Mit Adhesive Patterning 3D Paper Mikrofluidik-Vorrichtungen bauen

Das übergeordnete Ziel dieser Technik ist es, planare und nicht-planare dreidimensionale mikrofluidische Papiergeräte zu schaffen, die während der Konstruktion und nach dem Gebrauch durch die Strukturierung von Aerosolklebstoff entfaltet werden können. Diese Methode eröffnet einen völlig neuen Designraum für die Papiermikrofluidik, indem sie Einschränkungen beseitigt, die Forscher zuvor daran hinderten, aus einfachen Kanalnetzwerken herzustellen. Die Hauptvorteile dieser Technik bestehen darin, dass sie die Menge an Klebstoff, die bei der Herstellung von mikrofluidischen Papiergeräten aufgetragen wird, erheblich reduziert und dass sie den Bau von nichtplanaren dreidimensionalen mikrofluidischen Papierschaltkreisen ermöglicht.

Drucken Sie zunächst ein Array jeder Schicht für das Gerät mit einem Festtintendrucker auf Filterpapier. Legen Sie jedes Filterpapier zwei Minuten lang bei 170 Grad Celsius auf eine heiße Platte, um die Tinte auf Wachsbasis zu schmelzen und sie vollständig in das Papier eindringen zu lassen, wodurch hydrophobe Barrieren gebildet werden. Sobald das Papier abgekühlt ist, gib mit einer Mikropipette eine andere Farbe in jeden der Zweige der dritten Schicht.

Vier Mikroliter Aliquots von fünf Millimolaren Farbstoffen reichen aus. Beginnen Sie nun mit dem Bau. Klemmen Sie zunächst die unterste Schicht zwischen die Schablone und eine steife Unterlage, z. B. ein Stück Flachglas.

Stellen Sie sicher, dass die Schablone flach auf dem Papier aufliegt, um Sprühschatten zu minimieren. Stellen Sie dann ein Metronom auf 180 Schläge pro Minute ein und sprühen Sie Klebstoff aus etwa 24 Zentimetern Entfernung für vier Schläge auf. Bewegen Sie die Dose in vier gleichmäßigen Bewegungen über die Schablone.

Wenn die Dose zu langsam bewegt wird, sammelt sich der Klebstoff auf der Schablone selbst ab und verstopft die Schablone. Wenn die Dose zu schnell bewegt wird, wird nicht genügend Klebstoff aufgetragen. Entfernen Sie anschließend die Schablone und positionieren Sie die nächste Schicht des Gerätes über der frisch gesprühten Schicht, indem Sie sie an den Rändern vorsichtig ausrichten.

Drücken Sie die Schichten fest zusammen. Sprühen Sie dann den Kleber erneut auf. Setzen Sie diesen Vorgang fort, bis alle Schichten fest verklebt sind.

Kleben Sie auf den vierlagigen Stapel einen Streifen Packband über die untere Schicht, um ein Austreten von Flüssigkeit zu verhindern. Anschließend können einzelne Geräte nach dem gedruckten Muster aus dem Stapel geschnitten werden. Drucken Sie das Gerät wie beim vorherigen Verfahren mit einem Festtintendrucker auf Filterpapier und schmelzen Sie die Tinte auf einer heißen Platte bei 170 Grad Celsius zwei Minuten lang.

Drucken Sie für dieses Verfahren auch das Rillmuster auf die gleiche Weise, jedoch auf normalem Druckerpapier. Sobald die Drucke abgekühlt sind, richten Sie die Linien des Rillmusters an den Rändern der Kanalmuster aus. Sichern Sie sie dann mit Klebeband.

Zeichnen Sie als Nächstes das Rillmuster mit einem stumpfen Stift nach. Wenden Sie genügend Kraft an, um das Geräteblatt zu markieren, aber zerreißen Sie das Papier nicht. Wenn ein Riss auftritt, beginnen Sie von vorne.

Diese Vorrilltechnik erhöht die Genauigkeit und Präzision des Falzens. Beginnen Sie nun mit dem Falten des Gerätes mit Berg- und Talfalten entsprechend dem Rillmuster. Das Falten vor dem Auftragen des Klebstoffs beschleunigt die Montage des Geräts.

Falten Sie es nach dem Falten auf, um die Teile freizulegen, die Klebstoff benötigen. Schneiden Sie dann mit einer Klinge Masken aus, um zu begrenzen, wo Klebstoff aufgetragen wird. Klemmen Sie nun das Gerät flach zwischen die Schablone mit der Maske und einer steifen Unterlage.

Verwenden Sie ein Metronom, um eine Zeitüberschreitung von 1,3 Sekunden zu erreichen, und tragen Sie den Kleber wie zuvor auf. Wenn die Luftfeuchtigkeit niedrig ist, tragen Sie den Klebstoff an einem Ort mit kontrollierter Feuchtigkeit auf, damit der Klebstoff nicht zu schnell trocknet. Entfernen Sie anschließend die Schablone und die Maske und drehen Sie das Blatt um.

Besprühen Sie dann die Rückseite des Papiers auf die gleiche Weise. Nehmen Sie das Gerät sofort aus der Schablone und beginnen Sie mit dem Falten des Geräts. Sobald das Gerät vollständig zusammengeklappt ist, üben Sie kontinuierlichen Druck auf den klebstoffhaltigen Teil aus, bis er getrocknet ist.

Um einen Dochttest an den vierlagigen Geräten durchzuführen, wählen Sie nach dem Zufallsprinzip 20 Geräte aus. Stellen Sie die Geräte so auf, dass sie vor Luftströmungen geschützt sind, um die Verdunstung zu minimieren. Lagern Sie dann 40 Mikroliter Wasser am Einlass jedes Geräts ab.

Notieren Sie die Zeit, die jedes Gerät benötigt, um alle Ausgänge vollständig mit Farbstoff gefüllt zu haben. Vergleichen Sie für die Origami-Geräte zwei Origami-Pfauen, von denen einer wie zuvor beschrieben hergestellt wurde und der andere ohne Verwendung der Schablone beim Auftragen des Klebstoffs hergestellt wurde. Führe dann ein Ende einer kleinen Papiermine in den Körper des Pfaus ein.

Bei einer kontrollierten relativen Luftfeuchtigkeit von über 90 % legen Sie jedes Keule und das Papierblei jedes Pfaus in einen Behälter, der mit fünf Millimolar Farbstoff gefüllt ist. Es wurden die durchschnittlichen Dochtzeiten und Erfolgsraten für vierschichtige Geräte verglichen, die mit unterschiedlichen Mengen an aufgetragenem Klebstoff konstruiert wurden. Eine gleichmäßige Klebstoffabdeckung führte zu relativ hohen Erfolgsquoten, die mit zunehmender Klebstoffmenge abnahmen.

Die Erfolgsraten waren auch viel höher, da die Dochtzeiten schneller waren, wenn der gemusterte Klebstoff auf beide Seiten aufgetragen wurde, als nur auf einer Seite. Ausfälle traten häufiger auf, wenn der Klebstoff nur auf einer Seite aufgetragen wurde. Typische Ausfälle von gestapelten Geräten waren dadurch gekennzeichnet, dass sich die Auslässe nicht vollständig mit Farbstoff füllten oder länger als fünf Minuten zum Befüllen brauchten.

Bei Origami-gefalteten Geräten war der Geräteausfall dadurch gekennzeichnet, dass sich die Auslässe nicht mit einer beliebigen Menge Farbstoff füllen konnten. Diese Auslässe befanden sich ausschließlich entlang der beiden Kanten des Geräts, die die Falten enthielten. Durch die Verdoppelung der Größe des Randes um die Kanäle herum stiegen die Erfolgsquoten sowohl bei ein- als auch bei beidseitigen Klebeanwendungen.

Beide Methoden des Klebstoffauftrags führten zu Geräten, die Flüssigkeit erfolgreich über die Länge ihrer Kanäle und ohne Vermischung leiteten. Allerdings war das Gerät mit gleichmäßig aufgetragenem Kleber spürbar langsamer. Bei diesem Verfahren ist es wichtig, einen gleichmäßigen und gleichmäßigen Klebstoffauftrag zu gewährleisten.

Beachten Sie, dass Aerosolkleber nur in gut belüfteten Räumen aufgetragen werden sollte. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie gemusterte Klebstoffe auftragen und verwenden, um planare und nicht-planare mikrofluidische 3D-Papiergeräte zu konstruieren. Diese Technik wird es den Forschern ermöglichen, die Verwendung nichtplanarer Strukturen zu untersuchen, um Funktionen zu erreichen, die bisher in planaren Geräten nicht zu finden waren, wie z. B. integrierte Betätigung und Sensorik.