Name: Free-form Light Actuators - Fabricage en Controle van de Aandrijving in microscopische schaal (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-05-25T15:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 17 s
Description: Leer een tweestaps laserprocedure om lichtgestuurde elastomeermicrostructuren te fabriceren met gecontroleerde moleculaire oriëntatie. Deze methode biedt toepassingen in microbiotica en microfluidica.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Het onderzoek leidt tot deze resultaten heeft financiering ontvangen van de European Research Council in het kader van het zevende kaderprogramma van de Europese Unie (FP7 / 2007-2013) / ERC subsidieovereenkomst n o [291349] op fotonische micro robotica en van IIT SEED project Microswim. We hebben ook steun van de Ente Cassa di Risparmio di Firenze te erkennen. Wij danken de hele Optics van Complexe Systemen groep bij LENS voor feedback en discussies.

Let op: Dit protocol bestaat uit drie stappen: IP-L rooster voorbereiding op LC moleculaire oriëntatie, DLW in de LCE en lichte bediening karakterisering. Het schema van directe schrijflaserlicht wordt getoond in figuur 1, terwijl de micro-manipulatiesysteem wordt getoond in figuur 5. 1. IP-L raspen Patroon Bereiding <ol><li> Neem een ​​microscoop deksel slide (3 cm in diameter), en maak het schoon met aceton met behulp van lens weefsels. </li><li> Plaats wat spacers (glazen microbolletjes) met behulp van een metalen punt op 3 verschillende punten van het glaasje ongeveer 0,5 cm afstand van het centrum. </li><li> Plaats een microscoopglaasje (1 cm in diameter) op de bovenkant van de afstandhouders. Gebruik een tip om voorzichtig op op de bovenkant van de bovenste glasplaatje. </li><li> Een druppel (ongeveer 2 pl) van UV-uithardende lijm op drie verschillende punten respectievelijk de rand van de bovenste glasplaat. </li><li> Voordat de lijm dringt door teveel into het gat, gebruikt UV licht om de lijm stollen. De cel wordt nu gevormd. </li><li> Een druppel (ongeveer 10 ui) van IP-L hars op de grens van de cel met een pipet. Wacht enkele minuten tot het volume is geïnfiltreerd in het gehele gebied van de cel. </li><li> Gebruik lijm om de cel op het monster houder vast te stellen en plaats deze in de directe laser schrift. </li><li> Kies een 100X doelstelling, en vind de interface op het bovenste inwendige oppervlak, gevolgd door tilt correctie op dit oppervlak. </li><li> Schrijf de structuren van ontworpen IP-L rooster patronen met een laservermogen en een scansnelheid van 6 mW en 60 um / sec, respectievelijk. Het rooster patronen worden gemaakt door IP-L curve of rechte lijnen. </li><li> Herhaal stappen 1,8 en 1,9 op het onderste binnenoppervlak. </li><li> Haal de cel, en dompel het monster in een 2-propanol bad zonder het openen van de cel, voor 12-24 uur. </li><li> Haal de cel uit het oplosmiddel en droog het op de hete plaat (50 ° C) gedurende 10 - 20 min. </li></ol> 2. LCE microstructuur Fabrication <ol><li> Meet ~ 300 mg monomeermengsel De weegschaal. De moleculaire samenstelling in tabel 1. </li><li> Doe de voorbereide mengsel in een glazen fles, en zet het op een hete plaat set bij 70-80 ° C. </li><li> Wacht tot het poeder smelt, voeg een magnetische roerder en meng het mengsel gedurende 1 uur (90-150 rpm). </li><li> Plaats de cel op de hete plaat bij 60 ° C. </li><li> Een druppel (ongeveer 20 ui) van het mengsel aan de rand van het kleine glasplaatje en wacht totdat de vloeistof infiltreert in de cel. </li><li> Breng de cel om de optische microscoop met een gekruiste polarisator en een temperatuurregelaar. Houd alles in het donker tijdens de overdracht, en zet een oranje filter voor de lamp om te filteren op de UV. </li><li> Verhoog de temperatuur van de cel boven 60 ° C met een temperatuurregelaar op de microscoop, dan dalen de temperatuur (2-10 ° C per minuut), Het temperatuurbereik LC fase meten. Een mengsel met verschillende moleculaire samenstelling een andere temperatuur LC fase. Een goede homogene nematische LC fase kan worden herkend door het observeren van het beeldcontrast inversie tijdens het draaien van het monster elke 45 ° ten opzichte van de polarisator as. </li><li> Bevestig de cel op het monster houder, plaats deze in het DLW-systeem, en de temperatuur van de LC fase te bereiken (gemeten in stap 2.7). </li><li> Vind de interface aan de onderzijde binnenkant en het uitvoeren van de kanteling correctie met behulp van een 100X doelstelling, of een 10X objectief, zonder het vinden van de interface. </li><li> Schrijf LCE structuren door gebruik van DLW met een laservermogen en een scansnelheid van 4 mW en 60 um / sec op de onderste glasplaatje met 100X objectief. Anders, te gebruiken met een laservermogen en een scansnelheid van 14 mW en 60 um / sec met behulp van 10X objectief (LCE structuur wordt gefabriceerd door het gehele monster dikte). </li><li> Haal de cel, en gebruik een mes omOpen de celverwijderingsorganen de bovenste glasplaatje. </li><li> Dompel de structuren in tolueen bad gedurende 5 minuten. </li><li> Neem het monster, en droog in de lucht gedurende 10 min. </li></ol> 3. Karakterisering van Licht Aansturing van LCE Microstructuren <ol><li> Het monster wordt in de optische microscoop (20X) en focus een laserstraal (CW, 532 nm, 50-500 mW) van 10X objectief op de structuren. </li><li> Let op licht geïnduceerde vervorming door de optische microscoop CMOS-camera (frame rate 25,8 fps). </li><li> Gebruik handmatige bediening van het micro-manipulatiesysteem (figuur 5) aan het glas tip op een plaats nabij het ​​LCE microstructuren zetten. </li><li> Schakel de laser op een minimum (~ 20 mW), teneinde de temperatuur van de LCE verhogen (door lichtabsorptie), en dus verzachten de structuur. </li><li> Gebruik een glas tip op te pikken één LCE microstructuur, en houd hem in de lucht. Dit proces is nodig om de hechting van glasoppervlak te voorkomen. </li><li> vate de laser om het hoge vermogen (&gt; 100 mW), en let op de LCE structuur vervormen. </li><li> Noteer het licht geïnduceerde vervorming met de microscoop camera. </li></ol>

<ol><li>Tanaka, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biological+cells+on+microchips%3A+New+technologies+and+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Biosens.+Bioelectron%22%5BJournal%5D)">Biological cells on microchips: New technologies and applications.</a> Biosens. Bioelectron. 23, 449-458 (2007).</li>
<li>Hierold, C., Jungen, A., Stampfer, C., Helbling, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nano+electromechanical+sensors+based+on+carbon+nanotubes%5BTitle%5D)+AND+%22Sensor.+Actuator.+A-Phys%22%5BJournal%5D)">Nano electromechanical sensors based on carbon nanotubes.</a> Sensor. Actuator. A-Phys. 136 (1), 51-61 (2007).</li>
<li>van Oosten, C. L., Bastiaansen, C. W. M., Broer, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Printed+artificial+cilia+from+liquid-crystal+network+actuators+modularly+driven+by+light%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Mater%22%5BJournal%5D)">Printed artificial cilia from liquid-crystal network actuators modularly driven by light.</a> Nat. Mater. 8, 677-682 (2009).</li>
<li>Ulijn, R. V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bioresponsive+hydrogels%5BTitle%5D)+AND+%22Mater.+today%22%5BJournal%5D)">Bioresponsive hydrogels.</a> Mater. today. 10 (4), 40-48 (2007).</li>
<li>Roy, D., Cambre, J. N., Sumerlin, B. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Future+perspectives+and+recent+advances+in+stimuli-responsive+materials%5BTitle%5D)+AND+%22Prog.+Polym.+Sci%22%5BJournal%5D)">Future perspectives and recent advances in stimuli-responsive materials.</a> Prog. Polym. Sci. 35 (1-2), 278-301 (2010).</li>
<li>Zeng, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-Resolution+3D+Direct+Laser+Writing+for+Liquid-Crystalline+Elastomer+Microstructures%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.Mater%22%5BJournal%5D)">High-Resolution 3D Direct Laser Writing for Liquid-Crystalline Elastomer Microstructures.</a> Adv.Mater. 26 (15), 2319-2322 (2014).</li>
<li>Ohm, C., Brehmer, M., Zentel, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Liquid+Crystalline+Elastomers+as+Actuators+and+Sensors%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Liquid Crystalline Elastomers as Actuators and Sensors.</a> Adv. Mater. 22 (31), 3366-3387 (2010).</li>
<li>Zeng, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Alignment+engineering+in+liquid+crystalline+elastomers%3A+Free-form+microstructures+with+multiple+functionalities%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Alignment engineering in liquid crystalline elastomers: Free-form microstructures with multiple functionalities.</a> Appl. Phys. Lett. 106 (11), 111902(2015).</li>
<li>Malinauskas, M., Farsari, M., Piskarskas, A., Juodkazis, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrafast+laser+nanostructuring+of+photopolymers%3A+A+decade+of+advances%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rep%22%5BJournal%5D)">Ultrafast laser nanostructuring of photopolymers: A decade of advances.</a> Phys. Rep. 533 (1), 1-31 (2013).</li>
<li>Liu, D., Bastiaansen, C. W. M., den Toonder, J. M. J., Broer, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Photo-switchable+surface+topologies+in+chiral+nematic+coatings%5BTitle%5D)+AND+%22Angew.+Chem.+Int.+Edit%22%5BJournal%5D)">Photo-switchable surface topologies in chiral nematic coatings.</a> Angew. Chem. Int. Edit. 51 (4), 892-896 (2012).</li>
<li>Yang, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Micron-sized+main-chain+liquid+crystalline+elastomer+actuators+with+ultralarge+amplitude+contractions%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Micron-sized main-chain liquid crystalline elastomer actuators with ultralarge amplitude contractions.</a> J. Am. Chem. Soc. 131 (41), 15000-15004 (2009).</li>
<li>Yan, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Light-switchable+behavior+of+a+microarray+of+azobenzene+liquid+crystal+polymer+induced+by+photodeformation%5BTitle%5D)+AND+%22Macromol.+Rapid+Commun%22%5BJournal%5D)">Light-switchable behavior of a microarray of azobenzene liquid crystal polymer induced by photodeformation.</a> Macromol. Rapid Commun. 33 (16), 1362-1367 (2012).</li>
<li>Liao, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Alignment+of+liquid+crystal+molecules+in+a+micro-cell+fabricated+by+femtosecond+laser%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Alignment of liquid crystal molecules in a micro-cell fabricated by femtosecond laser.</a> Chem. Phys. Lett. 498, 188-191 (2010).</li>
<li>Zeng, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Light-fueled+microscopic+walkers%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Light-fueled microscopic walkers.</a> Adv. Mater. 27, 3883-3887 (2015).</li>
<li>Flatae, A. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optically+controlled+elastic+microcavities%5BTitle%5D)+AND+%22Light%3A+Science+%26+Applications%22%5BJournal%5D)">Optically controlled elastic microcavities.</a> Light: Science & Applications. 4, 282(2015).</li>
</ol>

De auteurs verklaren dat ze geen concurrerende financiële belangen hebben.

IP-L-micro rooster oriëntatie techniek is geïntegreerd met DLW tot vloeibaar kristallijne monomeren oriënteren. De vervolgens-laser geschreven LCE micro-structuren kunnen ook worden gevormd met de ontworpen aanpassing in de micro-schaal. Deze techniek stelt ons in staat om verbinding LCE elementen die meerdere functionaliteiten kunnen ondersteunen. Met een uitstekende mogelijkheid om nauwkeurige 3D microstructuren en controle bediening creëren, verwachten we deze techniek te gebruiken voor het maken van elastomeren gebaseerd microscopische robots 14 en het openen van een overvloed aan nieuwe strategieën voor het verkrijgen van licht afstembare inrichtingen 15. Er zijn twee belangrijke stappen bij de bereiding. De eerste is dat de twee glazen van de cel strak moet worden gelijmd (stap 1,4, 1,5). De UV uithardende lijm behoudt de stabiliteit van de celgeometrie tijdens de ontwikkeling: de beweging van een glas van de cel ten opzichte van de andere resulteert in een aanpassing van de slechtsteLCE. Ten tweede moet de laser schrijfsnelheid tijdens het schrijven LCE structuur zo hoog mogelijk terwijl 100x objectief gekozen worden. Door de sterke zwelling LCE tijdens de laser schrijfproces, zou de gezwollen structuur van de bedoelde positie bewegen, waardoor de kwaliteit van de gefabriceerde actuators beïnvloeden. In sommige gevallen wordt het licht geïnduceerd vervormbaarheid waargenomen vertoont op structuren. Dit kan te wijten aan de kleurstofbleekoplossing onder hoge lichtintensiteit. Zodra de kleurstofmoleculen zijn uitgeschakeld, de LCE structuur zich gedraagt ​​als een transparant medium, en de lichtabsorptie / licht geïnduceerde vervorming wordt onderdrukt. Een lagere laservermogen zou veiliger voor het bedienen van LCE microstructuren zijn. Er zijn ook enkele nadelen van deze werkwijze. Enerzijds het hele proces duurt relatief lang. Om de celconfiguratie, de eerste IP-L ontwikkelingsproces (door onderdompelen van het handhaven sample in een bad met oplosmiddel) uitgevoerd in 2-proponal uitgevoerd zonder de cel. De ontwikkeltijd is dus afhankelijk van de celgrootte en de dikte van de ruimte, en vergt gewoonlijk 12-24 uur. het IP-L rooster met andere laser beschrijfbare patronen, zoals laser-geïnduceerde ablatie patroon en laser-geïnduceerde chemisch gemodificeerd oppervlak worden vervangen, kan resulteren in LC uitlijning en in een grote reductie van de fabricage tijd. Ten tweede, LCE is een zachte materie die altijd lijdt hechting op het glassubstraat. Licht geïnduceerde vervorming onderdrukt wanneer de microstructuren plakken op het oppervlak. Ten derde wordt de hoogte van de constructie beperkt door de dikte van de cel en de doelstelling werkafstand. In het laser schrift, de maximale hoogte is ongeveer 100 urn. Recent ontwikkelde 3D printtechnieken zou een goede kandidaat voor het creëren van licht bediend LCE structuur van mesoscopische tot macroscopische schaal. Echter, het handhaven van de moleculaire oriëntatie tijdens polymerisatie kanzijn de belangrijkste punt van zorg. Deze techniek is uniek omdat maakt het mogelijk om 3D free-form actuators in het echt microschaal, wat niet mogelijk is met andere bestaande technieken te verkrijgen. LCE microstructuren kunnen worden gevormd met verschillende moleculaire oriëntaties en functionaliteiten. Implementatie van dergelijke techniek door verdere chemische technologie, in staat zal stellen om de actuatoren die gevoelig zijn voor andere stimulus bronnen te maken en zal leiden tot een efficiënte microrobots en zachte fotonische devices te ontwikkelen.

Actuatoren zijn microscopische structuren die externe energie kan overbrengen naar de werking van een ander of -systeem. Door de compacte afmetingen en capaciteiten afstandsbediening, zijn zij op grote schaal gebruikt in lab-on-chip systemen 1, micro-sensing 2 en 3 micro robotica. De aandrijvingen tot op heden beschikbare alleen eenvoudige handelingen, zoals zwelling / instorting in een hydrogel matrix 4, contractie / 5 buigen in een richting met de externe gebied uit te voeren. Hoewel de recent ontwikkelde technieken zijn nodig om microscopische schaal bedieningsmechanisme structuren 6 fabriceren, is het nog steeds een grote uitdaging om deze bedieningen controle in dezelfde lengte schaal. Dit artikel meldt een methode voor te bereiden 3D-licht te activeren microstructuren met een regelbare bediening eigenschappen. De techniek is gebaseerd op directe schrijflaserlicht (DB), en wordt aangetoond in vloeibaar kristallijne elastomeren (LCEs). LCEs zijn soft polymeren kammen het eigendom van elastomeer en vloeibaar kristallijne oriëntatie. Deze materialen zijn in staat om grote deformatie (20-400%) onder verschillende types van externe stimuli 7. Het voordeel van LCEs voor actuatoren is het gemak van techniek moleculaire orde in de structuren, die zorgt voor het regelen van de bediening van de microscopische schaal 8. LC-monomeren worden gesynthetiseerd met acrylaat eenheid, zodat één enkele stap foto-polymerisatie. Deze eigenschap geeft toegang tot verschillende typen lithografische technieken voor de productie van 3D microstructuren. Azokleurstoffen als foto reagerende moleculen worden gekoppeld aan het polymeernetwerk door co-polymerisatieproces. Dergelijke moleculen combineren hun sterke lichte reactie vermogen (trans naar cis isomerisatie) met het licht veroorzaakte opwarming van het systeem bieden licht gecontroleerde vervorming. DLW is een techniek om polymeerstructuren in een fotogevoelige materialen krijgenal door ruimtelijke controle van een gefocusseerde laserbundel 9. DLW maakt de creatie van 3D free-form structuren in LCE zonder verlies van de moleculaire uitlijning 6. Er zijn verschillende voordelen van DB in de fabricage van LCE microactuatoren. Ten eerste kan de resolutie van de submicron schaal te bereiken, en de structuren zijn echt 3D-6. Eerder gemeld LCE micro fabricagemethoden, bijv., Gemaskerde blootstelling 10 en replica gieten 11, op voorwaarde dat de resolutie tot ongeveer 10 pm en alleen 2D-geometrie. Ten tweede DLW is een contactloze fabricageproces. Een geschikt oplosmiddel kan een hoge kwaliteit constructies handhaven van de ontworpen configuratie te ontwikkelen. Replica molding techniek geeft zelden sub-micron resolutie van 12 en de structurele kwaliteit is moeilijk te controleren. Ten derde, laser schrijven biedt veelzijdige mogelijkheden voor lokale LC oriëntatie op de microscopische schaal 8,13. Tussen de verschillende soorten LC oriëntatie technieken, wrijven is het most efficiënte manier om LC moleculen oriënteren en is op grote schaal gebruikt bij het opstellen van de LCE dunne film. Dit wordt algemeen bereikt door wrijving met polymeerlagen aan microgroeven op de binnenoppervlakken van een cel geïnfiltreerd door LC van monomeren. Door het oppervlak verankering ervan, zoals microgroeven kunnen de LC moleculen langs de groef richting oriënteren. DB maakt de directe vervaardiging van de microgroeven op de geselecteerde regio in de vooraf ontworpen richting veel hogere nauwkeurigheid. Al deze eigenschappen maken DLW een perfecte, unieke techniek van vervaardiging en controle van bediening in de microscopische schaal. Gebaseerd op DLW kan LCE microstructuren gevormd worden met verschillende moleculaire oriëntaties. Met verbinding afstemming binnen één LCE structuur, multifunctionele bedieningen mogelijk geworden. De werkwijze kan worden gebruikt voor de productie van LCE microactuators met enige vorm van LC monomeermengsel. Door verdere chemische technologie, is het mogelijk om het teactuators gevoelig zijn voor andere stimulus bronnen, bijv., vochtigheid of verlichting op verschillende golflengte.

<table><tbody><tr><td>Moleculair: LC monomeer</td><td>SYNTHON Chemicals GmbH &amp; Co. KG</td><td>ST03866</td><td>~78 mol% in het mengsel</td></tr><tr><td>Moleculair: LC crosslinker</td><td>SYNTHON Chemicals GmbH &amp; Co. KG</td><td>ST03021</td><td>20 mol% in het mengsel</td></tr><tr><td>Moleculair: Azo kleurstof</td><td>Synthese verwijzend naar Ref. 6</td><td></td><td>1 mol% in het mengsel. Lichtgevoelige component, kan worden uitgesloten bij de fabricage voor warmtedreven actuatoren.</td></tr><tr><td>Moleculair: Initiator</td><td>Sigma</td><td>Irgacure 369</td><td>1 - 2 mol% in het mengsel</td></tr><tr><td>Spacer</td><td>Thermo scientific</td><td></td><td>Microsfeer met diameter van 10 tot 100 &micro;m.</td></tr><tr><td>IP-L</td><td>Nanoscribe GmbH</td><td></td><td></td></tr><tr><td>UV-hardende lijm</td><td>Zelfgemaakt</td><td></td><td>IP-L met 1 wt% initiator (Irgacure 369)</td></tr><tr><td>Microscoopdekglas</td><td>MENZEL-GL&Auml;SER</td><td></td><td>Diameter: 1 of 3 mm, Dikte: 0,16 - 0,19 mm</td></tr><tr><td>UV LED-lamp</td><td>Thorlabs</td><td>M385L2-C4</td><td>Golflengte: 385 &#177; 10 nm</td></tr><tr><td>532 nm laser</td><td>Shanghai Dream Lasers</td><td>SDL-532-500T</td><td>500 mW laser</td></tr><tr><td>Direct Laser Writing-systeem</td><td>Nanoscribe GmbH</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Hot plate</td><td>Linkam Scientific Instruments Ltd.</td><td>PE120</td><td>Temperatuurbereik: -20 tot 120 &deg;C</td></tr><tr><td>Microscoop</td><td>Zeiss</td><td>Axio Observer A1</td><td>Met gekruiste polarisatoren</td></tr><tr><td>Micro-manipulator</td><td>Narishige</td><td>MHW-3</td><td></td></tr></tbody></table>

free-form light actuators - fabricage en controle van de aandrijving in microscopische schaal

Free-form Light Actuators &#8212; Fabrication and Control of Actuation in Microscopic Scale

Vloeibaar kristallijne elastomeren (LCEs) zijn slimme materialen die omkeerbare vorm-veranderingen in reactie op externe stimuli, en aandacht onderzoekers hebben getrokken op vele gebieden. De meeste studies gericht op macroscopische LCE structuren (films, vezels) en hun miniaturisatie nog in de kinderschoenen. Recent ontwikkelde lithografische technieken, bijv. Blootstelling masker en replica vormen, staan ​​alleen voor het maken van 2D constructies op LCE dunne films. Direct laser schrijven (DLW) opent de toegang tot echte 3D-fabricage in de microscopische schaal. Echter, het regelen van de aandrijving topologie en dynamica tegelijk lengteschaal blijft een uitdaging. In dit artikel beschrijven we een methode om de vloeibare kristal (LC) moleculaire uitlijning in LCE microstructuren willekeurige driedimensionale vorm beheersen. Dit werd mogelijk gemaakt door een combinatie van directe schrijflaserlicht zowel LCE structuren en patronen voor micrograting inducerenlokale LC uitlijning. Verschillende soorten raster patronen werden gebruikt om verschillende LC uitlijningen, die vervolgens in de LCE structuren kunnen worden gevormd introduceren. Dit protocol maakt het mogelijk om LCE microstructuren te verkrijgen met gemanipuleerde afstemmingen in staat om meerdere opto-mechanische aandrijving uit te voeren, waardoor ze zo goed in staat om meerdere functionaliteiten. Aanvragen kunnen worden voorzien op het gebied van instelbare fotonica, micro-robotica, lab-on-chip technologie en anderen.

Figuur 1 toont de optische set-up voor laser schrijven. Het systeem bestaat uit een 780 nm fiber laser genereren van 130 FSEC puls op de herhaling snelheid van 100 MHz. De laserbundel wordt gereflecteerd in een telescoop aan het balkprofiel passen aan de optische microscoop objectief opening waar het wordt gefocusseerd in het monster. Op de microscoop wordt een 3D piëzo podium geïnstalleerd met een 300 x 300 x 300 urn 3 actieradius voor proefvertaling met een maximale snelheid van 100 pm / s bij een resolutie van 2 nm. Lineair gepolariseerd licht van een rood licht verlicht het monster uit de top, terwijl het beeld aan de onderkant van hetzelfde doel wordt verzameld en gereflecteerd door bundelsplitser een CCD camera. Voor de camera is een polarisator gebruikt ter verlichting gepolariseerd contrast verbetert verkrijgen. Figuur 2 toont het scanning electron microscoop (SEM) beelden van de met laser IP-L micrograting patronen (stap 1). De groef afstand in het traject van 400 - 1200 nm, terwijl de hoogte van de groeven (top tot dal) is ongeveer 700 nm. Rooster patronen met verschillende oriëntaties kunnen verschillende uitlijningen LC opwekken, afhankelijk van de gewenste bediening LCE element. Figuur 3 toont de LC monomeer oriëntatie geïnduceerd door de IP-L raster patronen (stap 2,7). Eerst worden vier soorten micro-roosterpatroon met 100 x 100 pm2 maat elk werden vervaardigd aan weerszijden van een glazen cel (schematisch weergegeven in figuur 3a). Als gevolg van de oppervlakte verankering, hebben de geïnfiltreerd LC-monomeren georiënteerd samen met het rooster lijnen richting, waardoor het tentoonstellen van 45 ° contrast inversie in de gepolariseerde optische microscoop (POM) image (Figuur 3b). Figuur 4 toont de SEM foto van een LCE nano dot / lijn gefabriceerd op IP-L raster netwerken met verschillende oriëntatie (stap 2.10). Binnen het raster netwerk LCE structuren worden meerdere afgebakende, met veel hogere weerstand tegen de ontwikkeling in tolueen. Een minimale breedte van de losgemaakte LCE is gemeten op ~ 300 nm, wat overeenkomt met de resolutie van DLW zonder roosterpatroon zijn. Een andere interessante benadering voor fotonische toepassing zou de ontwikkeling van grootschalige periodieke structuur. Figuur 4 (c, d) toont 2D LCE periodieke structuren binnen een micro-rooster netwerk. De positioneringen zijn goed geconserveerd binnen deze nanostructuren zoals getoond in de ingevoegde POM beelden van figuur 4 (c, d). Echter, kan door licht geïnduceerde deformatie niet worden verkregen die nanostructuren. Dit komt omdat in de IP-L raspen, de nano-LCE elementen zijn zeer beperkt en de hechting voorkomt zichtbare vervorming. </p&gt; De micro manipulatie is gebaseerd op een zelfgemaakte gereflecteerde microscoop en wordt schematisch weergegeven in figuur 5. Een 10X objectief is bevestigd aan een buis lens geplaatst op een verticaal staande optische breadboard. Een 730 nm IR LED lichtbron voor de verlichting via een niet-gepolariseerde bundelsplitser. Het gereflecteerde beeld wordt verzameld door hetzelfde doel en geprojecteerd op de camera. Een dichte toestand 532 nm laser is in de doelstelling gekoppeld door een lange pass dichroïsche spiegel (50% transmissie en reflectie bij 567 nm) bij een invalshoek van 45 °. Een power meter meet de doorgaande bundel na de dichroïsche spiegel voor real time detectie van laservermogen. Een losjes gefocusseerde laserspot van ~ 150 urn een doorsnede maximale verlichtingssterkte van ~ 10 W / mm2. Laser intensiteit wordt geregeld door een variabele grijsfilter geplaatst voor de laser. Onder de doelstelling, een 3D-handleiding translation fase wordt gebruikt voor proefvertaling. Een verwarmingsstap de translatietrap geïnstalleerd wordt gebruikt voor een nauwkeurige controle van de monstertemperatuur binnen een bereik van -20 tot 120 ° C met 0,5 ° C nauwkeurigheid. Twee glazen tips gemonteerd op twee handmatige vertaling trappen zijn geplaatst aan de linker en rechterkant, bij de monsterpositie. Structuur micro manipulatie kan worden gerealiseerd door voorzichtig bewegen van de uiteinden met behulp van de vertaling fasen. Om de uitlijning en vervorming correlatie aan te tonen, fabriceren we vier LCE cilindervormige structuren met 60 micrometer diameter en 20 urn hoogte. Deze cilinders zijn geschreven op vier verschillend georiënteerde IP-L rooster regio&#39;s (1 micrometer periode). Onder licht excitatie, de kleurstoffen in de LCE licht absorberen energie en over te dragen in het netwerk. De LCE structuren worden opgewarmd en vervolgens ondergaan faseovergang (nematisch naar isotroop). Dergelijke faseovergang wordt ook bevorderdde trans cis isomerisatie van de kleurstof onder dezelfde licht stimuli. Zo, de structuren contract langs de originele LC uitlijning directeur en uit te breiden in de loodrechte richting 7. Afhankelijk van de verschillende lokale uitlijning geïnduceerd door de IP-L roosters, deze structuren vervormen langs verschillende richtingen, zoals weergegeven in figuur 6 (stap 3,1). Deze techniek maakt de creatie van verbinding actuatoren, die meer dan één type uitlijning in één enkele structuur bevatten. Een 400 × 40 × 20 micrometer 3 formaat LCE streep met twee secties van uitlijnpatroon werd vervaardigd, zoals schematisch in figuur 7 getoond (a). Die afstemming rubrieken bevatten elk een 90 ° gedraaide oriëntatie in een andere richting. Het oppervlak met parallelle uitlijning contracten, terwijl degene met loodrechte lijn breidt onder lichte verlichting. De structuur is pi geweestcked up door de Micromanipulatie systeem, en in de lucht gehouden door een glas tip. Dubbele buiging werd waargenomen onder lichte verlichting (Stap 3.3). Een gemoduleerde laserbundel (met een optische chopper) kan cyclische vervormingen veroorzaken. LCE kan reageren na de laser modulatiefrequentie (&gt; 1k Hz). De vervorming amplitude afneemt met toenemende frequentie 14. <img alt="Figuur 1" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig1.jpg" /> Figuur 1: Optische instellen voor Direct Laser schrijven van een 780 nm laserbundel (130 FSEC pols, herhaling snelheid van 100 MHz) wordt gekoppeld in een microscoop en gericht door een microscoop objectief optisch in het monster.. Een 3D piëzo podium met 300 × 300 × 300 micrometer 3 bewegingsbereik wordt gebruikt voor de proefvertaling tijdens de belichting laser. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53744/53744fig1large.jpg" target="_blank">Klik hier om een la te bekijken</a><html> rger versie van deze figuur. <img alt="Figuur 2" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig2.jpg" /> Figuur 2:. SEM Beelden van IP-L Micro-roosters a) Unidirectionele parallelle lijn structuur. b) Radiaal rooster patroon. Schaal bar:. 10 pm <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53744/53744fig2large.jpg" target="_blank">Klik hier voor een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a> <img alt="figuur 3" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig3.jpg" /> Figuur 3:. IP-L Micro-rooster induceren LC Orientation a) Schema van de micro-rooster patronen ontworpen voor LC oriëntatie. b) POM beeld van de de LC oriëntatie geïnduceerd door de micrograting patronen. De schaal bar is 50 micrometer. De rode kleur wordt veroorzaakt door het filter dat de foto-polymerisatie voorkomt.ge.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken. <img alt="figuur 4" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig4.jpg" /> Figuur 4:. SEM afbeeldingen van LCE nanostructuren ingesloten in IP-netwerken L Grating a) en b) twee-micro rooster patronen werden vervaardigd door DB langs verschillende richtingen, terwijl LCE nanodots worden vervaardigd binnen het raster netwerk. c) en d) Periodieke LCE nanostructuren ingebed in hetzelfde type IP-L roosters. Inzetstukken zijn POM beeld van de structuren. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53744/53744fig4large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a> <img alt="figuur 5" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig5.jpg" /> Figuur 5:. Schema van de Micromanipulatie inrichten van een CW solid state 532 nm laser wordt gekoppeld in een<html> Zelfgemaakte microscoop systeem. Een 10X doelstelling wordt gebruikt voor beeldvorming en focusseren van de 532 nm laser voor excitatie. Twee handmatige vertaling podia uitgerust met glas tip manipulatoren worden gebruikt voor monster micro-manipulatie. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53744/53744fig5large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a> <img alt="figuur 6" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig6.jpg" /> Figuur 6: Lichte bediening van LCE Micro-cilinders op vier verschillende IP-L Micrograting regio&#39;s met verschillende oriëntaties a) Vier LCE cilindervormige structuren met 60 micrometer diameter en 20 urn hoogte, geschreven op vier verschillend georiënteerde micro-rooster regio&#39;s.. b) LCE cilinders vervormen langs verschillende assen (afhankelijk van het raster geïnduceerde uitlijningen) bij blootstelling aan een 532 nm laserstraling (10 W -2 mm). Schaal bar: 100 micrometer.les / ftp_upload / 53744 / 53744fig6large.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken. <img alt="figuur 7" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig7.jpg" /> Figuur 7: Licht-aangedreven Vervorming van LCE Microstructuren met Multiple Molecular Alignementen a) Schematische weergave van de twee delen van tegengestelde 90 ° verdraaide uitlijningen in één LCE streep.. b) en c) Optische beelden van een 400 pm lang LCE streep buigen in tegengestelde richtingen onder 532 nm laser verlichting (3 W mm -2) 8. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53744/53744fig7large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>

Hier fabriceren we 3D polymere micro/nanostructuren waarbij zowel de vorm als de moleculaire uitlijning met nanometernauwkeurigheid kunnen worden ontworpen door gebruik te maken van direct laserschrijven. Lichtgeïnduceerde vervorming van verschillende typen vloeibare kristallijne elastomeer microstructuren kan op microscopische schaal worden bestuurd.

Free-form Light Actuators - Fabricage en Controle van de Aandrijving in microscopische schaal

Liquid crystalline elastomers (LCEs) are smart materials capable of reversible shape-change in response to external stimuli, and have attracted ...

Het algemene doel van deze tweedelige laser-schrijfprocedure is het verkrijgen van op elastomeren gebaseerde licht activerende structuren op micrometer-schaal. De methode kan helpen om sleutelvragen te beantwoorden op het gebied van microbiotica en microfluidica. Zoals het creëren van een enkele microstructuur met complexe beweging.Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat de moleculaire oriëntatie handmatig in micro-schaal kan worden gepatternd. Hierdoor kan de specifieke vorm van activering duidelijk worden gecontroleerd. Sommige van deze methoden kunnen worden toegepast in de microbiotica, maar ze kunnen ook worden toegepast op verschillende systemen zoals het afstemmen van fotonische apparaten of materialen die reageren op verschillende stimuli.Een deel van de procedure zal worden gedemonstreerd door Daniele Martella, een postdoc uit mijn laboratorium. Om te beginnen, reinig een glasdekje met een diameter van 3 cm met aceton en lensdoek. Gebruik vervolgens een pincet of een tang om enkele glasmicrosferen op het schuifje te plaatsen, ongeveer een halve centimeter vanaf het middelpunt.Deze dienen als ruimtevullers. Plaats een microscoopglaasje met een diameter van 1 cm op de ruimtevullers en druk het voorzichtig in positie. Voeg vervolgens ongeveer twee microliter UV-hardende lijm toe in de opening tussen de schuiven op de drie verschillende punten waar de ruimtevullers zich bevinden.Voordat de lijm te ver in de opening doordringt, gebruik UV-licht om de lijm te drogen. Dit vormt de cel voor het experiment. Laat vervolgens ongeveer 10 microliter IPL-hars langs de rand van de cel druppelen.Wacht een paar minuten totdat de vloeistof het hele gebied van de cel heeft geïnfiltreerd. Bevestig vervolgens de cel op de steun met Fixo gumlijm. Plaats de constructie in het Direct Laser Writing-systeem en vind met een 100X objectief de interface op het bovenste binnenoppervlak.Maak vervolgens een kantcorrectie, omdat de schuif niet perfect horizontaal is. Schrijf nu de structuren van ontworpen IPL-gradatiepatronen met 6 milliwatt laservermogen bij 60 micrometer per seconde. De gradatiepatronen worden gemaakt met ronde of rechte lijnen.Zoek vervolgens de interface en corrigeer de kant naar het onderste binnenoppervlak. Schrijf het patroon daar ook op. Breng de cel vervolgens over naar een isopropanolbad gedurende 12 tot 24 uur.Open de cel nog niet. Droog de cel de volgende dag op een hotplate van 50 graden Celsius gedurende 10 tot 20 minuten. Begin deze procedure door ongeveer 300 mg monomeermengsel af te meten.Laad het mengsel in een glazen fles en zet deze op een hotplate ingesteld op 70 tot 80 graden Celsius om het poeder te smelten. Eenmaal gesmolten, roer het gedurende een uur tussen 90 en 150 RPM. Zodra het mengsel homogeen is, plaats de voorbereide cel op de hotplate op 60 graden Celsius en laat 20 microliter mengsel langs de rand van de kleinere glazen schuif druppelen.Laat de vloeistof in de cel bewegen. Bescherm vervolgens de schuif tegen licht en breng deze over naar de microscoop met een gekruiste polarisator en een temperatuurregelaar. Voordat u de cel belicht, bevestigt u een oranje filter aan de lamp om het UV te filteren. Verwarm vervolgens de cel tot boven 60 graden Celsius met behulp van de verwarmde stage.Verlaag nu de temperatuur met een snelheid van twee tot 10 graden Celsius per minuut om het temperatuurbereik voor de vloeibare kristalfase te meten. Observeer het monster met beeldcontrastinversie, terwijl u het 45 graden draait ten opzichte van de polarisatoras. Uiteindelijk zou een goede homogene nematische vloeibare kristalfase moeten worden opgemerkt.Bevestig vervolgens de cel op een steun voor het DLW-systeem. Laad het monster en stel de temperatuur in om de vloeibare kristalfase te bereiken. Zoek vervolgens de interface van het onderste binnenoppervlak en voer de kantcorrectie uit met behulp van een 100X objectief.Schrijf vervolgens de LCE-structuren met een laservermogen van vier milliwatt en met een snelheid van 60 micrometer per seconde. Als een 10X objectief wordt gebruikt, pas dan de laser aan op 14 milliwatt en maak je geen zorgen over het vinden van de interface. In dit geval wordt de structuur gefabriceerd tot de volledige dikte van het monster.Ontlaad vervolgens de cel en gebruik een mes om de bovenste glazen schuif te verwijderen. Nadat de bovenste schuif is verwijderd, dompelt u de structuren gedurende vijf minuten in een tolueenbad en laat u ze vervolgens gedurende 10 minuten aan de lucht drogen. Om de LCE-microstructuren te karakteriseren, plaatst u het monster in de zelfgemaakte microscoop en concentreert u een laser op de structuren met behulp van een 10X objectief.Gebruik nu een CMOS-camera om de lichtgeïnduceerde vervorming te observeren. Gebruik de handmatige bediening van het micromanipulatiesysteem om de glazen micro-tips die zich op de manipulatorarmen bevinden, dicht bij de LCE-microstructuren te brengen. Schakel nu de laser in op laag vermogen, rond de 20 milliwatt, om de temperatuur van de LCE te verhogen en dus de structuur te verzachten.Gebruik vervolgens de glazen tips om een LCE-microstructuur op te pakken en deze in de lucht te houden. Dit proces is nodig om hechting van het glazen oppervlak te voorkomen. Verhoog vervolgens het laservermogen tot meer dan 100 milliwatt.Neem vervolgens de lichtgeïnduceerde vervorming van de LCE-structuur op voor analyse. Vier LCE-cilindrische structuren, 60 micrometer in diameter en 20 micrometer hoog, werden gefabriceerd op vier verschillend georiënteerde IPL-gradatiegebieden met een periode van één micrometer. Onder lichtexcitatie absorbeerden de kleurstoffen in de LCE energie en brachten deze over in het netwerk.De structuren gingen over van nematische naar isotrope fase, samentrekking langs de oorspronkelijke LC-uitlijningsrichting en uitzetting in de loodrechte richting. Deze techniek maakt het mogelijk om samengestelde actuatoren te creëren die meer dan één type uitlijning bevatten in één enkele structuur. Bijvoorbe

free-form-light-actuators-fabrication-control-actuation-microscopic

Research

JoVE Journal

Engineering

Techniek

In dit protocol, tonen we de fabricage van een Microactuator reeks van verticaal verschoven berichten op de technologie gebaseerd is, en hoe deze basistechnologie kunnen worden gewijzigd om high-throughput mechanisch dynamische celkweek te voeren in zowel twee-dimensionale en drie-dimensionale cultuur paradigma's.

Microfabricated Platforms voor Mechanisch Dynamic Cel Cultuur

Dit artikel beschrijft het ontwerp en de fabricage van een zachte eenheid voor chirurgische manipulatoren. De basismodule omvat drie flexibele vloeistof actuatoren om omnidirectioneel buigen en verlenging te bereiken, en een korrelig jamming-gebaseerd mechanisme om stijfheidscontrole mogelijk te maken. Ook wordt een volledige mechanische karakterisering gerapporteerd.

Ontwerp en de fabricage van een elastomeer Unit voor Soft Modulaire Robots bij minimaal invasieve chirurgie

Dit manuscript toont het fabricageproces voor de vervaardiging van diëlektrische elastomere zachte actuatoren op basis van silicone membranen. De drie belangrijkste productiefasen worden in detail gepresenteerd: het gieten met een mes van dunne silicone membranen; padprinting van compliante elektroden; en de assemblage van alle componenten.

Fabricageproces van siliconen gebaseerde diëlektrische Elastomer Actuators

Nieuwe hulpmiddelen voor het mechanobiology onderzoek nodig zijn om te begrijpen hoe mechanische spanning activeert biochemische paden en lokt biologische reacties. Hier presenteren we een nieuwe methode voor selectief mechanische stimulatie van geïmmobiliseerdet dieren met een val van de microfluidic waardoor hoge resolutie beeldvorming van cellulaire reacties.

Met behulp van een Microfluidics apparaat voor mechanische stimulatie en hoge resolutie Imaging van C. elegans

Dit artikel beschrijft het proces van de microfluidic en de parameters te bereiden geregelde deeltjes uit vloeibaar kristallijne elastomeren. Dit proces maakt de voorbereiding van de bedieningsrichting deeltjes en de variatie van de grootte en de vorm (van oblate te sterk prolate, kern-shell, en Janus morphologies) evenals de omvang van de bediening.

Microfluidic voorbereiding van vloeibaar kristallijne elastomeer actuatoren

Hier presenteren we een methode van de fabricage van zachte pneumatische netwerk actuatoren met schuine chambers. De aandrijvers zijn geschikt voor het genereren van gekoppelde buigen en verdraaien bewegingen, die hun toepassing in zachte robotica verbreedt.

Fabricage van zachte pneumatische netwerk Actuators met schuine Chambers

Dit protocol beschrijft een methode voor de snelle fabricage van zachte pneumatische aandrijvingen en robots met een dunne vormfactor. De fabricagemethode begint met laminering van thermoplastisch polyurethaan (TPU) vellen gevolgd door lasersnijden/lassen van een tweedimensionaal patroon om actuatoren en robots te vormen.

Snelle fabricage van dunne zachte pneumatische aandrijvingen en robots

Dit artikel beschrijft een snel en eenvoudig productieproces van ionische elektromechanisch actieve composietmaterialen voor actuatoren in biomedische, biomimetische en zachte robotica toepassingen. De belangrijkste fabricagestappen, hun belang voor de uiteindelijke eigenschappen van de actuatoren en enkele van de belangrijkste karakteriseringstechnieken worden in detail beschreven.

Fabricage van carbon-based Ionische elektromechanisch actieve zachte actuatoren

Dit protocol biedt een gedetailleerde lijst van stappen die moeten worden uitgevoerd voor de productie, controle en evaluatie van de klimprestaties van een gekko-geïnspireerde zachte robot.

Productie, controle en prestatie-evaluatie van een gecko-geïnspireerde softrobot

Gebruik van fotonisch kristal langzaam licht golfgeleiders en holtes is op grote schaal door de fotonica gemeenschap in veel verschillende toepassingen. Daarom fabricage en karakterisering van deze apparaten zijn van groot belang. Dit document schetst onze fabricage techniek en twee optische karakterisatie methoden, te weten: interferometrische (golfgeleiders) en resonante verstrooiing (holten).

Fabricage en karakterisering van fotonische kristallen Slow lichtgolfgeleiders en holtes

Leer een tweestaps laserprocedure om lichtgestuurde elastomeermicrostructuren te fabriceren met gecontroleerde moleculaire oriëntatie. Deze methode biedt toepassingen in microbiotica en microfluidica.

Free-form Light Actuators - Fabricage en Controle van de Aandrijving in microscopische schaal

Meer video's verkennen