Origami Inspired Selbstorganisation von Patterned und Reconfigurable Particles

Dieses Protokoll synthetisiert präzise strukturierte statische und rekonfigurierbare Partikel unterschiedlicher Form und Größe. Entwerfen Sie zunächst Masken für das zweidimensionale Netz, die sich schließlich selbst zu den gewünschten gemusterten Partikeln zusammenfügen. Anschließend die Opfer- und Leitschichten auf einen ebenen Untergrund aufbringen.

Stellen Sie die 2D-Vorläufer her, indem Sie Platten und Scharniere mittels Fotolithographie, Dünnschichtabscheidung und Ätzen strukturieren, und lösen Sie dann die Opferschicht auf, um die 2D-Vorläufer vom Substrat freizusetzen. Letztendlich werden die freigesetzten 2D-Vorläufer spezifischen Stimuli ausgesetzt, um eine Faltung der Partikel im Mikrometer- bis Zentimeterbereich auszulösen. Die Auswirkungen dieser Technik erstrecken sich auf die Herstellung miniaturisierter intelligenter Partikel, einschließlich solcher, die Biopsien an schwer zugänglichen Stellen im Körper durchführen können.

Darüber hinaus kann die Methode mit Metallen, Halbleitern und sogar Polymeren verwendet werden, so dass wir Kapseln herstellen können, die für die Verabreichung von Medikamenten wichtig sein könnten, zumal wir sie in nicht-s, sphärischen und multifunktionalen Geometrien herstellen können. Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber bestehenden Methoden wie Emotion, Polymerisation oder Formgebung von Partikeln besteht darin, dass diese Methode die Genauigkeit und Präzision der Plenarlithographie in eine dreidimensionale Strukturierung von Partikeln mit unterschiedlichen Formen und Größen umwandelt. Die visuelle Demonstration dieser Methode ist von entscheidender Bedeutung, da die Schritte der Musterung und Selbstfaltung schwer zu erlernen sind, da sie sowohl Lithographie- als auch Selbstmontagefähigkeiten erfordern.

In dieser Demonstration werden wir statische, dauerhaft versiegelte Dora mit einer Größe von 300 Mikrometern sowie rekonfigurierbare thermoempfindliche Mikrogreifer herstellen. Beginnen Sie mit einem Softwareprogramm für zweidimensionale Vektorgrafiken. Bestimmen Sie zunächst die Anzahl der Paneele in den Polyedern.

Fahren Sie fort, um die ergiebige zweidimensionale Anordnung der Paneele, auch Netze genannt, herauszufinden. Netze mit der geringsten roten Untergenerierung und der größten Anzahl von sekundären Eckpunktverbindungen werden in der Regel mit den höchsten Schwänzen zusammengeführt. Zeichnen Sie für die Flächenmaske die Flächen der Polyeder als Netzabstand, die angrenzenden Flächen um eine Lückenbreite. Fügen Sie dann eine Registraturmarke für die spätere Ausrichtung mit der Scharniermaske ein.

Definieren Sie nun für die Scharniermaske die Klappscharniere zwischen den Paneelen. Definieren Sie auch die Deckenscharniere an den Kanten der Paneele. Stellen Sie dann sicher, dass die Blenden- und Scharniermaskenüberlagerung mit der Registrierung Deckenscharniere eine beträchtliche Fehlertoleranz beim Falten der Zelle bieten.

Drucken Sie nun die Masken mit einem hochauflösenden Drucker auf Durchlichtfolien. Beginnen Sie die Untergrundvorbereitung mit einem flachen Untergrund. Reinigen Sie die Siliziumwafer mit Methanol, Aceton und Isopropylalkohol.

Trocknen Sie sie dann mit Stickstoffgas und erhitzen Sie sie fünf bis 10 Minuten lang bei 150 Grad Celsius. Auf den Siliziumwafern schleudert sich eine 5,5 Mikrometer dicke Schicht aus 950 P-M-M-A-A 11 bei 1.100 U/min. Nach drei Minuten backst du das Substrat bei 180 Grad Celsius für 60 Sekunden.

Unter Verwendung einer thermischen Verdampferabscheidung, eines Haftvermittlers aus 30 Nanometern Chrom und der leitenden Schicht aus 150 Nanometern Kupfer. Geben Sie dann eine Schleuderschicht von etwa 10 Mikrometern Dicke SPR 220 bei 1.700 U/min hinzu und stellen Sie sie drei Minuten lang beiseite. Setzen Sie nun die Wafer mit ca. 460 Millijoule pro Quadratzentimeter UV-Licht und einem Masken-Aligner auf Quecksilberbasis der Panel-Maske aus.

Entwickeln Sie zwei Minuten lang in MF 26 developer, füllen Sie die Entwicklerlösung auf, und entwickeln Sie weitere zwei Minuten. Fahren Sie mit der Berechnung der Gesamtfläche der Platte fort und berechnen Sie den Strom, der für die Elektrodenabscheidung von Nickel aus einer handelsüblichen Nickelsulfatlösung erforderlich ist. Tauchen Sie dann den Wafer in die Nickel-Galvaniklösung.

Wiederholen Sie die Schritte der Schleuderbeschichtung und der Ausrichtung für die Scharniermaske. Würfeln Sie nun die Waffel in kleine Stücke, die 50 bis 60 Netze enthalten. Die Ränder der Stücke mit Nagellack bestreichen.

Berechnen Sie als Nächstes die gesamte freiliegende Scharnierfläche und verwenden Sie sie, um den Strom zu berechnen, der für die Elektrodenabscheidung von Bleizinnlot aus einer handelsüblichen Lötlösung erforderlich ist. Tauchen Sie dann den Wafer in die Lötlösung. Lösen Sie den Fotolack in Aceton auf.

Spülen Sie die Waferstücke mit IPA ab und trocknen Sie das Waferstück mit Stickstoffgas in Ätzen mit einem PS 100 für 25 bis 40 Sekunden, um die umgebende Kupferschicht aufzulösen. Mit destilliertem Wasser abspülen und mit Stickstoffgas trocknen. Tauchen Sie nun das Waferstück für 30 bis 50 Sekunden in das Ätzen von CRE 473, um die umgebende Chromschicht aufzulösen.

Anschließend mit destilliertem Wasser abspülen und mit Stickstoffgas trocknen. Tauchen Sie das Waferstück abschließend in zwei bis drei Milliliter NMP und erhitzen Sie es drei bis fünf Minuten lang bei 100 Grad Celsius, bis sich die Templates vom Substrat lösen. Übertragen Sie 10 bis 20 Schablonen in eine kleine Petrischale und verteilen Sie sie gleichmäßig.

Geben Sie dann etwa drei bis fünf Milliliter NMP und fünf bis sieben Tropfen in Delo fünf RMA-Flüssigflussmittelwärme bei 100 Grad Celsius für fünf Minuten hinzu. Das Flussmittel reinigt und löst die auf dem Saer gebildete Oxidschicht und sorgt so für einen guten Lot-Reflow beim Erhitzen. Erhöhen Sie die Temperatur der Kochplatte für fünf Minuten auf 150 Grad Celsius.

Erhöhen Sie langsam auf 200 Grad Celsius, bis nach dem Abkühlen der Schale die Falten erfolgt, spülen Sie den Dodekaeder zweimal in Aceton und einmal in Ethanol lagern Sie die Dodekaederpartikel in Ethanol für rekonfigurierbare Strukturen mit metallischer Opferschicht, tauchen Sie das Waferstück in ein PS 100, um die darunter liegende Kupferopferschicht zu ätzen. Warten Sie, bis sich die Mikrogreifer vollständig vom Substrat gelöst haben. Spülen Sie die gelösten Mikrogreifer mit entionisiertem Wasser ab und bewahren Sie sie in kaltem Wasser auf.

Lösen Sie dann die Faltung aus, indem Sie die Mikrogreifer in 37 Grad Celsius heißes Wasser legen. Das in dem Manuskript beschriebene allgemeine Protokoll kann zur Herstellung von musterversiegelten Partikeln und rekonfigurierbaren Greifvorrichtungen verwendet werden. Enthalten sind auch unsere spezifischen visualisierten Beispiele sowohl für die Herstellung von versiegelten Toralpartikeln als auch für rekonfigurierbare Mikrogriffe.

In der Regel werden mindestens zwei Maskensätze benötigt, einer für starre Platten, die sich nicht biegen oder krümmen, und der andere für Scharnierbereiche, die sich biegen oder abdichten. Dieses Muster verwendet die Regeln für das Maskendesign für einen selbstfaltenden Mikrogreifer. Das AutoCAD-Programm wird verwendet, um die Masken der 2D-Vorläufer zu entwerfen.

Die 2D-Vorläufer werden dann auf einem Siliziumsubstrat hergestellt, wie in diesen optischen Bildern von Dedra- und Mikrogreifern zu sehen ist. Diese Realisierung zeigt die Selbstorganisation eines Dedra-Partikels, wie sie in dem detaillierten Protokoll hergestellt wurde. In diesem Artikel hier werden die Mikrogreifer durch Hitze dazu gebracht, sich bei 37 Grad Celsius selbst zu falten.

Hier zeigen die Bilder die Montage einer dünnen Schicht, die spannungsgetriebene Faltung eines Mikrogreifers um eine Kugel, selbstorganisierte polyedrische Partikel können in einer Vielzahl von Formen erzeugt werden, sowie das Falten von Mikrogreifern. Diese konzeptuelle Animation von David Fallac zeigt die durch Oberflächenspannung getriebene Assemblierung eines kubischen Teilchens. Zunächst werden der Siliziumwafer und die Fotomaske genau ausgerichtet.

Dann werden die Wafer mit der Panel-Maske belichtet, wobei etwa 460 Millijoule pro Quadratzentimeter UV-Licht und ein Masken-Aligner auf Quecksilberbasis verwendet werden, um die Faltung des Würfels zu induzieren. Die Temperatur wird auf den Schmelzpunkt des Scharniermaterials angehoben, wodurch sich die flüssigen Scharniere aufballen, um die freiliegende Oberfläche zu minimieren. Die Kanten verschmelzen, um ihre Oberflächenenergie zu minimieren und die Partikel abzudichten, wodurch ein vollständiges polyedrisches Partikel entsteht.

Der Herstellungs- und Betätigungsprozess ist hochgradig parallel, und 3D-Strukturen können gleichzeitig hergestellt und getriggert werden. Darüber hinaus können präzise Muster, wie z. B. quadratische oder dreieckige Poren, in allen drei Dimensionen und bei Bedarf auf ausgewählten Flächen definiert werden. Selbstfaltende Mikrogreifer können unter biologisch unbedenklichen Bedingungen verschlossen werden, so dass sie zur Entnahme von Gewebe verwendet oder mit biologischer Fracht beladen werden können.

Dieses Beispiel zeigt die Entnahme von Blasengewebe mit thermosensitiven Mikrogreifern. Da die Mikrogreifer außerdem aus dem ferromagnetischen Material Nickel hergestellt werden können, können sie mit Hilfe von Magnetfeldern aus der Ferne bewegt werden. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie Origami-inspirierte Ansätze nutzen können, um präzise gemusterte und rekonfigurierbare Partikel in einer Vielzahl von Größen, Formen und Oberflächenmustern zu synthetisieren und die reaktionsschnelle Rekonfigurierbarkeit zu stimulieren.

Denken Sie daran, die geltenden Konstruktionsregeln für die Selbstorganisation der Partikel zu befolgen und das Funktionsprinzip des Prozesses zu verstehen. Es ist sehr wichtig, die richtigen Materialien für die Opferschichtpaneele und Scharniere zu wählen. Sie sollten beispielsweise keine Opferschicht wählen, die eine hohe Auflösungstemperatur erfordert, wenn sich Ihre Triggerschicht nach ihrer Entwicklung bei diesen hohen Temperaturen auflöst.

Diese Technik ebnete Forschern aus dem Bereich der Mikro- und Nanotechnologie den Weg, um die Entwicklung und Anwendung von präzise strukturierten Polyedern und rekonfigurierbaren Partikeln in Elektronik, Optik und Medizin zu erforschen.