Summary
We tonen gecontroleerde patroon transformatie van zwelling gel buizen door elastische instabiliteit. Een eenvoudige projectie micro stereo-lithografie installatie is gebouwd met behulp van een off-the-shelf digitale data projector aan drie-dimensionale polymere structuren fabriceren in een laag-voor-laag mode. Zwelling hydrogel buizen onder mechanische dwang weer te geven verschillende omtrek knik modi, afhankelijk van afmeting.
Abstract
Knik is een klassiek onderwerp in de mechanica. Hoewel knik is lang onderzocht als een van de belangrijkste structurele foutmodi 1, is onlangs opgesteld nieuwe aandacht een uniek mechanisme voor patroon transformatie. De natuur is vol van zulke voorbeelden waar een schat aan exotische patronen worden gevormd door middel van mechanische instabiliteit 2-5. Geïnspireerd door dit elegante mechanisme, tal van studies blijkt creatie en transformatie van patronen met behulp van zachte materialen zoals elastomeren en hydrogels 6-11. Zwelling gels zijn van bijzonder belang omdat ze spontaan leiden mechanische instabiliteit verschillende patronen maken zonder externe kracht 6-10. Onlangs hebben we gemeld demonstratie van de volledige controle over knik patroon van micro-schaal buisvormige gels met behulp van projectie micro-stereolithografie (PμSL), een drie-dimensionale (3D) productietechnologie snel kunnen omzetten computer gegenereerde 3D-modellen into fysieke objecten met een hoge resolutie 12,13. Hier presenteren we een eenvoudige methode voor de opbouw van een vereenvoudigd PμSL systeem met behulp van een in de handel verkrijgbare digitale data projector zwelling veroorzaakte knik instabiliteit voor gecontroleerde patroon transformatie te bestuderen.
Een eenvoudige desktop 3D printer is gebouwd met behulp van een off-the-shelf digitale data projector en eenvoudige optische componenten, zoals een bolle lens en een spiegel 14. Dwarsdoorsneden uit een 3D-model wordt geprojecteerd op de fotogevoelige hars oppervlak achtereenvolgens polymeriseren vloeibare hars in een gewenste 3D vaste structuur in een laag-voor-laag mode. Zelfs met deze eenvoudige configuratie en gemakkelijk proces, kan willekeurige 3D-objecten gemakkelijk worden vervaardigd met sub-100 micrometer resolutie.
Deze desktop 3D printer kan potentieel in de studie van zacht materiaal monteurs door het aanbieden van een grote kans om de verschillende 3D geometrieën te verkennen. We gebruiken dit systeem om Fabricate buisvormige structuur hydrogel met verschillende afmetingen. Bevestigd aan de onderkant van het substraat, de buisvormige gel ontwikkelt inhomogene stress tijdens zwelling die aanleiding geeft tot knik instabiliteit. Verschillende golfpatronen worden langs de omtrek van de buis als de gel structuren ondergaan knikken. Experiment blijkt dat omtrek knik gewenste stand kan worden gemaakt op een gecontroleerde manier. Patroon transformatie van driedimensionaal gestructureerd buisvormige gels van betekenis heeft implicatie niet alleen in de mechanica en materiaalkunde, maar ook in veel andere opkomende gebieden zoals afstembare matamaterials.
Protocol
1. Bereiding van prepolymeeroplossing
- Mix poly (ethyleen glycol) diacrylaat (PEG-DA) (gemiddeld molecuulgewicht ~ 575, Sigma-Aldrich) en poly (ethyleenglycol) (PEG) (gemiddeld molecuulgewicht ~ 200, Sigma-Aldrich) 01:02 gewichtsverhouding.
- Voeg 0,67% gew. foto-initiator (Phenylbis (2,4,6-trimethylbenzoyl) fosfineoxide, Sigma-Aldrich). De oplossing moet worden bewaard in een donkere omgeving vanaf dit punt.
- Voeg 0,05% gew. photo-absorber (Sudan I, Sigma-Aldrich).
- Meng de oplossing gedurende 24 uur bij kamertemperatuur met een magnetische roerder.
2. Het opzetten van een Desktop 3D printer met behulp van een Digital Data Projector
- Plaats een digitale data projector op een vlakke en stabiele positie, en sluit deze aan op een computer met Microsoft PowerPoint geïnstalleerd.
- Plaats een convexe lens vlak voor de beam output lens van de digitale projector. Kies een bolle lens naar het brandvlak maken ongeveer 10 cm afstand van de proprojector. (Optische resolutie wordt kleiner voor een lens met een kortere brandpuntsafstand, maar moet men wat ruimte te reserveren voor optische componenten.)
- Plaats een spiegel na de bolle lens op de balk weg bij hoek van 45 ° aan de balk direct recht naar beneden.
- Plaats een monsterhouder in het brandvlak van de geprojecteerde straal. Het monster houder wordt een lineaire fase waarbij de verticale positie van de monsterhouder wordt geregeld.
- Plaats een harsbad onder de monsterhouder.
3. Ontwerp en fabricage van Gel Tubes
- Bepalen diameter, wanddikte en lengte van de gelbuis te vervaardigen.
- Teken cross-sectionele beelden voor de gel buis. De beelden moeten in wit met zwarte achtergrond. Plaats deze afbeelding in Microsoft PowerPoint-dia's.
- Start diavoorstelling in Microsoft PowerPoint en projecteren een afbeelding. Plaats de monsterhouder in het brandvlak door aanpassing van de verticale positie met behulp van attdeed pijn podium.
- Schakelen naar een "dummy" zwarte zodat er geen ongewenste polymerisatie er tegelijkertijd prepolymeeroplossing.
- Pour prepolymeeroplossing te harsbad. Vul het bad tot de oplossing enigszins dekt de monsterhouder. Nu is het klaar voor print 3D-object.
- Schakelen naar de dia met de eerste dwarsdoorsnede beeld van de gelbuis om de eerste laag te polymeriseren. Houd het projecteren van het beeld voor 8 seconden en schakel terug naar "black-out" dia.
- Draai de knop op de lineaire stage met ¼ draai (~ 160 micrometer) om de monsterhouder te verlagen. Nu verse hars stroomt in de gepolymeriseerde eerste laag te dekken.
- Opnieuw projecteren dwarsdoorsnede beeld aan de tweede laag polymeriseren bovenop de procedure is. Herhaal stappen 3.6-3.8 tot gelbuis van de gewenste hoogte is vervaardigd.
- Nadat alle lagen zijn voltooid, tilt u de monsterhouder uit de prepolymeeroplossing, en zorgvuldig te halen de verzonnen monster met behulp van een scheermes blade.
- Spoel het monster in aceton voor ~ 3 uur, en laat ze drogen ~ 1 uur.
4. Zwelling Experiment voor voorgeschreven patroon Vorming door Elastische instabiliteit
- Bereid water-olie dual layer vloeistof in een transparant glas schotel.
- Bevestig de droge monster op een monsterhouder met behulp van superlijm.
- Klap de monsterhouder, zodat het monster op zijn kop. Dompel het monster in het water-olie-bad. Aanpak van het monster van water-olie-interface van de olielaag. De sample begint te zwellen wanneer het monster het wateroppervlak raakt terwijl het basissubstraat deel waarop de gelbuis is vastgesteld verbleven in de bovenste olielaag. Zo kan water diffunderen in de buiswand waardoor het monster zwellen voordat de begrenzende base ontspant door bevochtiging. Bewaak het patroon veranderen als de gel tube zwelt met behulp van een digitale camera.
Representative Results
Een eenvoudig systeem met een PμSL off-the-shelf digitale data projector wordt getoond in Figuur 1. Een convex lens met een brandpuntsafstand van 75 mm concentreert de bundel in kleine belichtingsgebied van 2 cm bij 2 cm. Resulterend in het vlak optische resolutie is ongeveer 45 micrometer. Verticale resolutie wordt bepaald door de nauwkeurigheid niveau van de lineaire fase. Laagdikte van de structuren voor deze studie is 160 um. Elke laag werd gepolymeriseerd gedurende 8 sec licht verlichting. Een representatieve 3D structuur opgebouwd door het systeem wordt getoond in figuur 1D. Deze artikelen bestaat uit 58 lagen PEGDA.
We bereidden fotohardbare PEGDA hydrogel. Laag crosslinking derhalve grote zwelling van PEGDA hydrogel werd bereikt door toevoegen van niet-crosslinking in PEG prepolymeeroplossing. Lengterichting zwelverhouding van de resulterende PEGDA hydrogel is 1,5, wat overeenkomt met meer dan 300% volumetrische expansie.
> Een reeks PEGDA hydrogel buizen werden ontworpen en gefabriceerd op basis van onze theorie 12. Wij plaatsten een monster omgekeerd en in het bad met water bedekt met olielaag geplaatst zoals getoond in figuur 2A. Afhankelijk van de dimensionale parameters, ronde buizen ofwel stabiel of omgezet in een golfpatroon zoals weergegeven in figuur 2B. De grote verscheidenheid van zwelling patroon van verschillende monsters werd gevangen door een digitale camera en in Figuur 3A.
Figuur 1. Een desktop projectie micro-stereolithografie-systeem (a) schematische voorstelling (b) werkelijke systeem (c) close-up weer van componenten (d) representatief 3D structuren. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken .
Figuur 2. (A) Experimentele opstelling voor hydrogel buis zwelling (b) beperkt hydrogel buis verandert in verschillende patronen. Scale balk geeft 5 mm.
Figuur 3. (A) Patronen gevormd in zwelling experiment. Verticale as geeft t / h (dus stabiliteit) en horizontale as geeft h / D (dus knikvorm). Scale balk geeft 5 mm. (B) Knik modus is alleen afhankelijk van h / D. Experimentele resultaat komt goed overeen met de theoretische voorspelling. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken .
| Sample </ Strong> | D (pm) | t (pm) | h (pm) | |
| Ik | ik | 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 | ik | 9000 ± 420 | 480 ± 40 | 880 ± 40 |
| ii | 9000 ± 420 | 1060 ± 40 | ||
| iii | 9500 ± 420 | 740 ± 40 | 1350 ± 40 | |
| iv | 9200 ± 420 | 970 ± 40 | 1650 ± 40 | |
| III | ik | 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 | ik | 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 | |
Tabel 1. Monsterafmetingen gemeten door optische microscoop. Fouten aan te geven meetonzekerheid.
Discussion
In zwelling van hydrogel buisvormige beperkt op het substraat, stabiliteit alleen afhangt t / h en knikvorm alleen afhankelijk h / D 12. Vier groepen van monsters (I-IV) met verschillende genormaliseerde dikte t / h werden gefabriceerd met groep I en groep is dikker IV wordt slanker. Elke groep bestaat uit vier monsters (i-iv) met verschillende genormaliseerde hoogte h / D, met het monster i korter en het monster wordt groter iv. Afmetingen van de vervaardigde monsters zijn weergegeven in Tabel 1. I en II zijn ontworpen om stabiel te blijven tijdens zwelling, terwijl groep III en IV zijn ontworpen om knikken en bij zwellen transformeren. Voor knik monsters, Buckling-modus moet verminderen met het monster hoogte. Figuur 3A toont experimenteel resultaat. Als theorie voorspelt, monsters in groep I en II waren stabiel en bleef ronde op zwelling, terwijl monsters in groep III en IV gingen allemaal door elastische instabiliteit en vastgemaakt. Ook monsters met dezelfde h / D getoond, zoals knikvorm. Figuur 3B vergelijkt experimenteel waargenomen plooien vormen van monsters in groep III en IV met theoretische voorspellingen. We kunnen zien dat monsters met dezelfde h / D houden hetzelfde post-knik patroon, ongeacht de dikte en dat experimentele resultaten komen goed overeen met de theorie.
Wij presenteren hoe het opbouwen van een eenvoudige desktop 3D printing-systeem met behulp van een in de handel verkrijgbare digitale data projector. De voorgestelde aanpak is gebaseerd op photocuring van polymeer tot construct 3D structuren en derhalve elke uithardbare polymeren kunnen ook worden gebruikt in het algemeen, voor zover de fotoinitiator nodig absorptie in het zichtbare golflengtegebied heeft. Merk op dat vele commercieel verkrijgbare foto-initiatoren zijn ontworpen voor ultra-violet (UV) golflengtes, maar de hier gebruikte fotoinitiator relatief hogere absorptie bij golflengten langer dan 400 nm. Het aanbieden van een gemakkelijke en snelle manier om 3D-objecten te fabriceren, zal deze methode vinden vele toepassingen in verschillende domeinen waaronder zachte materialen mechanica zoals hier aangetoond.
Disclosures
Geen belangenconflicten verklaard.
Acknowledgments
De auteurs willen graag Joseph Muskin en Matthew Ragusa dank aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign voor het verstrekken van cross-sectionele beelden voor 3D-structuren weergegeven in figuur 1D.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Poly(ethylene glycol) diacrylate | Sigma-Aldrich | 437441 | Mw~575 |
| Poly(ethylene glycol) | Sigma-Aldrich | P3015 | Mw~200 |
| phenylbis(2,4,6-trimethylbenzoyl) phosphine oxide | Sigma-Aldrich | 511447 | Photo-initiator |
| Sudan I | Sigma-Aldrich | 103624 | Photo-absorber |
| Digital data projector | Viewsonic | PJD6221 | |
| Convex lens | Thorlabs | LA1145 | f = 75.0 mm |
| Mirror | 4" silicon wafer | ||
| Manual stage | Velmex | A2506DE-S2.5 |
References
- 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).
