מתנעים אור בצורה חופשית - ייצור ובקרה של Actuation ב בקנה מידה מיקרוסקופי
25 במאי 2016
כאן, אנו מייצרים מבני מיקרו/ננו פולימריים תלת מימדיים שבהם ניתן להנדס הן את הצורה והן את היישור המולקולרי בדיוק בקנה מידה ננומטרי על ידי שימוש בכתיבה ישירה בלייזר. ניתן לשלוט בעיוות המושרה על ידי אור של מספר סוגים של מיקרו-מבנים של אלסטומר גבישי נוזלי בקנה מידה מיקרוסקופי.
המטרה הכוללת של הליך כתיבת לייזר דו-שלבי זה, היא להשיג מבנים מפעילי אור בגודל מיקרומטר מבוססי אלסטומר. השיטה יכולה לעזור לענות על שאלות מפתח בתחומי המיקרוביוטיקה והמיקרופלואידיקה. כגון כיצד ליצור מיקרו-מבנה יחיד עם תנועה מורכבת.
היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא שניתן לעצב את האוריינטציה המולקולרית באופן ידני בקנה מידה מיקרו. לפיכך, ניתן לשלוט באופן אפרתי על צורת ההפעלה הספציפית. חלק מהשיטות הללו יכולות לספק מיקרוביוטיקה פנימית, אך ניתן ליישם אותה גם על מערכות שונות כמו כוונון בהתקנים פוטוניים או חומרים המגיבים לגירויים שונים.
מישתדגים חלק מההליך תהיה דניאלה מרטלה, פוסט-דוקטורנטית מהמעבדה שלי. כדי להתחיל, יש לנקות שקופית כיסוי זכוכית בקוטר 3 ס"מ עם רקמת אצטון ועדשה. לאחר מכן בעזרת מלקחיים או פינצטה הניחו כמה מיקרו-כדורי זכוכית על המגלשה כחצי סנטימטר מנקודת המרכז.
אלה מתפקדים כמרווחים. הנח שקופית מיקרוסקופ בקוטר 1 ס"מ על המרווחים ולחץ אותה בעדינות למקומה. לאחר מכן, הוסף כשני מיקרוליטר של דבק ריפוי UV לרווח בין השקופיות בשלוש הנקודות השונות בהן נמצאים המרווחים.
לפני שהדבק חודר עמוק לתוך הפער, השתמש באור UV כדי לרפא את הדבק. זה יוצר את התא לניסוי. כעת לאורך קצה התא, זרוק כ -10 מיקרוליטר שרף IPL.
המתן מספר דקות עד שהנוזל חדר לכל שטח התא. לאחר מכן בעזרת דבק מסטיק Fixo, תקן את התא על מחזיק המדגם. הנח את המכלול במערכת כתיבת לייזר ישירה ובאמצעות מטרה של פי 100, מצא את הממשק במשטח הפנימי העליון.
לאחר מכן בצע תיקון הטיה, מכיוון שהמגלשה אינה אופקית לחלוטין. כעת כתוב את המבנים של דפוסי דירוג IPL מעוצבים באמצעות 6 מילי-וואט של כוח לייזר ב-60 מיקרון לשנייה. דפוסי הדירוג עשויים עם קימורים או קווים ישרים.
לאחר מכן מצא את הממשק והטה נכון למשטח הפנימי התחתון. כתוב את הדוגמה גם שם. כעת העבירו את התא לאמבט איזופרופנול למשך 12 עד 24 שעות.
אל תפתח את התא עדיין. למחרת, יבש את התא על פלטה של 50 מעלות צלזיוס למשך 10 עד 20 דקות. התחל הליך זה על ידי מדידת כ-300 מ"ג של תערובת מונומר.
העמיסו את התערובת לבקבוק זכוכית והניחו אותה על פלטה חשמלית שהוגדרה בין 70 ל-80 מעלות צלזיוס כדי להמיס את האבקה. לאחר ההמסה מערבבים אותו במשך שעה, בין 90 ל -150 סל"ד. לאחר שהתערובת הומוגנית, הניחו את התא המוכן על משטח החימום בטמפרטורה של 60 מעלות צלזיוס, וזרקו 20 מיקרוליטר תערובת לאורך קצה שקופית הזכוכית הקטנה יותר.
תן לנוזל לעבור לתא. לאחר מכן הגן על השקופית מפני אור והעביר אותה למיקרוסקופ בעזרת מקטב חוצה ובקר טמפרטורה. לפני הארת התא, חבר מסנן כתום למנורה כדי לסנן את ה-UV. לאחר מכן באמצעות השלב המחומם, מחממים את התא מעל 60 מעלות צלזיוס.
כעת הפחיתו את הטמפרטורה בקצב של שתיים עד 10 מעלות צלזיוס לדקה כדי למדוד את טווח הטמפרטורות עבור שלב הגביש הנוזלי. התבונן בדגימה עם התהפכות ניגודיות תמונה, תוך סיבובה 45 מעלות ביחס לציר המקטב. בסופו של דבר, יש לציין שלב גביש נוזלי נמטי הומוגני טוב.
לאחר מכן, תקן את התא על מחזיק מדגם עבור מערכת DLW. טען את הדגימה והגדר את הטמפרטורה כדי להגיע לשלב הגביש הנוזלי. לאחר מכן מצא את הממשק של המשטח הפנימי התחתון ובצע את תיקון ההטיה באמצעות מטרה של פי 100.
לאחר מכן כתוב את מבני ה-LCE בעוצמת לייזר של ארבעה מילי-וואט וב-60 מיקרון לשנייה. אם אובייקט פי 10 נמצא בשימוש, כוונן את הלייזר ל-14 מילי-וואט ואל תדאג למצוא את הממשק. במקרה זה, המבנה מיוצר לכל עובי המדגם.
לאחר מכן פרק את התא והשתמש בלהב כדי להסיר את מגלשת הזכוכית העליונה. לאחר הסרת המגלשה העליונה, טבלו את המבנים באמבט טולואן למשך חמש דקות ולאחר מכן יבשו אותם באוויר למשך 10 דקות. כדי לאפיין את המיקרו-מבנים של LCE יש למקם את הדגימה במיקרוסקופ הביתי ולמקד לייזר על המבנים באמצעות מטרה פי 10.
כעת באמצעות מצלמת CMOS, התבונן בעיוות המושרה על ידי האור. באמצעות השליטה הידנית של מערכת המיקרו-מניפולציה, הנח את קצות המיקרו-זכוכית שנמצאים על זרועות המניפולטור קרוב למיקרו-מבני LCE. כעת הפעל את הלייזר להספק נמוך, בסביבות 20 מילי-וואט כדי להעלות את הטמפרטורה של ה-LCE, ובכך לרכך את המבנה.
לאחר מכן השתמש בקצות הזכוכית כדי להרים מיקרו-מבנה LCE אחד ולהחזיק אותו באוויר. תהליך זה נחוץ כדי למנוע הידבקות ממשטח הזכוכית. לאחר מכן, הגדל את עוצמת הלייזר העולה על 100 מילי-וואט.
לאחר מכן רשום את העיוות המושרה על ידי האור של מבנה ה-LCE לניתוח. ארבעה מבנים גליליים LCE, בקוטר 60 מיקרון וגובה 20 מיקרון, יוצרו בארבעה אזורי דירוג IPL בעלי אוריינטציה שונה עם תקופה של מיקרון אחד. תחת עירור אור, הצבעים ב-LCE ספגו אנרגיה והעבירו אותה לרשת.
המבנים עברו משלב נמטי לאיזוטרופי, התכווצו לאורך מנהל יישור ה-LC המקורי והתרחבו בכיוון הניצב. טכניקה זו מאפשרת יצירת מפעילים מורכבים המכילים יותר מסוג אחד של יישור במבנה יחיד אחד. לדוגמה, פס LCE בגודל 400 על 40 על 20 מיקרון, יוצר עם שני חלקים של דפוסי יישור שהכילו פיתול של 90 מעלות.
בתאורת אור, המשטח עם יישור מקביל התכווץ, ואילו זה עם יישור מאונך התרחב. כך המבנה כפוף לשני כיוונים שונים. לאחר צפייה בסרטון זה, אתה אמור להבין היטב כיצד ליישר אלסטומרים גבישיים נוזליים באמצעות מערך כתיבה ישירה בלייזר וכיצד לגרום למיקרו-מפעילים לנוע באמצעות אור.
סקירה כללית
מחקר זה מציג הליך כתיבה בלייזר בשני שלבים ליצירת מבני הפעלה אורית בגודל מיקרומטרי המבוססים על אלסטומר. השיטה מאפשרת בקרה מדויקת על האוריינטציה המולקולרית וההפעלה במבני מיקרו, שניתן ליישם בתחומים שונים הכוללים מיקרו-רובוטיקה ומיקרו-פלואידיקה.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדעי
- מדעי העצבים
- מיקרופלואידיקה
- מדע החומרים
רקע
- כתיבה ישירה בלייזר מאפשרת הנדסה של מבני מיקרו/ננו.
- ניתן לשלוט באלסטומרים גבישיים נוזליים בקנה מידה מיקרוסקופי.
- הבנת תנועות מורכבות במבני מיקרו היא קריטית ליישומים שונים.
- ניתן להשתמש בטכניקה זו גם בהתקנים פוטוניים.
מטרת המחקר
- ליצירת מיקרו-מבנים בעלי יכולות תנועה מורכבות.
- לתבנית ידנית של אוריינטציה מולקולרית באלסטומרים.
- לבחינת יישומים במיקרו-רובוטיקה ובחומרים רספונסיביים.
שיטות שבהן נעשה שימוש
- הכנת תא באמצעות למסות זכוכית ודבק לפתיקה ב-UV.
- כתיבה ישירה בלייזר ליצירת תבניות מדורגות של IPL בעיצוב מתוכנן.
- אפיון של מיקרו-מבני LCE באמצעות מיקרוסקופ תוצרת בית.
- תצפית על דפורמציה מושרית באור באמצעות לייזר ומצלמת CMOS.
תוצאות עיקריות
- ארבעה מבנים גליליים של LCE יוצרו בהצלחה.
- המבנים הראו דפורמציה מושרית-אור במעבר משלב נמטי לשלב איזוטרופי.
- נוצרו אקטואטורים מורכבים עם תבניות יישור מרובות.
- הודגם כיפוף בשני כיוונים שונים תחת הארה באור.
מסקנות
- המחקר מדגים בהצלחה את היישור של אלסטומרים גבישיים נוזליים.
- כתיבה ישירה בלייזר היא שיטה יעילה ליצירת מיקרו-אקטואטורים.
- ניתן לשלוט בדיוק בהפעלה באמצעות אור דרך יישור מולקולרי.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
שיטה זו מאפשרת שליטה מדויקת ביישור מולקולרי באלסטומרים גבישיים נוזליים בקנה מידה מיקרוסקופי, ובכך תומכת בתכנון של מיקרו-אקטואטורים המונעים על ידי אור עם דפורמציה ניתנת לתכנות. באמצעות שילוב של כתיבה ישירה בלייזר הן עבור הייצור המבני והן עבור תבנית היישור, השיטה נותנת מענה לאתגר מרכזי ביצירה של מערכות מיקרוסקופיות מורכבות ורב-תפקודיות. לגישה זו ערך חיזוי לגילויים בשלבים מוקדמים ברובוטיקה בהשראה ביולוגית, פוטוניקה ניתנת לכוונון, ופלטפורמות של מעבדה על שבב (lab-on-chip) שבהן התנהגות תגובתית לגירוי היא קריטית.
יישומים אסטרטגיים במו"פ של ביו-פארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של קשרי מבנה-תפקוד בחומרים המגיבים לגירויים על ידי הפרדה בין התכנון הגיאומטרי לבקרת היישור המולקולרי.
- ערך תפעולי: תומך בבדיקת היפותזות לגבי השפעות יישור LC על דינמיקת ההפעלה מבלי להזדקק לסינתזה של תרכובות כימיות חדשות.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: מספק פלטפורמה לסריקת ספריות של תבניות יישור עבור פלטים אופטו-מכניים רצויים תחת גירוי אור סטנדרטי.
- ערך תפעולי: מאפשר ייצור הדיר של מיקרו-אקטואטורים עם מדדי דפורמציה כמותיים להכנה לבדיקה (assay).
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: מאפשר בדיקה רלוונטית למחלות של ביצועי מיקרו-אקטואטורים בסביבות מיקרו-פלואידיות המדמות זרימה פיזיולוגית או הגבלה מרחבית.
- ערך תפעולי: תומך במחזורי תכנון-בדיקה איטרטיביים לאופטימיזציה של מהירות ההפעלה, הכיווניות ותפוקת הכוח במערכות מיקרו דמויות-עופרת.
שילוב תהליכי עבודה ופייפליין
השיטה מגשרת בין תכנון מוקדם של חומרים לבין תיקוף פונקציונלי, וממקמת את עצמה בין תכנון מולקולרי לבין סריקה פנוטיפית ברצף הגילוי לפיתוח מיקרו-אקטואטורים.
- ביולוגיה של הגילוי: תומכת בהסרת סיכונים מכניסטיים על ידי בידוד השפעתו של יישור ה-LC על שינוי צורה מושרה-אור כמשתנה בלתי תלוי.
- סריקה: מאפשרת יצירה של מערכי מיקרו-אקטואטורים סטנדרטיים עם פרופילי הפעלה מוגדרים לסריקת תרכובות או גירויים.
- אנליטיקה: מספקת קריאות כמותיות של דפורמציה ברזולוציית זמן באמצעות דימוי המופעל בלייזר כדי להשוות בין תנאי יישור.
- מחקר תרגומי: מקשרת בין תכנות מולקולרי לפלט פונקציונלי במערכות בקנה מיקרו, ותומכת ברצף מעיצוב החומר ועד להתנהגות דמוית התקן.
- שימוש חוזר ארגוני: מבססת פלטפורמה גמישה ליצירת מצבי הפעלה מגוונים מחומר בסיס יחיד באמצעות תבניות בלבד.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מפחית את העמימות בייחוס התנהגות ההפעלה למסדרת מולקולות לעומת גורמים גיאומטריים.
- ערך תפעולי: מאפשר סטנדרטיזציה של ייצור מיקרו-מפעילים באמצעות שלבי כתיבה מופרדים עבור המבנה והסידור.
- ערך אסטרטגי: משפר את קבלת ההחלטות (go/no-go) בתוכניות של מיקרו-רובוטיקה או פוטוניקה על ידי אספקת פרופילי הפעלה צפויים וניתנים לכיוונון.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בהשקעה מותאמת סיכונים בפלטפורמות של חומרים המגיבים לגירוי על ידי הגברת הביטחון החזוי בביצועים בקנה מידה מיקרוסקופי.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בהתנהגות פאזות של גבישים נוזליים, פיזיקה של פולימרים ומכשור של כתיבה ישירה בלייזר.
- תלוי בגישה למערכות DLW עם בקרה מדויקת על ההספק והמהירות לצורך כתיבה רב-שלבית.
- מחייב בקרה סביבתית (טמפרטורה, קיטוב) לצורך אפיון פאזות של LC ובדיקות הפעלה.
- כולל אופטימיזציה של תערובות מונומרים, פוטו-פולימריזציה ב-UV ושלבי עיבוד לאחר ייצור בהתאם לחומר.
- מוגבל בשל הצורך בשטיפה בממס ובשלבי ייבוש לאחר הייצור, העלולים להשפיע על מיקרו-מבנים עדינים.
