Inspirowany origami samomontaż wzorzystych i rekonfigurowalnych cząstek

Summary

Opisujemy eksperymentalne szczegóły syntezy wzorcowych i rekonfigurowalnych cząstek z dwuwymiarowych (2D) prekursorów. Metodologia ta może być stosowana do tworzenia cząstek o różnych kształtach, w tym wielościanów i urządzeń chwytających, w skalach długości od mikro do centymetrów.

Abstract

Istnieje wiele technik, takich jak fotolitografia, litografia wiązką elektronów i miękka litografia, które mogą być użyte do precyzyjnego modelowania dwuwymiarowych (2D) struktur. Technologie te są dojrzałe, oferują wysoką precyzję, a wiele z nich można wdrożyć w sposób wysokoprzepustowy. Wykorzystujemy zalety litografii planarnej i łączymy je z metodami samofałdowania^1-20, w których siły fizyczne pochodzące z napięcia powierzchniowego lub naprężeń szczątkowych są wykorzystywane do zakrzywiania lub fałdowania struktur płaskich w struktury trójwymiarowe (3D). W ten sposób umożliwiamy masową produkcję precyzyjnie wzorzystych, statycznych i rekonfigurowalnych cząstek, które są trudne do zsyntetyzowania.

W tym artykule szczegółowo opisujemy eksperymentalne protokoły tworzenia wzorzystych cząstek, w szczególności (a) trwale związanych, pustych, wielościanów, które same się organizują i uszczelniają dzięki minimalizacji energii powierzchniowej upłynnionych zawiasów^21-23 oraz (b) chwytaków, które składają się samoczynnie z powodu zawiasów napędzanych naprężeniami szczątkowymi^24,25. Opisany konkretny protokół może być wykorzystany do tworzenia cząstek o ogólnych rozmiarach od mikrometrów do centymetrów długości. Ponadto na powierzchniach cząstek mających znaczenie w naukach koloidalnych, elektronice, optyce i medycynie można zdefiniować dowolne wzory. Mówiąc bardziej ogólnie, koncepcja samoorganizujących się sztywnych mechanicznie cząstek z samouszczelniającymi się zawiasami ma zastosowanie, z pewnymi modyfikacjami procesu, do tworzenia cząstek w jeszcze mniejszych, 100 nm długościach^{22, 26} i przy użyciu szeregu materiałów, w tym metali²¹, półprzewodników⁹ i polimerów²⁷. Jeśli chodzi o uruchamianie rekonfigurowalnych urządzeń chwytających za pomocą naprężeń szczątkowych, nasz specjalny protokół wykorzystuje zawiasy chromowe, które mają znaczenie dla urządzeń o rozmiarach od 100 μm do 2,5 mm. Jednak, bardziej ogólnie, koncepcja takiego wolnego od uwięzi uruchamiania napędzanego naprężeniami szczątkowymi może być stosowana w przypadku alternatywnych materiałów o wysokim naprężeniu, takich jak heteroepitaksjalnie osadzone warstwy półprzewodnikowe^5,7, w celu stworzenia jeszcze mniejszych urządzeń chwytających w nanoskali.

Protocol

Najpierw opisujemy ogólny protokół, który może być używany do produkcji wzorzystych, uszczelnionych cząsteczek i rekonfigurowalnych urządzeń chwytających. Wraz z ogólnym protokołem udostępniamy jeden konkretny, zwizualizowany przykład zarówno dla wytwarzania uszczelnionych cząstek dwunastościennych, jak i rekonfigurowalnych mikrochwytaków.

1. Zasady przygotowania i projektowania masek

1. Zazwyczaj potrzebne są co najmniej dwa zestawy masek, jeden dla obszarów, które nie są zginane ani zakrzywione (sztywne panele), a drugi dla obszarów, które są zginane, zakrzywione lub uszczelniane (przeguby). Dodatkowe maski mogą być wykorzystywane do definiowania wzorów powierzchni porów, plam molekularnych, elementów optycznych lub elektronicznych. Maski można projektować za pomocą różnych programów do dwuwymiarowej grafiki wektorowej, takich jak AutoCAD, Adobe Illustrator, FreeHand MX lub Layout Editor.
2. Badania empiryczne sugerują następujące optymalne zasady projektowania do generowania masek, które mogą być używane do fałdowania wielościanu o długości boku o długości boku L, napędzanego napięciem powierzchniowym.
   1. W przypadku określonej geometrii wielościennej należy najpierw określić liczbę paneli. Na przykład sześcian ma sześć kwadratowych paneli, podczas gdy dwunastościan ma dwanaście pięciokątnych paneli.
   2. Trzeba rozgryźć wysokowydajny dwuwymiarowy układ paneli, zwany również siatką. Sieci, które mają najmniejszy promień bezwładności i największą liczbę drugorzędnych połączeń wierzchołkowych, zazwyczaj montują się z najwyższą wydajnością. Optymalne sieci dla różnych wielościanów, takich jak sześciany, ośmiościany, dwunastościany, ośmiościany ścięte, dwudziestościany są publikowane ^{23, 28}.
   3. W masce panelu panele wielościanów powinny być narysowane jako siatki, a sąsiednie panele powinny być oddalone od siebie o szczelinę o szerokości około 0,1 l. Znaki rejestracyjne są potrzebne do późniejszego wyrównania z maską zawiasu.
   4. W masce zawiasów muszą być zdefiniowane zarówno zawiasy składane (między panelami), jak i zawiasy blokujące lub uszczelniające (na krawędziach paneli). Zawiasy składane powinny mieć długość 0,8 l i szerokość 0,2 l, natomiast zawiasy uszczelniające na obrzeżach paneli powinny mieć długość 0,8 l i szerokość 0,1 l przy wysięgu 0,05 l (rysunek 1 a-c). Należy zwrócić szczególną uwagę, aby upewnić się, że maski panelu i zawiasów nakładają się z rejestrem. Dzięki tej zasadzie projektowej byliśmy w stanie zsyntetyzować cząstki o rozmiarach od 15 μm do 2,5 cm.
   5. Objętość zawiasu steruje kątami składania, a dla danej szerokości zawiasu wymagane jest modelowanie metodą elementów skończonych w celu określenia wymaganej grubości zawiasu. Czytelnik odsyłany jest do opublikowanych modeli^29-32 w celu oszacowania tej grubości. Jednak atrakcyjną cechą naszego podejścia jest zastosowanie zawiasów blokujących lub uszczelniających, które zapewniają znaczną tolerancję błędów podczas samodzielnego składania. W związku z tym, gdy stosowane są zawiasy uszczelniające, proces montażu jest tolerancyjny na odchylenia w objętościach zawiasów, co pozwala na ich tylko przybliżone ukierunkowanie. Ze względu na znaczną kooperatywność podczas montażu, nawet dwunastościenna o kącie zagięcia 116,57° została wyprodukowana masowo. Co więcej, ścięte ośmiościany mają dwa różne kąty dwuścienne 125,27° i 109,47°, ale mogą być montowane przy użyciu tych samych objętości zawiasów. Kolejną zaletą zawiasów uszczelniających jest to, że zawiasy przylegające do siebie łączą się ze sobą podczas nagrzewania podczas procesu składania, tworząc szczelnie zamknięte, bezszwowe i sztywne cząstki podczas chłodzenia.
3. Badania empiryczne sugerują następujące optymalne zasady projektowania masek mikrochwytaków, które składają się z powodu zawiasów napędzanych naprężeniami szczątkowymi. W przypadku mikrochwytaka o długości od końcówki do końcówki (D) wynoszącej 600-900 μm szczelina zawiasu (g) wynosi zwykle około 50 μm (rysunek 1 d-f), natomiast w przypadku mniejszych mikrochwytaków o średnicy D 300 μm należy zastosować mniejszą wartość około 25 μm. Wymiary szczeliny zawiasów zależą od naprężeń, grubości i zawartości sprężystości folii leżących pod spodem, a wielowarstwowe roztwory analityczne można wykorzystać do przybliżonego oszacowania zakresu zagięcia^25,33. Precyzyjny pomiar naprężeń i modelowanie metodą elementów skończonych są wymagane do precyzyjnej symulacji zagięcia. Badania empiryczne sugerują, że około 100 μm to dolna granica dla cząstek z naprężonymi zawiasami chromowymi.
4. Po zaprojektowaniu układu maski powinny być drukowane na foliach przezroczystych przy użyciu drukarek o wysokiej rozdzielczości, zarówno we własnym zakresie, jak i w różnych punktach sprzedaży (rysunek 2a). Zazwyczaj folie przezroczyste powinny być używane tylko przy minimalnych rozmiarach elementów 6 μm, podczas gdy maski chromowane są potrzebne w przypadku konstrukcji z mniejszymi odstępami między zawiasami lub elementami. Typowym formatem pliku wymaganym do zamawiania masek komercyjnych jest ".dxf".

2. Przygotowanie podłoża

1. Należy stosować płaskie podłoża, takie jak szkiełka podstawowe lub płytki krzemowe.
2. Aby uzyskać dobrą przyczepność, ważne jest, aby oczyścić i wysuszyć podłoża. Na ogół wystarczy oczyścić podłoża metanolem, acetonem i alkoholem izopropylowym (IPA), wysuszyć je azotem (_N2), a następnie podgrzać na płycie grzejnej lub w piekarniku w temperaturze 150 °C przez 5-10 minut.

3. Osadzanie warstwy ofiarnej

Aby uwolnić szablony z podłoża po utworzeniu wzoru, wymagana jest warstwa ofiarna. Można stosować różne folie składające się z metali (np. miedzi), dielektryków (np. tlenku glinu) lub polimerów (np. PMMA, PVA, CYTOP itp.). Przy wyborze folii protektorowej ważne są łatwość osadzania i rozpuszczania materiału oraz selektywność wytrawiania.

4. Wzorowanie paneli

1. Panele cząstek mogą być osadzane na różne sposoby. W przypadku cząstek polimerowych folie są osadzane przez powlekanie wirowe lub odlewanie kroplowe. W przypadku cząstek metalicznych można zastosować elektroosadzanie lub odparowywanie termiczne.
2. Do wytwarzania cząstek metalicznych konieczne jest dodanie warstwy przewodzącej na podłożu pokrytym warstwą protektorową, aby ułatwić elektroosadzanie paneli i zawiasów.
3. Panele mogą być modelowane przy użyciu dowolnego procesu litograficznego, takiego jak fotolitografia, formowanie, litografia nanoodciskowa lub litografia wiązką elektronów. Typowy proces fotolitografii polega na nałożeniu warstwy fotorezystu na podłoże, a następnie wypalaniu, naświetlaniu i wywoływaniu zgodnie z zaleceniami producenta. Można stosować fotorezystu, takie jak seria SPR, AZ lub SC; alternatywnie panele można zdefiniować za pomocą polimerów fotosieciowalnych, takich jak SU8, PEGDA lub fotosieciowalnych PDMS. W zależności od wyboru fotorezystu, grubość, a tym samym prędkość wirowania, czas naświetlania i czas wywoływania będą musiały być odpowiednio dostosowane.
4. Po fotolitografii, w zależności od wielkości cząstek metalicznych, grube panele mogą być formowane przez elektroosadzanie, podczas gdy cienkie panele mogą być definiowane przez parowanie lub rozpylanie.
   1. W przypadku elektroosadzania paneli należy zastosować prawa elektroosadzania Faradaya i wydajność kąpieli do obliczenia prądu galwanicznego na podstawie całkowitej powierzchni odsłoniętej paneli. Typowe gęstości prądu dla niklu (Ni) i lutu (Pb-Sn) wynoszą odpowiednio od 1 do 10 mA/cm² i 20-50 mA/cm².

5. Wzorowanie zawiasów

Podobnie jak w przypadku tworzenia wzorów na panelach, aby wykonać wzór zawiasów, należy wykonać drugą rundę fotolitografii przy użyciu maski zawiasów (Rysunek 2b-c). Znaki rejestracyjne na panelu i maskownicach zawiasów muszą być nałożone, aby zapewnić prawidłowe wyrównanie.

1. W przypadku montażu napędzanego napięciem powierzchniowym materiały na panele i zawiasy należy dobrać tak, aby materiał zawiasów miał niższą temperaturę topnienia niż panele, a zatem panele pozostały sztywne podczas topienia zawiasów. Montaż następuje, gdy szablony są podgrzewane powyżej temperatury topnienia materiału zawiasu. Na przykład, w przypadku cząstek metalicznych z panelami Ni, na zawiasach osadzamy elektrolitycznie lut Pb-Sn, który topi się w temperaturze ~200 °C i powoduje składanie. Podobnie, w przypadku cząstek polimerowych z panelami SU8, osadzamy zawiasy polikaprolaktonowe, które montują się w temperaturze ~58 °^C.27 Proces przebiega najlepiej, gdy materiał zawiasu jest przytwierdzony w obszarze zawiasu podczas rozpływu; tzn. nie rozprowadza się po całych panelach i nie odwilża się całkowicie od panelu. To kołkowanie można osiągnąć poprzez dobór materiałów o odpowiednich właściwościach zwilżania i lepkości.
2. W przypadku samoskładania cienkowarstwowego napędzanego naprężeniami, zawiasy powinny być wymodelowane przed ułożeniem panelu. Zazwyczaj zawias musi składać się z dwuwarstwy naprężonej różnicowo, składającej się z naprężonego metalu, takiego jak chrom (Cr) lub cyrkon (Zr) i stosunkowo nieobciążonego metalu, takiego jak złoto (Au) lub miedź (Cu). Na przykład w przypadku mikrochwytaków ze szczeliną zawiasową 50 μm stosujemy dwuwarstwę złożoną z 50 nm Cr i 100 nm Au. Oprócz dwuwarstw metalicznych naprężonych różnicowo można również stosować polimery naprężone różnicowo^34-37, warstwy SiOx³⁸ lub^warstwy półprzewodników epitaksjalnych 5.
3. W przypadku samofałdowania cienkowarstwowego napędzanego naprężeniami, należy zastosować termoczułą polimerową warstwę spustową do ograniczenia urządzeń, tak aby struktury nie składały się spontanicznie po uwolnieniu z podłoża. Odpowiedni dobór materiału spustowego i grubości może nadać urządzeniom różne właściwości reagowania na bodźce. Na przykład narysowanie fotorezystu o grubości 1,5 μm (seria S1800) w obszarze zawiasów wystarczy, aby utrzymać urządzenia płasko, dopóki nie zostaną podgrzane do ~37 °C, aby uruchomić składanie.

6. Uwalnianie szablonów od podłoża i składanie

1. Aby uwolnić wzorzyste szablony 2D, warstwa protektorowa musi zostać rozpuszczona przez odpowiednie wytrawiacze (rysunek 2d).
2. W przypadku montażu napędzanego napięciem powierzchniowym, uwolnione planarne prekursory muszą zostać podgrzane powyżej temperatury topnienia materiału zawiasu. Po podgrzaniu zawiasy ulegają upłynnieniu, a prekursory łączą się w odpowiednio ukształtowane puste cząstki (rysunek 2e-i).
3. W przypadku składania cienkowarstwowego napędzanego naprężeniami, zagięcie może zostać uruchomione po uwolnieniu struktur z podłoża i po wystawieniu na odpowiedni bodziec, np. po podgrzaniu, tak aby spust zmiękł i nie ograniczał już rozluźnienia obciążonych zawiasów dwuwarstwowych. Ponieważ urządzenia chwytające są ferromagnetyczne, można je prowadzić i umieszczać w pobliżu odpowiedniego ładunku, a następnie uruchamiać w celu złożenia wokół niego (rysunek 2j-n). Warto zauważyć, że wycięcie tkanki można osiągnąć za pomocą takiego wyzwalanego fałdowania²⁵.

Przykład 1. Protokół wytwarzania samozmontowanej, trwale połączonej, pustej dwunastościennej dwunastościennej o rozmiarze 300 μm napędzanej napięciem powierzchniowym (schematyczne przedstawienie na rysunku 3):

1. Przygotuj maski zgodnie z opisem w kroku 1. W celu wykonania dwunastościennej ściany panelu o długości 300 μm, należy narysować maskę panelu w taki sposób, aby pięciokątne panele dwunastościanu były oddalone od siebie o 30 μm. Narysuj maskę zawiasu, w której zawiasy składane i uszczelniające mają wymiary odpowiednio 240 μm x 60 μm i 240 μm x 30 μm.
2. Przygotuj podłoże z płytki krzemowej, jak wyjaśniono w kroku 2.
3. Powłoka wirowa o grubości ~ 5,5 μm z 950 PMMA A11 przy 1,000 obr./min na płytkach krzemowych. Odczekaj 3 minuty, a następnie piecz w temperaturze 180 °C przez 60 sekund.
4. Za pomocą parownika termicznego osadzać chrom (Cr) o długości fali 30 nm jako promotor przyczepności i miedź (Cu) o długości 150 nm jako warstwę przewodzącą.
5. Przędzić warstwę SPR220 o grubości ~10 μm z prędkością 1,700 obr./min na waflach. Poczekaj 3 minuty.
6. Wykonaj przyspieszone pieczenie na miękko, umieszczając wafel na płycie grzejnej w temperaturze 60 °C na 30 sekund. Następnie przenieś wafel na inną płytę grzejną w temperaturze 115 °C na 90 sekund, a następnie z powrotem do 60 °C na 30 sekund.
7. Schłodzić wafle w temperaturze pokojowej i odczekać 3 godziny.
8. Wystaw wafle na maskę panelową za pomocą światła UV ~460 mJ/^cm2 (365 nm) i nakładki na maskę na bazie rtęci.
9. Rozwijaj w MF-26A developer przez 2 minuty i zmień rozwiązanie dewelopera i rozwijaj przez kolejne 2 minuty.
10. Oblicz całkowitą powierzchnię panelu i użyj jej do obliczenia prądu wymaganego do elektroosadzania Ni z dostępnego w handlu roztworu sulfaminianu niklu z szybkością około 1-10 mA/^cm2 do grubości 8 μm.
11. Rozpuść fotorezystu w acetonie. Opłucz wafel alkoholem izopropylowym i osusz gazem_N2.
12. Przędzić warstwę SPR 220 o grubości ~10 μm przy 1,700 obr./min na waflach. Poczekaj 3 minuty.
13. Wykonaj przyspieszone pieczenie na miękko, umieszczając wafel na płycie grzejnej w temperaturze 60 °C na 30 sekund. Następnie przenieś wafel na inną płytę grzejną w temperaturze 115 °C na 90 sekund, a następnie z powrotem do 60 °C na 30 sekund.
14. Schłodzić wafle w temperaturze pokojowej i odczekać 3 godziny.
15. Wystaw wafle na maskę zawiasową za pomocą światła UV ~460 mJ/^cm2 (365 nm) i wyrównywacza maski na bazie rtęci. Upewnij się, że znaczniki rejestru są wyrównane tak, aby zawiasy były wyrównane z panelami.
16. Rozwijaj w MF-26A developer przez 2 minuty i zmień rozwiązanie dewelopera i rozwijaj przez kolejne 2 minuty.
17. Za pomocą frezu diamentowego pokrój wafel na małe kawałki tak, aby jeden kawałek wafla zawierał ~50-60 siatek. Pokryj krawędzie kawałków lakierem do paznokci.
18. Oblicz całkowitą odsłoniętą powierzchnię zawiasu i użyj jej do obliczenia prądu wymaganego do elektroosadzania lutu Pb-Sn z komercyjnego roztworu do powlekania lutowniczego z szybkością około 20-50 mA/^cm2 do grubości 15 μm.
19. Rozpuść fotorezystor w acetonie. Kawałki wafla opłukać IPA i osuszyć gazem_N2.
20. Zanurz kawałek wafla w wytrawiaczu APS 100 na 25-40 sekund, aby rozpuścić otaczającą warstwę Cu. Spłucz wodą DI i osusz gazem_N2.
21. Zanurz kawałek wafla w wytrawiaczu CRE-473 na 30-50 sekund, aby rozpuścić otaczającą warstwę Cr. Spłucz wodą DI i osusz gazem_N2.
22. Zanurzyć kawałek wafla w ~2-3 ml 1-metylo-2-pyrollidynonu (NMP) i podgrzewać w temperaturze 100 °C przez 3-5 minut, aż matryce zostaną uwolnione z podłoża.
23. Przenieś ~20-30 szablonów na małą szalkę Petriego i rozprowadź je równomiernie.
24. Dodaj ~3-5 ml NMP i ~5-7 kropli płynnego topnika Indalloy 5RMA.
25. Podgrzewać w temperaturze 100 °C przez 5 min. Na tym etapie ciekły topnik Indalloy 5RMA czyści i rozpuszcza każdą warstwę tlenku utworzoną na lutowiu, zapewniając w ten sposób dobry rozpływ lutu po podgrzaniu powyżej temperatury topnienia.
26. Zwiększ temperaturę płyty grzejnej do 150 °C na 5 minut, a następnie powoli zwiększaj ją do 200 °C, aż do momentu zagięcia. Gdy temperatura wzrośnie do 200 °C, składanie rozpoczyna się po 5-8 minutach. Mieszanina może stać się brązowawa, gdy zacznie się palić.
27. Gdy dodwunastościenne się złożą, pozwól potrawie ostygnąć. Dodaj aceton do naczynia, odpipetuj płyn i opłucz dwunastościenną dodekaedrę w acetonie, a następnie w etanolu.
28. Cząstki dwunastościenne należy przechowywać w etanolu.

Przykład 2. Protokół wytwarzania rekonfigurowalnych, cienkowarstwowych, samoskładających, termoczułych mikrochwytaków z napędem naprężeniowym (schemat na rysunku 4):

1. Przygotuj maski zgodnie z opisem w kroku 1. Zaprojektuj maski tak, aby długość chwytaków od czubka do czubka wynosiła 980 μm, przy długości boku panelu środkowego 111 μm i szczelinie zawiasów 50 μm. Typowe maski zawiasów i paneli można zaprojektować podobnie jak na rysunku 1 d-e.
2. Przygotuj płytki krzemowe, jak wyjaśniono w kroku 2.
3. Osadzać warstwy protektorowe o przyczepności 15 nm Cr i 50-100 nm Cu za pomocą parownika termicznego.
4. Przędzenie S1827 o grubości ~3 μm za pomocą powlekarki wirowej, przy prędkościach 3,000 obr./min. Odczekaj 3 minuty, a następnie piecz wafel w temperaturze 115 °C przez 1 minutę na płycie grzejnej.
5. Naświetlaj światło UV ~180 mJ/^cm2 (365 nm) za pomocą wyrównywacza maski i maski zawiasowej.
6. Wywoływanie przez 40-60 sekund w rozcieńczonym 5:1 Developerze 351. Spłucz wodą DI i osusz gazem_N2.
7. Osadzać 50 nm Cr i 100 nm Au za pomocą parownika termicznego. Cr-Au funkcjonuje jako dwuwarstwa zawiasów z naprężeniami szczątkowymi w folii Cr, podczas gdy folia Au jest bioobojętną warstwą nośną.
8. Podnieś fotorezystor w acetonie. Użyj sonikatora przez 3-5 minut, aby całkowicie usunąć nadmiar metalu. Umyj wafel acetonem i IPA, osusz gazem_N2.
9. Przędzić warstwę SPR220 o grubości ~10 μm z prędkością 1,700 obr./min na waflach. Poczekaj 3 minuty.
10. Wykonaj przyspieszone pieczenie na miękko, umieszczając wafel na płycie grzejnej w temperaturze 60 °C na 30 sekund. Następnie przenieś wafel na inną płytę grzejną w temperaturze 115 °C na 90 sekund, a następnie z powrotem do 60 °C na 30 sekund. Poczekaj 3 godziny.
11. Naświetlić fotorezystor na światło UV ~460 mJ/^cm2 (365 nm) za pomocą wyrównywacza maski przez maskę panelu.
12. Rozwijaj w MF-26A developer przez 2 minuty i zmień rozwiązanie dewelopera i rozwijaj przez kolejne 2 minuty.
13. Oblicz całkowitą powierzchnię panelu i użyj jej do obliczenia prądu wymaganego do elektroosadzania Ni z dostępnego na rynku roztworu sulfaminianu niklu z szybkością około 1-10 mA/^cm2 do grubości 5 μm. Dokładnie spłucz wodą DI.
14. Osadzać elektrolitycznie lub odparowywać 100 nm Au. Warstwa ta pomaga chronić Ni przed wytrawiaczami używanymi do usuwania warstwy protektorowej.
15. Usuń fotorezystor acetonem. Opłucz wafel alkoholem izopropylowym i osusz gazem_N2.
16. Mieszaj fotorezysty S1813 i S1805 w stosunku objętości 1:5. Odwiruj mieszaninę z prędkością 1,800 obr./min. Odczekaj 3 minuty, a następnie piecz na płycie grzejnej w temperaturze 115 °C przez 1 minutę. Ta warstwa fotorezystu działa jak warstwa wyzwalacza.
17. Naświetlić w świetle UV ~120 mJ/^cm2 (365 nm) na nakładce maski za pomocą maski zawiasowej.
18. Wywoływanie przez 30-50 sekund w rozcieńczonym 5:1 wywoływaczu 351. Spłucz wodą DI i osusz gazem_N2.
19. Wytnij kawałek wafla za pomocą frezu diamentowego.
20. Zanurz kawałek wafla w APS 100, aby wytrawić znajdującą się pod spodem warstwę protektorową Cu. Poczekaj, aż mikrochwytaki zostaną całkowicie zwolnione z podłoża.
21. Opłucz mikrochwytaki wodą DI i przechowuj w zimnej wodzie.
22. Uruchom składanie, umieszczając mikrochwytaki w wodzie o temperaturze 37 °C.

7. Reprezentatywne wyniki

Reprezentatywne wyniki na rysunku 5 pokazują samoorganizujące się cząstki wielościenne w różnych kształtach, a także składane mikrochwytaki. Proces produkcji i uruchamiania jest wysoce równoległy, a konstrukcje 3D mogą być wytwarzane i uruchamiane jednocześnie. Dodatkowo, precyzyjne wzory, takie jak kwadratowe lub trójkątne pory, mogą być definiowane we wszystkich trzech wymiarach, a w razie potrzeby na wybranych powierzchniach. Mikrochwytaki mogą być zamykane w biologicznie łagodnych warunkach, dzięki czemu można je wykorzystać do wycięcia tkanek lub załadować ładunkiem biologicznym. Dodatkowo, ponieważ mikrochwytaki mogą być wykonane z materiału ferromagnetycznego, można je przemieszczać z daleka za pomocą pól magnetycznych.

Rysunek 1. Zasady projektowania syntezy cząstek wzorzystych. (a-c) Zasady projektowania masek dla składania wzorzystych cząstek wielościennych; (a) Schemat maskownicy panelu dla wielościanu o długości boku L, (b) schemat maskownicy zawiasu z zawiasami składanymi (0,2 L x 0,8 L) i blokującymi lub uszczelniającymi (0,1 L x 0,8 L) oraz (c) schemat nałożonego prekursora 2D lub siatki. (d-f) Zasady projektowania maski dla samoskładającego się mikrochwytaka; (d) schemat maskownicy zawiasu dla mikrochwytaka o długości końcówka do końcówki D, (e) schemat maskownicy panelu z odstępem zawiasu g, oraz (f) schemat nałożonego prekursora 2D. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą postać.

Rysunek 2. Obrazy eksperymentalne i animacje koncepcyjne ważnych etapów procesu produkcji i montażu. (a) Zrzut ekranu maski panelu AutoCAD dla dwunastościennych prekursorów. lit. b-c) Obrazy optyczne prekursorów 2D dla (b) dwunastościanu i (c) mikrochwytaków na podłożu krzemowym. d) Uwolnione sieci dwunastościenne. Paski skali: 200 μm. (e-n) Animacja koncepcyjna, (e-i) montaż dwunastościanu napędzany napięciem powierzchniowym oraz (j-n) cienkowarstwowe składanie mikrochwytaka wokół koralika (animacja Davida Filipiaka).

Rysunek 3. Schematyczna ilustracja ważnych etapów wytwarzania zespołu cząstki sześciennej napędzanego napięciem powierzchniowym.

Rysunek 4. Schematyczna ilustracja ważnych etapów produkcji składania sześciocyfrowego urządzenia chwytającego napędzanego naprężeniami szczątkowymi.

Rysunek 5. Obrazy inspirowane origami, samoorganizujące się, wzorzyste i rekonfigurowalne cząsteczki. (a) Obraz optyczny samoorganizujących się cząstek o różnych kształtach. lit. b-e) Obrazy SEM (b) samoorganizującego się porowatego sześcianu, (c) piramidy, (d) ściętego ośmiościanu i (e) dwunastościanu. Paski skali: 100 μm. (f-h) Migawki optyczne samoskładających się mikrochwytaków oraz (i) obraz SEM złożonego mikrochwytaka (zdjęcie Timothy Leong). Podziałka liniowa: 200 μm.

Discussion

Nasz proces montażu inspirowany origami jest wszechstronny i może być używany do syntezy różnych statycznych i rekonfigurowalnych cząstek 3D z szeroką gamą materiałów, kształtów i rozmiarów. Co więcej, możliwość precyzyjnego modelowania czujników i modułów elektronicznych na tych cząstkach jest ważna dla optyki i elektroniki. W przeciwieństwie do niejednolitych cząstek utworzonych alternatywnymi metodami, gdzie wzory są stosunkowo nieprecyzyjne, ta metodologia zapewnia środki do syntezy precyzyjnie wzorzystych cząstek. W montażu opartym na napięciu powierzchniowym zastosowanie upłynniających zawiasów uszczelniających zapewnia, że cząstki są dobrze uszczelnione i sztywne mechanicznie po montażu (po schłodzeniu). Wcześniej zaobserwowaliśmy, że szwy są szczelne nawet dla małych cząsteczek^39,40. Elektroosadzanie cienkiej warstwy Au po montażu może zapewnić dodatkową wytrzymałość i zwiększyć szczelność szwów. Składanie cienkowarstwowe oparte na naprężeniach jest przydatne w zastosowaniach, w których wymagane jest składanie reagujące na bodźce, takie jak mikrochwytaki, które były używane do pobierania próbek biologicznych in vitro i in vivo oraz w operacjach podnoszenia i umieszczania w robotyce. Podczas gdy opisana tutaj konkretna metodologia może być wykorzystana do tworzenia rekonfigurowalnych mikrochwytaków, które zamykają się tylko raz, odpowiedni wybór materiałów i metod do manipulowania naprężeniami w dwuwarstwach może być również wykorzystany do stworzenia urządzeń chwytających, które można rekonfigurować w wielu cyklach^{37, 41}. Zaletą wykorzystania naprężeń szczątkowych do zasilania tych urządzeń jest to, że nie wymagają one żadnych uwięzi ani przewodów, a więc mają doskonałą zwrotność, aby umożliwić uruchamianie w trudno dostępnych miejscach. Ponadto, dzięki odpowiedniemu doborowi polimerowych wyzwalaczy, zachowanie reagujące na bodźce może być możliwe za pomocą szeregu bodźców, w tym enzymów⁴² , aby umożliwić autonomiczne działanie mające znaczenie dla robotyki i chirurgii.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
950 Polimetakrylan metylu A11	Micro Chem	M230011	Warstwa protektorowa
Chromowane pręty wolframowe	R. D. Mathis Company	CRW-2	Źródło parowania dla
ślimaka miedzianego	Alfa Aesar	7440-50-8	Źródło parowania dla ślimaka Cu
Gold	Alfa Aesar	7440-57-5	Źródło parowania dla Au
SPR 220 7.0	Rohm i Haas	10016640	Fotorezystu dodatni
seria S 1800 Fotorezystu	Rohm i Hass		Fotorezystu dodatni
Megaposit MF-26 A Programista	Rohm i Haas	10016574	Twórca fotorezystu SPR 220 7.0
Programista Microposit 351	Rohm i Hass	10016653	Twórca fotorezystorów serii S 1800
Nickel Sulfamate	Technic Inc.	030175	Rozwiązanie galwaniczne dla
Ni Techni Solder Mate NF 820 60/40 RTU	Technic Inc.	330681	Rozwiązanie do powlekania zawiasów Pb-Sn
APS 100 Wytrawiacz miedzi	Transene Company Inc.	021221	Wytrawiacz miedzi
CRE 473 Wytrawiacz chromowy	Transene Company Inc.	040901	Wytrawiacz chromowy
1-metylo-2-pyrollidynon (NMP)	Sigma-Aldrich	M79603	Rozpuszczalnik organiczny o wysokiej temperaturze wrzenia do samoskładającego
się topnika Indalloy 5RMA	Indium Corporation of America	FL28372	Substancja chemiczna, która czyści powierzchnię lutu i hamuje utlenianie, zapewniając dobry rozpływ Pb-Sn