Síntese com base em microfluídicas de estruturas orgânicas covalentes (COFs): uma ferramenta para produção contínua de fibras COF e impressão direta em uma superfície

O objetivo geral desta abordagem é demonstrar como uma plataforma baseada em microfluídica pode ser usada para produzir fibras contínuas de estruturas orgânicas covalentes que podem ser impressas em superfícies para criar estruturas 2D e 3D. Apesar do notável progresso na síntese de estruturas covalentes e orgânicas, o desenvolvimento de um método para facilitar a capacidade de processamento desses materiais continua sendo um desafio, o que torna essa abordagem muito promissora. Este método contribui efetivamente para o campo de materiais cristalinos através da introdução de uma abordagem nobre e sintética para produzir fibras contínuas de estruturas covalentes e orgânicas, aumentando assim sua capacidade de processo.

Para iniciar a fabricação do dispositivo, em uma capela de exaustão, coloque um molde mestre de silício fabricado a partir de um wafer de silício de quatro polegadas em um dessecador a vácuo. Despache 100 microlitros de cloreto de trimetilsilil em um frasco de vidro e coloque o frasco no dessecador a vácuo. Feche o dessecador e coloque-o sob vácuo.

Deixe o vapor de cloreto de trimetilsilil se depositar na superfície do molde mestre por uma hora. Em seguida, ventile lentamente o dessecador. Remova o molde mestre silanizado e feche o dessecador.

Armazene o molde silanizado em um recipiente fechado ou em uma capela de fluxo laminal. Em seguida, em um copo descartável, use uma espátula de plástico para misturar o elastômero PDMS e o agente de cura em uma proporção de peso de 10:0,9. Desgaseifique a mistura em um dessecador a vácuo por 30 minutos.

Em seguida, coloque cuidadosamente quatro quadros de PTFE no molde mestre, de modo que cada quadro envolva um único padrão no molde. Despeje a mistura PTMS nas molduras e sobre o molde até ficar cheio. Cure o PDMS em um forno a 70 graus Celsius por duas horas, depois remova o molde do forno e deixe os chips PDMS esfriarem até a temperatura ambiente na capela de fluxo laminar.

Depois de esfriar, separe cuidadosamente as molduras do molde manualmente. Deslize suavemente os chips PDMS para fora do quadro. Use uma punção de biópsia de 1,5 milímetro para fazer furos de entrada e saída na extremidade dos canais microfluídicos nos chips.

Apare o excesso de PDMS dos cavacos e limpe as superfícies de cavacos e lamínulas com fita adesiva. Coloque os cavacos limpos em um gerador de plasma com os canais abertos voltados para cima, junto com quatro lamínulas de vidro. Evacuar a câmara de recolha e ligar o gerador durante um minuto.

Em seguida, ventile a câmara e remova os cavacos tratados com plasma e as lamínulas. Cole cada cavaco a uma lamínula tratada com os canais abertos voltados para baixo, pressionando suavemente o cavaco na lamínula. Coloque os chips microfluídicos resultantes em um forno a 70 graus Celsius por pelo menos quatro horas para fortalecer a ligação entre o PDMS e o vidro.

Para começar a se preparar para a síntese, desenhe três mililitros de 40 mili molar BTCA em ácido acético em uma seringa de cinco mililitros. Retire três mililitros de TAPB molar de 40 mililitros em ácido acético em outra seringa de cinco mililitros. Use tubos de PTFE com diâmetro interno de 0,8 milímetros e conecte os tubos de um lado às seringas.

Monte ambas as seringas em uma bomba de seringa. Em seguida, encha duas seringas de cinco mililitros com ácido acético, use tubos de PTFE com diâmetro interno de 0,8 milímetros e conecte os tubos de um lado às seringas. Prenda essas seringas em bombas de seringa.

Em seguida, obtenha um chip microfluídico de quatro canais de camada única. Conecte o outro lado da tubulação de PTFE às entradas do dispositivo microfluídico e conecte as seringas às entradas do canal externo. Conecte o comprimento de 15 centímetros da tubulação de PTFE à saída do cavaco.

Fixe a extremidade do tubo em uma placa de Petri de 60 milímetros contendo 10 mililitros de ácido acético. Coloque uma lamínula de vidro ao lado da placa de Petri. Defina cada bomba de seringa para uma vazão de 100 microlitros por minuto e ligue as bombas.

Aguarde um minuto para que os fluxos se estabilizem enquanto monitora a formação de fibras MF-COF no chip. Altere as taxas de fluxo do ácido acético e verifique a tubulação de saída. Se os fluxos de bainha de ácido acético forem muito altos em relação aos fluxos BTCA e TAPB, a suspensão da microestrutura da fibra MF-COF será muito diluída para formar uma fibra contínua.

Se os fluxos da bainha de ácido acético forem muito baixos em relação aos fluxos de reagentes, a alta concentração de fibras MF-COF obstruirá a tubulação de saída. Defina cada seringa para uma taxa de fluxo de 100 microlitros por minuto e aguarde um minuto para que os fluxos se estabilizem. Uma vez que os fluxos tenham se estabilizado e a fibra MF-COF contínua atinja a extremidade do tubo de saída, segure a extremidade do tubo, alguns milímetros acima da superfície.

Mova lentamente o tubo para desenhar uma estrutura MF-COF. As propriedades mecânicas adequadas conduzem a partir da organização microscópica do MF-COF, permitem o uso de fibras MF-COF para a criação isolante de estruturas 2D e 3D na sarafasis. Levante lentamente o tubo dois a três centímetros da superfície para produzir uma fibra MF-COF estável e independente.

Abaixe lentamente o tubo para continuar desenhando uma estrutura 2D ou 3D diretamente na lamínula. As fibras MF-COF foram sintetizadas a partir de TAPB e BTCA, usando um dispositivo microfluídico de quatro canais. A microscopia eletrônica de varredura mostrou que as fibras consistiam em micro e nanofibras interconectadas em estruturas porosas semelhantes a esponjas 3D que conferem as propriedades mecânicas necessárias para imprimir estruturas 2D e 3D.

As estruturas 2D MF-COF foram impressas em superfícies de vidro desenhando formas à medida que a fibra era gerada continuamente. A precisão relativa do processo de impressão foi ainda mais destacada em experimentos de escrita em vidro. As fibras não se fundiram quando padronizadas umas sobre as outras, permitindo a impressão de estruturas 3D.

Além do vidro, as estruturas MF-COF foram impressas em papel tissue, papelão, papel alumínio e poliestireno. Ao tentar este procedimento, lembre-se de executar todas as etapas para a fabricação do dispositivo microfluídico dentro da capela de fluxo laminar e todas as etapas de síntese que envolvem o manuseio de ácido acético sob uma capela de exaustão. Após seu desenvolvimento, essa técnica abre caminho para que os pesquisadores da área de materiais cristalinos explorem novas aplicações tecnológicas que exigem padronização avançada de estruturas 2D e 3D feitas de fibras cristalinas e várias serafinas.

Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como sintetizar a fibra contínua de estruturas orgânicas covalentes usando uma plataforma microfluídica e como imprimir uma fibra produzida e serafse para fazer estruturas 2D e 3D.