Prezentujemy kontrolowaną transformację wzorców pęczniejących rurek żelowych poprzez niestabilność sprężystą. Prosty układ projekcyjnej mikrolitografii stereolitycznej został zbudowany przy użyciu standardowego cyfrowego projektora danych w celu wytwarzania trójwymiarowych struktur polimerowych metodą warstwową. Pęczniejące rurki hydrożelowe poddane ograniczeniom mechanicznym wykazują różne tryby wyboczenia obwodowego w zależności od wymiarów.
Artykuł metodologiczny
Mikrodruk 3D z wykorzystaniem projektora cyfrowego i jego zastosowanie w badaniu mechaniki materiałów miękkich
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Wyboczenie jest klasycznym zagadnieniem w mechanice. Choć wyboczenie od dawna badano jako jeden z głównych trybów awarii konstrukcyjnych1, ostatnio zwrócono na nie nową uwagę jako na unikalny mechanizm transformacji wzorców. Natura obfituje w przykłady, w których bogactwo egzotycznych wzorców powstaje w wyniku niestabilności mechanicznej2-5. Zainspirowane tym eleganckim mechanizmem liczne badania wykazały możliwość tworzenia i przekształcania wzorców przy użyciu materiałów miękkich, takich jak elastomery i hydrożele6-11. Szczególne zainteresowanie budzą żele pęczniejące, ponieważ mogą one spontanicznie wywoływać niestabilność mechaniczną w celu tworzenia różnych wzorców bez potrzeby przykładania siły zewnętrznej6-10. Niedawno zgłosiliśmy demonstrację pełnej kontroli nad wzorcem wyboczenia mikrostrukturalnych żeli rurkowych przy użyciu projekcyjnej mikrostereolitografii (PμSL), trójwymiarowej (3D) technologii wytwarzania zdolnej do szybkiego konwertowania generowanych komputerowo modeli 3D w obiekty fizyczne o wysokiej rozdzielczości12,13. W niniejszej pracy przedstawiamy prostą metodę budowy uproszczonego systemu PμSL z wykorzystaniem dostępnego w handlu cyfrowego projektora danych, aby badać niestabilność wyboczenia indukowaną pęcznieniem w celu kontrolowanej transformacji wzorców.
Prosta nadblatowa drukarka 3D została zbudowana przy użyciu standardowego cyfrowego projektora danych oraz prostych komponentów optycznych, takich jak soczewka skupiająca i lustro14. Obrazy przekrojów wyodrębnione z trójwymiarowego modelu bryły są sekwencyjnie projektowane na powierzchnię światłoczułej żywicy, co prowadzi do polimeryzacji ciekłej żywicy w pożądaną strukturę 3D w sposób warstwowy. Nawet przy tak prostej konfiguracji i łatwym procesie możliwe jest szybkie wytwarzanie dowolnych obiektów 3D z rozdzielczością poniżej 100 μm.
Ta nadbiurkowa drukarka 3D wykazuje potencjał w badaniach nad mechaniką materiałów miękkich, oferując doskonałą możliwość eksploracji różnorodnych geometrii 3D. Wykorzystujemy ten system do wytwarzania rurkowych struktur hydrożelowych o różnych wymiarach. Dzięki przymocowaniu do podłoża w dolnej części, rurkowy żel wykazuje niejednorodne naprężenia podczas pęcznienia, co prowadzi do niestabilności związanej z wyboczeniem. Gdy struktury żelowe ulegają wyboczeniu, wzdłuż obwodu rurki pojawiają się różne wzory faliste. Eksperymenty wykazują, że obwodowe wyboczenie w pożądanym trybie można wywołać w sposób kontrolowany. Transformacja wzorców w trójwymiarowych strukturach rurkowych żeli ma istotne znaczenie nie tylko w mechanice i nauce o materiałach, ale także w wielu innych rozwijających się dziedzinach, takich jak regulowalne metamateriały.
Protokół
1. Przygotowanie roztworu prepolimeru
- Wymieszać diakrylan poli(glikolu etylenowego) (PEG-DA) (średnia masa cząsteczkowa ~575, Sigma-Aldrich) oraz poli(glikol etylenowy) (PEG) (średnia masa cząsteczkowa ~200, Sigma-Aldrich) w stosunku masowym 1:2.
- Dodać 0,67 %mas. fotoinicjatora (tlenek fenylbis(2,4,6-trimetylobenzoilo)fosfinowy, Sigma-Aldrich). Od tego momentu roztwór należy przechowywać w ciemności.
- Dodać 0,05 %mas. fotoabsorbera (Sudan I, Sigma-Aldrich).
- Mieszać roztwór przez 24 h w temperaturze pokojowej przy użyciu mieszadła magnetycznego.
2. Konfiguracja drukarki 3D do użytku domowego z wykorzystaniem cyfrowego projektora danych
- Ustaw cyfrowy projektor danych w płaskiej i stabilnej pozycji i podłącz go do komputera z zainstalowanym programem Microsoft PowerPoint.
- Umieść soczewkę skupiającą bezpośrednio przed soczewką wyjściową wiązki projektora cyfrowego. Wybierz taką soczewkę skupiającą, aby płaszczyzna ogniskowa znajdowała się około 10 cm od projektora. (Rozdzielczość optyczna jest mniejsza dla soczewki o krótszej ogniskowej, jednak należy zachować pewną przestrzeń na komponenty optyczne).
- Umieść lustro za soczewką skupiającą na drodze wiązki pod kątem 45°, aby skierować wiązkę pionowo w dół.
- Umieść uchwyt na próbkę w płaszczyźnie ogniskowej rzutowanej wiązki. Uchwyt na próbkę powinien być przymocowany do prowadnicy liniowej, za pomocą której kontrolowana jest jego pozycja pionowa.
- Umieść kąpiel żywiczną pod uchwytem na próbkę.
3. Projektowanie i wytwarzanie rurek żelowych
- Określ średnicę, grubość ścianek i wysokość rurki żelowej, która ma zostać wykonana.
- Przygotuj obrazy przekrojów poprzecznych rurki żelowej. Obrazy powinny być białe na czarnym tle. Wstaw te obrazy do slajdów w programie Microsoft PowerPoint.
- Uruchom pokaz slajdów w programie Microsoft PowerPoint i wyświetl dowolny obraz. Umieść uchwyt próbki w płaszczyźnie ogniskowania, regulując pozycję pionową za pomocą dołączonego stolika.
- Przełącz na "pozorny" czarny obraz, aby zapobiec niepożądanej polimeryzacji podczas wprowadzania roztworu prepolimeru.
- Wlej roztwór prepolimeru do kąpieli żywicznej. Napełnij kąpiel tak, aby roztwór lekko przykrywał uchwyt próbki. Układ jest teraz gotowy do druku 3D obiektu.
- Przełącz na slajd zawierający pierwszy obraz przekroju poprzecznego rurki żelowej, aby spolimeryzować pierwszą warstwę. Wyświetlaj obraz przez 8 sec, a następnie wróć do slajdu "blackout".
- Obróć pokrętło stolika liniowego o ¼ obrotu (~160 μm), aby obniżyć uchwyt próbki. Wówczas świeża żywica napływa, aby przykryć spolimeryzowaną pierwszą warstwę.
- Ponownie wyświetl obraz przekroju poprzecznego, aby spolimeryzować drugą warstwę na poprzedniej. Powtarzaj kroki 3.6-3.8, aż do momentu wykonania rurki żelowej o żądanej wysokości.
- Po ukończeniu wszystkich warstw wyjmij uchwyt próbki z roztworu prepolimeru i ostrożnie wyjmij wykonaną próbkę za pomocą żyletki.
- Przepłucz próbkę w acetonie przez ~3 hr, a następnie pozostaw do wyschnięcia przez ~1 hr.
4. Eksperyment pęcznienia w celu uzyskania zaprogramowanego wzorca poprzez niestabilność sprężystą
- Przygotuj dwuwarstwową ciecz woda-olej w przezroczystym szklanym naczyniu.
- Przymocuj suchą próbkę do uchwytu na próbkę za pomocą superkleju.
- Obróć uchwyt tak, aby próbka znajdowała się do góry nogami. Zanurz próbkę w kąpieli z cieczy woda-olej. Przesuwaj próbkę w stronę granicy faz woda-olej z poziomu warstwy oleju. Próbka zacznie pęcznieć w momencie zetknięcia z powierzchnią wody, podczas gdy część podstawy, na której zamocowano rurkę żelową, pozostanie w górnej warstwie oleju. W ten sposób woda może dyfundować do ścianki rurki, umożliwiając pęcznienie próbki, zanim ograniczająca ją podstawa rozluźni się w wyniku zwilżania. Monitoruj zmianę wzorca podczas pęcznienia rurki żelowej za pomocą kamery cyfrowej.
Wyniki
Prosty system PμSL wykorzystujący standardowy cyfrowy projektor danych przedstawiono na Rysunku 1. Soczewka skupiająca o ogniskowej 75 mm koncentruje wiązkę w niewielkim obszarze oświetlenia o wymiarach 2 cm na 2 cm. Wynikowa rozdzielczość optyczna w płaszczyźnie wynosi około 45 μm. Rozdzielczość pionowa jest określona przez poziom precyzji stolika liniowego. Grubość warstwy struktur wykonanych w badaniu wynosi 160 μm. Każda warstwa była polimeryzowana przez 8 s naświetlania. Reprezentatywna struktura 3D wykonana za pomocą tego systemu przedstawiona jest na Rysunku 1D. Obiekt ten składa się z 58 warstw PEGDA.
Przygotowaliśmy fotoutwardzalny hydrożel PEGDA. Niski stopień sieciowania, a w konsekwencji duże pęcznienie hydrożelu PEGDA, uzyskano poprzez dodanie niesieciującego PEG do roztworu prepolimeru. Współczynnik pęcznienia wzdłużnego otrzymanego hydrożelu PEGDA wynosi 1,5, co odpowiada ekspansji objętościowej przekraczającej 300%.
Zestaw rurek z hydrożelu PEGDA został zaprojektowany i wykonany w oparciu o naszą teorię12. Próbkę umieściliśmy do góry nogami i zanurzyliśmy w kąpieli wodnej przykrytej warstwą oleju, zgodnie z ilustracją na Ryc. 2A. W zależności od parametrów wymiarowych, rurki okrągłe pozostawały stabilne lub przekształcały się w strukturę pofalowaną, co pokazano na Ryc. 2B. Szeroki zakres wzorów pęcznienia różnych próbek został zarejestrowany za pomocą aparatu cyfrowego i przedstawiony na Ryc. 3A.
Rysunek 1. Pulpitowy system mikrostereolitografii projekcyjnej (a) schemat reprezentatywny (b) rzeczywisty system (c) widok zbliżony komponentów (d) reprezentatywne struktury 3D. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większy rysunek.
Rysunek 2. (a) Układ eksperymentalny do pęcznienia rurki z hydrożelu (b) ograniczona rurka z hydrożelu przekształca się w różne wzory. Pasek skali wskazuje 5 mm.
Rysunek 3. (a) Wzory powstałe w eksperymencie pęcznienia. Oś pionowa wskazuje t/h (zatem stabilność), a oś pozioma wskazuje h/D (zatem tryb wyboczenia). Pasek skali wskazuje 5 mm. (b) Tryb wyboczenia zależy wyłącznie od h/D. Wynik eksperymentalny jest zgodny z przewidywaniami teoretycznymi. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększony rysunek.
| Próbka | D (μm) | t (μm) | h (μm) | |
| I | i | 9300 ± 420 | 760 ± 40 | 840 ± 40 |
| ii | 9700 ± 420 | 1040 ± 40 | 1060 ± 40 | |
| iii | 9700 ± 420 | 1210 ± 40 | 1340 ± 40 | |
| iv | 9700 ± 420 | 1660 ± 40 | 1680 ± 40 | |
| II | i | 9000 ± 420 | 480 ± 40 | 880 ± 40 |
| ii | 9000 ± 420 | 660 ± 40 | 1060 ± 40 | |
| iii | 9500 ± 420 | 740 ± 40 | 1350 ± 40 | |
| iv | 9200 ± 420 | 970 ± 40 | 1650 ± 40 | |
| III | i | 8900 ± 420 | 160 ± 40 | 790 ± 40 |
| ii | 8900 ± 420 | 300 ± 40 | 1020 ± 40 | |
| iii | 9100 ± 420 | 380 ± 40 | 1330 ± 40 | |
| iv | 9000 ± 420 | 490 ± 40 | 1630 ± 40 | |
| IV | i | 8900 ± 420 | 140 ± 40 | 780 ± 40 |
| ii | 8800 ± 420 | 190 ± 40 | 1010 ± 40 | |
| iii | 9300 ± 420 | 230 ± 40 | 1340 ± 40 | |
| iv | 8900 ± 420 | 290 ± 40 | 1650 ± 40 | |
Tabela 1. Wymiary próbek zmierzone za pomocą mikroskopu optycznego. Błędy wskazują niepewność pomiaru.
Dyskusja
W przypadku pęcznienia rurkowatego hydrożelu ograniczonego na podłożu stabilność zależy wyłącznie od t/h, a tryb wyboczenia zależy wyłącznie od h/D12. Wykonano cztery grupy próbek (I-IV) o różnych poziomach znormalizowanej grubości t/h, przy czym grupa I była najgrubsza, a grupa IV najcieńsza. Każda grupa składa się z czterech próbek (i-iv) o różnych poziomach znormalizowanej wysokości h/D, gdzie próbka i była najniższa, a próbka iv najwyższa. Wymiary wykonanych próbek przedstawiono w Tabeli 1. Grupy I i II zostały zaprojektowane tak, aby pozostawały stabilne podczas pęcznienia, natomiast grupy III i IV mają ulegać wyboczeniu i transformacji podczas pęcznienia. W przypadku próbek ulegających wyboczeniu tryb wyboczenia powinien maleć wraz z wysokością próbki. Rysunek 3A przedstawia wyniki eksperymentalne. Zgodnie z przewidywaniami teoretycznymi, próbki z grup I i II były stabilne i zachowały kształt okrągły podczas pęcznienia, natomiast wszystkie próbki z grup III i IV przeszły przez niestabilność sprężystą i uległy wyboczeniu. Ponadto próbki o tym samym h/D wykazały podobny tryb wyboczenia. Rysunek 3B porównuje eksperymentalnie zaobserwowane tryby wyboczenia próbek z grup III i IV z przewidywaniami teoretycznymi. Widać, że próbki o tym samym h/D wykazują ten sam wzór powyboczeniowy niezależnie od grubości i że wyniki eksperymentalne są zgodne z teorią.
Przedstawiamy sposób budowy prostego systemu druku 3D na biurko z wykorzystaniem komercyjnie dostępnego cyfrowego projektora danych. Proponowane podejście opiera się na fotoutwardzaniu polimeru w celu tworzenia struktur 3D, w związku z czym można stosować dowolne polimery fotoutwardzalne, pod warunkiem, że fotoinicjator wykazuje odpowiednią absorbancję w zakresie widzialnym. Należy zauważyć, że wiele dostępnych komercyjnie fotoinicjatorów jest przeznaczonych do fal ultrafioletowych (UV), natomiast fotoinicjator użyty w niniejszym opracowaniu wykazuje stosunkowo wyższą absorbancję przy długościach fal powyżej 400 nm. Metoda ta, oferując łatwy i szybki sposób wytwarzania obiektów 3D, znajdzie wiele zastosowań w różnych dziedzinach, w tym w mechanice materiałów miękkich, co zostało tutaj zademonstrowane.
Oświadczenia
Nie zadeklarowano żadnych konfliktów interesów.
Podziękowania
Autorzy chcieliby podziękować Josephowi Muskinowi i Matthewowi Ragusie z University of Illinois w Urbana-Champaign za udostępnienie obrazów przekrojowych dla struktur 3D przedstawionych na Rysunku 1D.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Diakrylan glikolu polietylenowego | Sigma-Aldrich | 437441 | Mw~575 |
| Glikol polietylenowy | Sigma-Aldrich | P3015 | Mw~200 |
| tlenek fenylbis(2,4,6-trimetylobenzoilo)fosfinowy | Sigma-Aldrich | 511447 | Fotoinicjator |
| Sudan I | Sigma-Aldrich | 103624 | Fotoabsorber |
| Cyfrowy projektor danych | Viewsonic | PJD6221 | |
| Soczewka skupiająca | Thorlabs | LA1145 | f = 75.0 mm |
| Lustro | 4" wafel krzemowy | ||
| Stolik manualny | Velmex | A2506DE-S2.5 |
Bibliografia
- Timoshenko, S. P., Gere, J. M. Theory of Elastic Stability. , McGraw-Hill. (1961).
- Sharon, E., Marder, M., Swinney, H. L. Leaves Flowers and Garbage Bags: Making Waves. American Scientist. 92, 254-261 (2004).
- Kücken, M., Newell, A. C. Fingerprint formation. Journal of Theoretical Biology. 235, 71-83 (2005).
- Liang, H., Mahadevan, L. The shape of a long leaf. Proceedings of the National Academy of Sciences. 106, 22049-22054 (2009).
- Bayer, S. A., Altman, J. The human brain during the second trimester. , Taylor & Francis. (2005).
- Trujillo, V., Kim, J., Hayward, R. C. Creasing instability of surface-attached hydrogels. Soft Matter. 4, 564(2008).
- Breid, D., Crosby, A. J. Effect of stress state on wrinkle morphology. Soft Matter. 7, 4490(2011).
- Mora, T., Boudaoud, A. Buckling of swelling gels. The European Physical Journal E. 20, 119-124 (2006).
- DuPont, S. J., Cates, R. S., Stroot, P. G., Toomey, R. Swelling-induced instabilities in microscale, surface-confined poly(N-isopropylacryamide) hydrogels. Soft Matter. 6, 3876-3882 (2010).
- Dervaux, J., Couder, Y., Guedeau-Boudeville, M. -A., Ben Amar, M. Shape Transition in Artificial Tumors: From Smooth Buckles to Singular Creases. Physical Review Letters. 107, 018103(2011).
- Jang, J. -H., Koh, C. Y., Bertoldi, K., Boyce, M. C., Thomas, E. L. Combining Pattern Instability and Shape-Memory Hysteresis for Phononic Switching. Nano Letters. 9, 2113-2119 (2009).
- Lee, H., Zhang, J., Jiang, H., Fang, N. X. Prescribed Pattern Transformation in Swelling Gel Tubes by Elastic Instability. Physical Review Letters. 108, 214304(2012).
- Sun, C., Fang, N., Wu, D. M., Zhang, X. Projection micro-stereolithography using digital micro-mirror dynamic mask. Sensors and Actuators A: Physical. 121, 113-120 (2005).
- Muskin, J., Ragusa, M., Gelsthorpe, T. Three-Dimensional Printing Using a Photoinitiated Polymer. Journal of Chemical Education. 87, 512-514 (2010).
Przedruki i uprawnienia
