Síntesis microfluídica de marcos orgánicos covalentes (COFs): Una herramienta para la producción continua de fibras COF e impresión directa en una superficie

El objetivo general de este enfoque es demostrar cómo se puede utilizar una plataforma basada en microfluidos para producir fibras continuas de estructuras orgánicas covalentes que se pueden imprimir en superficies para crear estructuras 2D y 3D. A pesar de los notables avances en la síntesis de estructuras covalentes y orgánicas, el desarrollo de un método que facilite la capacidad de procesamiento de estos materiales sigue siendo un desafío, lo que hace que este enfoque sea muy prometedor. Este método contribuye eficazmente al campo de los materiales cristalinos mediante la introducción de un enfoque noble y sintético para producir fibras continuas de estructuras covalentes y orgánicas, mejorando así su capacidad de proceso.

Para comenzar la fabricación del dispositivo, en una campana extractora, coloque un molde maestro de silicona fabricado a partir de una oblea de silicio de cuatro pulgadas en un desecador al vacío. Envíe 100 microlitros de cloruro de trimetilsililo a un vial de vidrio y coloque el vial en el desecador al vacío. Cierre el desecador y póngalo al vacío.

Deje que el vapor de cloruro de trimetilsililo se deposite en la superficie del molde maestro durante una hora. Luego, ventile lentamente el desecador. Retire el molde maestro silanizado y cierre el desecador.

Almacene el molde silanizado en un recipiente cerrado o en una campana de flujo laminar. A continuación, en un vaso desechable, utilice una espátula de plástico para mezclar el elastómero PDMS y el agente de curado en una proporción de peso de 10:0,9. Desgasifique la mezcla en un desecador al vacío durante 30 minutos.

Luego, coloque con cuidado cuatro marcos de PTFE en el molde maestro, de modo que cada marco encierre un solo patrón en el molde. Vierta la mezcla de PTMS en los marcos y sobre el molde hasta que esté lleno. Cura el PDMS en un horno a 70 grados centígrados durante dos horas, luego retira el molde del horno y deja que las virutas de PDMS se enfríen a temperatura ambiente en la campana de flujo laminar.

Una vez frío, separe cuidadosamente los marcos del molde a mano. Deslice suavemente los chips PDMS del marco. Utilice una punción de biopsia de 1,5 milímetros para perforar los orificios de entrada y salida en el extremo de los canales microfluídicos de los chips.

Recorte el exceso de PDMS de las virutas y limpie la viruta y cubra las superficies deslizantes con cinta adhesiva. Coloque las virutas limpias en un generador de plasma con los canales abiertos hacia arriba, junto con cuatro cubreobjetos de vidrio. Evacúe la cámara de muestras y haga funcionar el generador durante un minuto.

A continuación, ventile la cámara y retire las virutas tratadas con plasma y los cubreobjetos. Adhiera cada viruta a un cubreobjetos tratado con los canales abiertos hacia abajo presionando suavemente el viruta sobre el cubreobjetos. Coloque las virutas microfluídicas resultantes en un horno a 70 grados centígrados durante al menos cuatro horas para fortalecer la unión entre el PDMS y el vidrio.

Para comenzar a prepararse para la síntesis, extraiga tres mililitros de BTCA molar de 40 milimolares en ácido acético en una jeringa de cinco mililitros. Extraiga tres mililitros de TAPB molar de 40 mililitros en ácido acético en otra jeringa de cinco mililitros. Utilice tubos de PTFE con un diámetro interior de 0,8 milímetros y conecte los tubos por un lado a las jeringas.

Monte ambas jeringas en una bomba de jeringa. A continuación, llene dos jeringas de cinco mililitros con ácido acético, utilice un tubo de PTFE con un diámetro interior de 0,8 milímetros y conecte los tubos de un lado a las jeringas. Asegure estas jeringas en bombas de jeringa.

Luego, obtenga un chip microfluídico de cuatro canales de una sola capa. Conecte el otro lado del tubo de PTFE a las entradas del dispositivo microfluídico y conecte las jeringas a las entradas del canal exterior. Conecte la longitud de 15 centímetros del tubo de PTFE a la salida del chip.

Fije el extremo del tubo en una placa de Petri de 60 milímetros que contenga 10 mililitros de ácido acético. Coloque un cubreobjetos de vidrio junto a la placa de Petri. Ajuste cada bomba de jeringa a un caudal de 100 microlitros por minuto y encienda las bombas.

Espere un minuto para que los flujos se estabilicen mientras monitorea la formación de fibra MF-COF en el chip. Cambie los caudales del ácido acético y revise el tubo de salida. Si los flujos de la vaina de ácido acético son demasiado altos en relación con los flujos de BTCA y TAPP, la suspensión de la microestructura de la fibra MF-COF estará demasiado diluida para formar una fibra continua.

Si los flujos de la vaina de ácido acético son demasiado bajos en relación con los flujos de reactivos, la alta concentración de fibras MF-COF obstruirá el tubo de salida. Ajuste cada jeringa a un caudal de 100 microlitros por minuto y espere un minuto para que los flujos se estabilicen. Una vez que los flujos se hayan estabilizado y la fibra MF-COF continua llegue al extremo del tubo de salida, sostenga el extremo del tubo, a unos milímetros de la superficie.

Mueva lentamente el tubo para dibujar una estructura MF-COF. Las propiedades mecánicas adecuadas impulsadas por la organización microscópica de MF-COF, permiten el uso de fibras MF-COF para la creación conforme de estructuras 2D y 3D en saraphasis. Eleve lentamente el tubo de dos a tres centímetros de la superficie para producir una fibra MF-COF estable e independiente.

Baje lentamente el tubo para continuar dibujando una estructura 2D o 3D directamente en el cubreobjetos. Las fibras MF-COF se sintetizaron a partir de TAPB y BTCA, utilizando un dispositivo microfluídico de cuatro canales. La microscopía electrónica de barrido mostró que las fibras consistían en micro y nanofibras interconectadas en estructuras porosas similares a esponjas en 3D que otorgan las propiedades mecánicas necesarias para imprimir estructuras 2D y 3D.

Las estructuras 2D MF-COF se imprimieron en superficies de vidrio dibujando formas a medida que la fibra se generaba continuamente. La relativa precisión del proceso de impresión se destacó aún más en los experimentos de escritura sobre vidrio. Las fibras no se fusionaron cuando se modelaron unas sobre otras, lo que permitió la impresión de estructuras en 3D.

Además del vidrio, las estructuras MF-COF se imprimieron en papel de seda, cartón, papel de aluminio y poliestireno. Al intentar este procedimiento, recuerde realizar todos los pasos para la fabricación del dispositivo microfluídico dentro de la campana de flujo laminar y todos los pasos de síntesis que involucran el manejo de ácido acético debajo de una campana de gases. Tras su desarrollo, esta técnica allana el camino para que los investigadores en el campo de los materiales cristalinos exploren nuevas aplicaciones tecnológicas que requieran un modelado avanzado de estructuras 2D y 3D hechas de fibras cristalinas y diversas serafases.

Después de ver este video, debe tener una buena comprensión de cómo sintetizar la fibra continua de marcos orgánicos covalentes utilizando una plataforma microfluídica y cómo imprimir una fibra producida y serafines para hacer estructuras 2D y 3D.