我々は、2次元(2D)前駆体から、パターン化と再構成可能な粒子の合成の実験の詳細を説明します。この方法論は、ミクロからセンチメートルスケールに至る長さスケールで多面体と把持装置を含む、様々な形状の粒子を作成するために使用できます。
Method Article
我々は、2次元(2D)前駆体から、パターン化と再構成可能な粒子の合成の実験の詳細を説明します。この方法論は、ミクロからセンチメートルスケールに至る長さスケールで多面体と把持装置を含む、様々な形状の粒子を作成するために使用できます。
正確にパターンに2次元(2D)の構造を使用することができるようなフォトリソグラフィー、電子ビームリソグラフィ、ソフトリソグラフィなど数多くのテクニックがあります。これらの技術は、成熟している高精度を提供し、それらの多くは、ハイスループットな方法で実装することができます。我々は平面リソグラフィの利点を活用し、表面張力や残留応力に由来する1月20日 、請求の物理的な力は、3次元(3D)構造に曲線や折り目平面構造に使用されている自己の折りたたみ方法でそれらを組み合わせる。そうすることで、我々は質量正確に合成するために挑戦している静的および再構成可能な粒子をパターン化し生産することが可能になります。
本稿では、詳細は、顕著なのは、パターン化された粒子を作成するための実験プロトコルを可視化(a)に恒久的に接合され、中空、多面体その自己組織化·液化ヒンジ21から23の表面エネルギーの最小化による自己シールおよび(b)グリッパー、自己倍残留応力パワードヒンジ24,25に起因する。記載された特定のプロトコルは、マイクロメートルからセンチメートル長さスケールに至るまでの全体的なサイズの粒子を作成するために使用できます。また、任意のパターンはコロイド科学、エレクトロニクス、光学、医療における重要性の粒子の表面に定義することができます。より一般的には、セルフシールヒンジを使用した自己組み立て機械的に硬質粒子の概念はさらに小さく、100nmの長さの粒子の作成 には、いくつかのプロセス変更で、適用されるスケール22、26および21を含む金属材料の範囲を持つ、半導体9およびポリマー27。再構成可能な把持デバイスの残留応力動力作動に関しては、当社の特定のプロトコルは100μmから2.5mmまでのサイズのデバイスへの関連性のクロムヒンジを採用しています。しかしながら、より一般的には、そのようなテザー無残留応力の概念電動アクチュエーションは、おそらくさらに小さいナノスケールの把握デバイスを作成するために、そのようなヘテロエピタキシャル堆積された半導体膜5,7のような代替高応力材料を使用することができます。
我々は最初のパターン化された、封印された粒子と再構成可能な把持デバイスを製造するために使用できる一般的なプロトコルを記述します。一般的なプロトコルと一緒に、我々は、密封された正十二面体の粒子の製造および再構成可能なmicrogrippers両方に1つの特定、可視化の例を提供します。
1。マスクの準備と設計ルール
2。基板の準備
3。犠牲層の堆積
パターニングした後、基板からテンプレートを解放するためには、犠牲層が必要となります。金属( 例えば 、銅)、誘電体( 例えば 、アルミナ)またはポリマー( 例えば 、PMMA、PVA、サイトップ等)のいずれかで構成される種々の映画を利用することができる。犠牲膜を選択する際には、重要な考慮事項は、蒸着および材料とのエッチング選択性の溶解のしやすさです。
4。パターニングパネルを
5。パターニング蝶番
パネルのパターニングと同様に、パターンのヒンジするために、フォトリソグラフィの第2ラウンドはヒンジマスク(図2b-c)を用いて行われる必要があります。パネルとヒンジマスク上のレジストリのマークは、適切な配置を確保するためにオーバーレイする必要があります。
例1。自己集合し、恒久的に結合して、300μmのサイズの中空正十二面体(図3の概略図)を駆動表面張力の製作のためのプロトコル:
例2。再構成可能な、自己フォールディング感熱microgrippers(図4の略図)駆動薄い膜応力の製作のためのプロトコル:
7。代表的な結果
図中の代表的な結果shの様々なショー5自己組織化多面体粒子類人猿と同様に折りたたみmicrogrippers。製造および作動プロセスは高度に並列化され、3次元構造を作製することができ、同時にトリガされます。必要に応じてさらに、正方形または三角形の細孔によって例示として正確なパターンはすべて三次元であり、選択された面上に定義できます。彼らは消費税組織に使用されるか、または生物学的な貨物を積み込むことができるようにmicrogrippersは、生物学的に良性の条件の下で閉鎖することができる。 microgrippersが強磁性材料で作ることができるので、さらに、それらは磁場を使って遠くから移動することができます。

図1。パターン化された粒子の合成のためのデザインルール (ac)のパターン化された多面体粒子のアセンブリのためのマスクのデザインルール;辺の長さLの多面体のパネルマスクの(a)の回路図、(b)はヒンジマスクの概略は折り畳み特色(0.2L×0.8 L)とロックやシール(0.1L×0.8 L)のヒンジ、およびオーバーレイ2D前駆体または正味の(c)の模式図。 (DF)自己フォールディングマイクログリッパのマスクのデザインルール;の先端長さDに先端を持つグリッパ用ヒンジマスクの(d)の模式図は、ヒンジギャップgを持つパネルマスクの(e)の模式図、および(f)の概略図オーバーレイされた2D前駆体。 拡大図を表示するには、ここをクリックしてください 。

図2。製造および組立工程における重要なステップの実験画像や概念的なアニメーション。面体前駆体のためのAutoCADのパネルマスク(A)のスクリーンショット。 (BC)のための2D前駆体の光学像、(b)は正十二面体、シリコン基板上の(c)にmicrogrippers。 (d)の正十二面体のネットをリリース。スケールバー:200μmである。 (en)の概念のnimation、(EI)面体の表面張力駆動のアセンブリ、およびビーズ(デビッドFilipiakによってアニメーション)の周りにマイクログリッパの折り畳み駆動(JN)薄膜の応力。

図3立方粒子の表面張力駆動のアセンブリのための重要な製造工程の模式図。

図4 6桁の把持装置の折り畳み駆動残留応力のための重要な製造工程の模式図。

図5。折り紙の画像は自己集合したパターン化され、再構成可能な粒子に影響を与えた。 様々な形状での自己組織化粒子の強い>()光画像。 (be)は(b)の自己組織化多孔キューブのSEM画像、(c)のピラミッドは、(d)は切頂8面体および(e)十二面体。スケールバー:100μmである。 (FH)光自己フォールディングmicrogrippersのスナップショット、および(i)が折り畳まれたマイクログリッパのSEM像(ティモシー·レオンによる画像)。スケールバー:200μmである。
私たちの折り紙風の組立工程では、汎用性が高く、材質、形状およびサイズの広い範囲で3次元静的および再構成可能な粒子の様々な合成に使用することができます。さらに、これらの粒子上に正確にパターンセンサーと電子モジュールへの能力は、光学とエレクトロニクスのために重要である。パターンは比較的不正確である別の方法によって形成された斑状粒子とは対照的に、この方法論は、正確にパターン化された粒子を合成するための手段を提供する。表面張力ベースのアセンブリでは、封止ヒンジを液化の使用は、粒子が(冷却上)よく密封し、組み立て後の機械的に剛性されることを保証します。以前、我々は、縫い目が小分子39,40に対しても漏れ防止であることを観察している。組立後のAuの薄層の電着は、付加的な強度を提供し、継ぎ目の漏れ防止の性質を向上させることができます。薄い膜応力ベースの折りたたみは、STの用途に有用であるimuli敏感な折りたたみは、in vitroおよび in vivo生物学的サンプリングとロボットのピックアンドプレース操作で実行するために使用されているmicrogrippersのように必要とされる。ここに記載された特定の方法論は、一度だけ閉じリコンフィギュラmicrogrippersを作成するために使用することができますが、二重層にストレスを操作するための材料および方法を適切に選択することも、複数サイクルに渡って37、41に再構成することができ、把持デバイスを作成するために利用することができる。これらのデバイスの電源を残留応力の使用のハイライトは、彼らがどんなテザーやワイヤを必要としそうな場所に到達するのは難しいの作動を可能にする優れた操縦性を持っていないということです。さらに、ポリマートリガーを適切に選択することによって、刺激応答挙動がロボット工学や手術に関連の自律機能を有効にするには、酵素42を含む刺激の範囲で有効にすることができます。
特別な利害関係は宣言されません。
我々は、助成金のCMMI 0854881と1066898 CBETを通してNSFから資金を認める。著者らは、役立つ提案についてマタイMullensに感謝します。
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| 試薬の名称 | 会社 | カタログ番号 | 注釈 |
| 950ポリメタクリル酸メチル(A11) | マイクロケム | M230011 | 犠牲層 |
| クロムメッキされたタングステンロッド | RDマティス·カンパニー | CRW-2 | Crの蒸発源 |
| 銅スラグ | Alfa Aesar社 | 7440-50-8 | Cuの蒸発源 |
| ゴールドスラグ | Alfa Aesar社 | 7440-57-5 | 金のために蒸発源 |
| SPR 220 7.0 | ローム·アンド·ハース | 10016640 | ポジ型フォトレジスト |
| Sの1800シリーズのフォトレジスト | ローム·アンド·ハース | 正の電話hotoresist | |
| Megaposit MF-26開発者 | ローム·アンド·ハース | 10016574 | SPR 220 7.0フォトレジスト用現像液 |
| Microposit 351開発者 | ローム·アンド·ハース | 10016653 | Sの1800シリーズのフォトレジスト用現像液 |
| スルファミン酸ニッケル | テクニック株式会社 | 030175 | Niのめっき液 |
| テクニはんだメイトNF 820 40分の60 RTU | テクニック株式会社 | 330681 | のPb-Snヒンジ用めっき液 |
| APSは100銅エッチング液 | Transeneカンパニー株式会社 | 021221 | 銅エッチング液 |
| CRE 473クロムエッチング液 | Transeneカンパニー株式会社 | 040901 | クロムエッチング液 |
| 1 - メチル-2 - ピロリジノン(NMP) | シグマアルドリッチ | M79603 | 自己折りたたみ基づくのPb-Snの蝶番のための高沸点有機溶剤 |
| Indalloy 5RMAフラックス | アメリカのインジウム·コーポレーション | FL28372 | はんだ表面をきれいにし、良いのPb-Snリフロー用酸化を阻害する化学物質 |
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