コバレント有機骨格（COF）のマイクロ流体ベースの合成：COF繊維の連続生産と表面への直接印刷のためのツール

このアプローチの全体的な目的は、マイクロフルイディクスベースのプラットフォームを用いて、表面にプリントして2Dおよび3D構造を構築できる共分散有機構造体（COF）の連続繊維を製造する方法を実証することです。共分散有機構造体の合成において著しい進歩があったにもかかわらず、これらの材料の加工性を向上させる手法の開発は依然として課題となっており、本アプローチは非常に有望です。本手法は、共分散有機構造体の連続繊維を製造するための斬新な合成アプローチを導入することで、これらの材料の加工性を高め、結晶性材料の分野に効果的に貢献します。

デバイスの作製を開始するため、ドラフトチャンバー内で、4インチシリコンウェハーから作製したシリコンマスターモールドを真空デシケーターに入れます。100 µLのトリメチルシリルクロリドをガラスバイアルに分注し、そのバイアルを真空デシケーターに入れます。デシケーターを密閉し、真空状態にします。

トリメチルシリルクロリドの蒸気がマスターモールドの表面に堆積するまで1時間放置します。その後、デシケーターをゆっくりと開いて排気します。シラン化されたマスターモールドを取り出し、デシケーターを閉じます。

シラン処理した型を密閉容器または層流クリーンベンチ内で保管します。次に、使い捨てカップの中で、プラスチック製スパチュラを用いてPDMSエラストマーと硬化剤を10:0.9の重量比で混合します。混合物を真空デシケーターに入れ、30分間脱気します。

次に、各フレームがモールド上の単一のパターンを囲むように、4つのPTFEフレームをマスターモールド上に慎重に配置します。PTMS混合液を、満杯になるまでフレーム内およびモールド上に注ぎます。PDMSをオーブンで70 degrees celsiusで2時間硬化させた後、モールドをオーブンから取り出し、ラミナーフローフード内でPDMSチップを室温まで冷却させます。

冷却後、型からフレームを慎重に手で取り外します。フレームからPDMSチップをそっと滑らせて取り出します。1.5 millimeterの生検パンチを使用して、チップのマイクロ流体チャネルの端に、入口および出口の穴を開けます。

チップから余分なPDMSを取り除き、チップおよびカバーガラスの表面を粘着テープで洗浄します。洗浄したチップを、開放されたチャネルを上に向けて、4枚のガラスカバースリップと共にプラズマ発生器に入れます。サンプルチャンバー内を真空にし、発生器を1分間作動させます。

次に、チャンバー内を排気し、プラズマ処理したチップとカバーガラスを取り出します。チャンネルの開口部を下に向けて、チップをカバーガラスに軽く押し付け、各チップを処理済みのカバーガラスに接合します。得られたマイクロ流体チップを70 degree celsiusのオーブンに少なくとも4時間置き、PDMSとガラスの接合を強化します。

合成の準備を始めるため、酢酸に溶解した40 mMのBTCAを3 mL、5 mLシリンジに採取します。同様に、酢酸に溶解した40 mMのTAPBを3 mL、別の5 mLシリンジに採取します。内径0.8 mmのPTFEチューブを使用し、チューブの一端をそれぞれのシリンジに接続します。

両方のシリンジをシリンジポンプに取り付けます。次に、2本の5 mLシリンジに酢酸を満たし、内径0.8 mmのPTFEチューブを使用して、片側からシリンジにチューブを接続します。これらのシリンジをシリンジポンプに固定します。

次に、単層4チャンネルマイクロ流体チップを用意します。PTFEチューブの反対側をマイクロ流体デバイスの入口に接続し、シリンジを外側チャンネルの入口に接続します。15 centimeterの長さのPTFEチューブをチップの出口に接続します。

チューブの末端を、10 millilitersの酢酸が入った60 millimeterのペトリ皿に固定します。ペトリ皿の隣にガラスカバースリップを配置します。各シリンジポンプの流量を100 microliters per minuteに設定し、ポンプを開始します。

チップ内でのMF-COFファイバーの形成をモニタリングしながら、流量が安定するまで1分間待ちます。酢酸の流量を変更し、出口チューブを確認してください。BTCAおよびTAPBの流量に対して酢酸のシース流が速すぎる場合、MF-COFファイバーのマイクロ構造サスペンションが希釈されすぎてしまい、連続的なファイバーを形成できなくなります。

試薬の流量に対して酢酸のシース流が低すぎると、高濃度のMF-COFファイバーにより出口チューブが詰まります。各シリンジの流量を100 microliters per minuteに設定し、流れが安定するまで1分間待ちます。流れが安定し、連続的なMF-COFファイバーが出口チューブの端に到達したら、チューブの端を表面から数ミリ上の位置で保持してください。

チューブをゆっくりと動かし、MF-COF構造を形成させます。MF-COFの微視的な組織に由来する適切な機械的特性により、MF-COFファイバーを用いて基材上に2Dおよび3D構造をコンフォーマルに作成することが可能です。チューブを表面から2〜3 cmゆっくりと引き上げ、自立した安定なMF-COFファイバーを作製します。

チューブをゆっくりと下げ、カバースリップ上に2Dまたは3D構造を直接描き続けます。MF-COFファイバーは、4チャンネルのマイクロ流体デバイスを用いてTAPBとBTCAから合成されました。走査電子顕微鏡による観察の結果、ファイバーは相互に連結したマイクロおよびナノファイバーで構成されており、2Dおよび3D構造のプリントに必要な機械的特性を付与する3Dスポンジ状の多孔質構造を形成していることが示されました。

2D MF-COF構造は、ファイバーが連続的に生成される間に形状を描くことで、ガラス表面上にプリントされました。プリントプロセスの相対的な精度は、ガラス上への文字書き実験によってさらに強調されました。パターンを重ねて描いた際にファイバー同士が融合しなかったため、3D構造のプリントが可能となりました。

ガラスに加えて、MF-COF構造はティッシュペーパー、段ボール、アルミ箔、およびポリスチレン上にもプリントされました。この手順を行う際は、マイクロ流体デバイスの作製におけるすべての工程を層流クリーンベンチ内で実施し、酢酸の取り扱いを含むすべての合成工程をドラフトチャンバー下で行うことに留意してください。本技術の開発により、結晶性材料分野の研究者が、結晶性繊維やさまざまな基板で作られた2Dおよび3D構造の高度なパターニングを必要とする新しい技術的応用の探索への道が開かれます。

このビデオを視聴することで、マイクロ流体プラットフォームを用いて共有結合性有機構造体（COF）の連続繊維を合成する方法と、作製した繊維をプリントして2Dおよび3D構造体を構築する方法について、十分に理解することができます。