, tailorable synthesis of liquid-crystalline elastomers (LCEs) that enables programmable mechanical actuation. By using a two-stage thiol-acrylate reaction with commercially available monomers, the method lowers technical entry barriers for discovery-stage exploration of structure-property relationships in soft actuators. The approach supports early de-risking of mechanotransduction platforms by providing reproducible, strain-programmable monodomain formation with tunable thermomechanical outputs.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of structure-property-performance relationships in stimuli-responsive polymers by varying monomer ratios and mesogen types.
- Operational Value: Uses routine mixing and mold-casting with commercially available materials, reducing synthesis complexity for target validation workflows.
- Predictive Value: Supports hypothesis testing on how crosslinking density influences failure strain and glass transition behavior in elastomeric networks.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitatively tunable mechanical outputs (modulus, failure strain, soft elasticity plateau) via thiol-functional group ratio control.
- Operational Value: Produces reproducible, transparent monodomains after strain-programming, enabling standardized assay preparation for actuation screening.
- Scalability: Overnight cure and next-day drying allow batch processing of dog-bone specimens for mechanical testing pipelines.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Demonstrates stress-driven thermal actuation and shape-memory effects under constant bias, relevant to preclinical evaluation of responsive implant prototypes.
- Mechanistic De-risking: Fixity measurements (>90% at 100–400% strain) quantify programming efficiency, supporting go/no-go decisions on material fidelity before functional integration.
- Predictive Confidence: Linear increase in stress-free actuation magnitude (35% to 115%) with programming strain enables predictive modeling of thermal response in device design.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery-to-preclinical continuum by enabling rapid synthesis of tunable LCEs for hypothesis-driven screening of mechanoresponsive systems, followed by mechanical and thermal characterization to inform advancement decisions.
- Discovery Biology: Supports biological de-risking by allowing systematic variation of network topology to study elastomer-mediated mechanosignaling in vitro.
- Screening: Provides assay-ready samples with quantitative strain-dependent outputs (fixity, actuation magnitude) for comparing monomer formulations.
- Analytics: Generates tensile stress-strain curves, DMA tan delta profiles, and thermal actuation data to compare conditions and guide formulation optimization.
- Translational Research: Connects to preclinical work through demonstrable shape-memory and thermal actuation under controlled strain, relevant to soft actuator validation.
- Enterprise Reuse: Platform is adaptable across mesogen/thiol/acrylate combinations, supporting reuse in multiple discovery campaigns without reoptimization.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in structure-property relationships; reduction of mechanistic ambiguity in elastomer network design.
- Operational Value: Standardization via self-limiting Michael addition; reproducibility in monodomain formation and strain-programming.
- Strategic Value: Better go/no-go decisions on actuator candidates via quantifiable fixity and actuation thresholds.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization of LCE formulations based on tailorable failure strain (>600%) and glass transition behavior.
Implementation Considerations
- Requires expertise in polymer synthesis and mechanical testing with laser extensometry.
- Needs UV light source (365 nm), vacuum chamber, DMA, and mechanical tester with thermal chamber.
- Standardization across teams requires consistent mold geometry (HDPE dog-bone) and strain application protocols.
- Adaptation to other mesogens or crosslinkers is supported by source but requires rebalancing of thiol-acrylate ratios.
- Practical limitation: Excess acrylate groups must be maintained for second-stage photopolymerization; stoichiometric balance yields only polydomain samples.
