Mikrofluidische Synthese von kovalenten organischen Frameworks (COFs): Ein Werkzeug zur kontinuierlichen Produktion von COF-Fasern und Direktdruck auf einer Oberfläche

Das übergeordnete Ziel dieses Ansatzes ist es, zu demonstrieren, wie eine mikrofluidische Plattform zur Herstellung von Endlosfasern aus kovalenten organischen Gerüsten verwendet werden kann, die auf Oberflächen gedruckt werden können, um 2D- und 3D-Strukturen zu erzeugen. Trotz der bemerkenswerten Fortschritte bei der Synthese von kovalenten und organischen Gerüsten bleibt die Entwicklung einer Methode zur Erleichterung der Verarbeitbarkeit dieser Materialien eine Herausforderung, was diesen Ansatz sehr vielversprechend macht. Dieses Verfahren leistet einen wirksamen Beitrag zum Bereich der kristallinen Materialien, indem es einen edlen, synthetischen Ansatz zur Herstellung von Endlosfasern aus kovalenten und organischen Gerüsten einführt und dadurch deren Verarbeitbarkeit verbessert.

Um mit der Herstellung des Geräts zu beginnen, platzieren Sie in einer Abzugshaube eine aus einem vier Zoll großen Siliziumwafer hergestellte Silikon-Urform in einem Vakuum-Exsikkator. Geben Sie 100 Mikroliter Trimethylsilylchlorid in ein Glasfläschchen und stellen Sie das Fläschchen in den Vakuumexsikkator. Schließen Sie den Exsikkator und stellen Sie ihn unter Vakuum.

Lassen Sie den Trimethylsilylchloriddampf eine Stunde lang auf der Oberfläche der Urform ablagern. Entlüften Sie dann langsam den Exsikkator. Entfernen Sie die silanisierte Urform und schließen Sie den Exsikkator.

Lagern Sie die silanisierte Form in einem geschlossenen Behälter oder in einer Laminal-Flow-Haube. Verwenden Sie anschließend einen Kunststoffspatel, um PDMS-Elastomer und Härter in einem Gewichtsverhältnis von 10:0,9 in einem Einwegbecher zu vermischen. Entgasen Sie das Gemisch 30 Minuten lang in einem Vakuumexsikkator.

Platzieren Sie dann vorsichtig vier PTFE-Rahmen auf der Urform, so dass jeder Rahmen ein einzelnes Muster auf der Form umschließt. Gießen Sie die PTMS-Mischung in die Rahmen und über die Form, bis sie voll ist. Härten Sie das PDMS zwei Stunden lang in einem Ofen bei 70 Grad Celsius aus, nehmen Sie dann die Form aus dem Ofen und lassen Sie die PDMS-Chips in der Laminar-Flow-Haube auf Raumtemperatur abkühlen.

Nach dem Abkühlen die Rahmen vorsichtig von Hand aus der Form lösen. Schieben Sie die PDMS-Chips vorsichtig aus dem Rahmen. Verwenden Sie eine 1,5-Millimeter-Biopsiepunktion, um Einlass- und Auslasslöcher am Ende der mikrofluidischen Kanäle in den Chips zu stanzen.

Schneiden Sie überschüssiges PDMS von den Spänen ab und reinigen Sie die Chip- und Deckglasflächen mit Klebeband. Platzieren Sie die sauberen Chips mit den offenen Kanälen nach oben in einem Plasmagenerator, zusammen mit vier Glasabdeckungen. Evakuieren Sie die Probenkammer und lassen Sie den Generator eine Minute lang laufen.

Entlüften Sie dann die Kammer und entfernen Sie die plasmabehandelten Chips und Deckscheiben. Kleben Sie jeden Chip mit den offenen Kanälen nach unten auf einen behandelten Deckglas, indem Sie den Chip vorsichtig auf den Deckglas drücken. Legen Sie die resultierenden mikrofluidischen Chips für mindestens vier Stunden bei 70 Grad Celsius in einen Ofen, um die Verbindung zwischen dem PDMS und dem Glas zu verstärken.

Um mit der Vorbereitung der Synthese zu beginnen, ziehen Sie drei Milliliter 40 Millimolare BTCA in Essigsäure in eine Fünf-Milliliter-Spritze. Ziehen Sie drei Milliliter 40 Millimolar TAPB in Essigsäure in eine weitere Fünf-Milliliter-Spritze. Verwenden Sie PTFE-Schläuche mit einem Innendurchmesser von 0,8 Millimetern und verbinden Sie die Schläuche von einer Seite mit den Spritzen.

Montieren Sie beide Spritzen auf einer Spritzenpumpe. Füllen Sie anschließend zwei Fünf-Milliliter-Spritzen mit Essigsäure, verwenden Sie PTFE-Schläuche mit einem Innendurchmesser von 0,8 Millimetern und verbinden Sie die Schläuche von einer Seite mit den Spritzen. Befestigen Sie diese Spritzen in Spritzenpumpen.

Holen Sie sich dann einen einschichtigen vierkanaligen Mikrofluidik-Chip. Verbinden Sie die andere Seite des PTFE-Schlauchs mit den Einlässen des mikrofluidischen Geräts und verbinden Sie die Spritzen mit den äußeren Kanaleinlässen. Verbinden Sie den 15 Zentimeter langen PTFE-Schlauch mit dem Späneauslauf.

Befestigen Sie das Ende des Schlauchs in einer 60-Millimeter-Petrischale, die 10 Milliliter Essigsäure enthält. Legen Sie einen gläsernen Deckschirm neben die Petrischale. Stellen Sie jede Spritzenpumpe auf eine Durchflussmenge von 100 Mikrolitern pro Minute ein und starten Sie die Pumpen.

Warten Sie eine Minute, bis sich die Flüsse stabilisiert haben, während Sie die MF-COF-Faserbildung im Chip überwachen. Ändern Sie die Durchflussmengen der Essigsäure und überprüfen Sie den Auslassschlauch. Wenn die Mantelströme von Essigsäure im Verhältnis zu den BTCA- und TAPB-Strömen zu hoch sind, ist die Mikrostruktursuspension der MF-COF-Faser zu verdünnt, um eine Endlosfaser zu bilden.

Wenn die Mantelströme von Essigsäure im Verhältnis zu den Reagenzströmen zu gering sind, verstopft die hohe Konzentration der MF-COF-Fasern den Auslassschlauch. Stellen Sie jede Spritze auf eine Durchflussrate von 100 Mikrolitern pro Minute ein und warten Sie eine Minute, bis sich die Flüsse stabilisiert haben. Sobald sich die Strömungen stabilisiert haben und die durchgehende MF-COF-Faser das Ende des Auslassrohrs erreicht, halten Sie das Ende des Rohrs einige Millimeter über die Oberfläche.

Bewegen Sie das Rohr langsam, um eine MF-COF-Struktur zu zeichnen. Die geeigneten mechanischen Eigenschaften, die sich aus der mikroskopischen Organisation von MF-COF ergeben, ermöglichen den Einsatz von MF-COF-Fasern zur konformen Erstellung von 2D- und 3D-Strukturen auf Saraphasis. Heben Sie das Rohr langsam zwei bis drei Zentimeter von der Oberfläche ab, um eine freistehende, stabile MF-COF-Faser zu erzeugen.

Senken Sie das Rohr langsam ab, um eine 2D- oder 3D-Struktur direkt auf dem Deckglas zu zeichnen. MF-COF-Fasern wurden aus TAPB und BTCA mit Hilfe eines vierkanaligen mikrofluidischen Geräts synthetisiert. Die Rasterelektronenmikroskopie zeigte, dass die Fasern aus miteinander verbundenen Mikro- und Nanofasern in 3D-schwammartigen, porösen Strukturen bestehen, die die mechanischen Eigenschaften bieten, die zum Drucken von 2D- und 3D-Strukturen erforderlich sind.

2D-MF-COF-Strukturen wurden durch Zeichnen von Formen auf Glasoberflächen gedruckt, während die Faser kontinuierlich erzeugt wurde. Die relative Präzision des Druckprozesses wurde durch schriftliche Experimente an Glas weiter unterstrichen. Die Fasern verschmolzen nicht, wenn sie übereinander gemustert wurden, was den Druck von 3D-Strukturen ermöglichte.

Neben Glas wurden MF-COF-Strukturen auf Seidenpapier, Pappe, Aluminiumfolie und Polystyrol gedruckt. Denken Sie beim Versuch dieses Verfahrens daran, alle Schritte zur Herstellung des mikrofluidischen Geräts in der Laminar-Flow-Haube und alle Syntheseschritte durchzuführen, die den Umgang mit Essigsäure unter einem Abzug beinhalten. Nach ihrer Entwicklung ebnet diese Technik den Forschern auf dem Gebiet der kristallinen Materialien den Weg, um neue technologische Anwendungen zu erforschen, die eine fortschrittliche Strukturierung von 2D- und 3D-Strukturen aus kristallinen Fasern und verschiedenen Seraphasen erfordern.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man die Endlosfaser kovalenter, organischer Gerüste mit einer mikrofluidischen Plattform synthetisiert und wie man eine produzierte Faser und Seraphasis druckt, um 2D- und 3D-Strukturen herzustellen.