我们证明肿胀凝胶管控制模式转型的弹性不稳定。一个简单的投影微立体光刻设置的是使用的现成的数字数据投影机制造三维聚合物结构层一个层的方式。溶胀水凝胶管机械约束下显示不同的圆周屈曲模式,根据尺寸。
屈曲力学中是一个经典的话题。虽然屈曲长期以来一直研究的主要结构故障模式之一,它最近引起了新的关注,作为一个独特的机制,模式转型。自然是充满了这样的例子,在那里形成了丰富的异国情调的图案通过机械性不稳定2-5。这家典雅的机制的启发,许多研究表明,建立和改造的模式,使用软质材料,如弹性体和凝胶6-11。溶胀凝胶是特别感兴趣的,因为它们可以自发地触发机械不稳定性来创建各种图案,而不需要外力6-10。最近,我们曾报道了示范屈曲模式的规模微管凝胶使用投影微立体光刻(PμSL)的,三维(3D)的制造技术,能够迅速将计算机生成的三维模型我的完全控制权置身于物理对象在高分辨率12,13。在这里,我们提出了一个简单的方法来建立一个的简化PμSL系统,使用市售的数字数据投影机肿胀引起的屈曲失稳的控制方式转变的研究。
一个简单的桌面3D打印机使用的现成的数字数据投影机和简单的光学元件,如凸透镜和镜子14。从三维实体模型提取的横截面的图像被投影在感光性树脂表面顺序,液体树脂聚合成所需的三维固体结构中的层由层的方式。即使这个简单的配置和简单的过程,可以很容易制作任意三维物体低于100微米的分辨率。
桌面3D打印机具有潜在的软材料力学的研究提供了很好的机会,探索各种3D几何。我们使用这个系统来法布里卡特筒状水凝胶具有不同尺寸的结构。固定在基板的底部,管状凝胶开发期间肿胀,这就会引起屈曲失稳不均匀应力。出现各种波状图案沿着所述管的外周时,凝胶的结构进行屈曲。实验结果表明,周屈曲所需的模式,可以以受控的方式创建。模式转型的三维结构管状凝胶具有显着的含义不仅在力学和材料科学,而且在许多等新兴领域,如可调matamaterials。
在肿胀的管状水凝胶在所述基板上的制约,稳定性只依赖于吨/小时和屈曲模式仅取决于在 h / D 12。四组样品的制作有不同程度的归一化厚度T / H(I-IV),I组厚和IV组更加修长。每个组由四个样品不同程度的归一化高度 h / D(I-IV),与样品 i短,样品四高。制备的样品的尺寸示于表1。 I 组和II的目的是在溶胀过程中保持稳定,而III和IV组的设计扣,改造后肿胀。屈曲样品,巴克林g模式应减少样品高度。 图3A显示了实验结果。理论预测,I 组和II的样品是稳定的,保持圆形肿胀,而III和IV组的样品中都经历了弹性不稳定,沉着应战。此外,样品具有相同的H / D显示类似的屈曲模态。 图3B实验观察到的屈曲模态的样品进行比较,III和IV组与理论预测。我们可以看到,样品具有相同的H / D构成相同的后屈曲模式的厚度无关,而与理论,实验结果吻合得很好。
我们提出了如何建立一个简单的桌面3D打印系统,使用市售的数字数据投影机。本文提出的方法依赖于光固化聚合物浓度结构的三维结构,因此,任何光固化的聚合物也可以使用一般,作为光引发剂在可见光波长范围内具有适当的吸光度。注意,许多市售的光聚合引发剂被设计用于超紫外线(UV)的波长,但这里所用的光引发剂在波长长于400nm的具有相对较高的吸光度。提供一个简单而快速的方式制作的3D对象,这个方法就可以找到许多应用在各个领域,包括软质材料力学,这里展示的。
The authors have nothing to disclose.
想伊利诺伊大学Urbana-Champaign分校感谢约瑟夫Muskin的马修拉古萨提供的横截面图像的三维结构如图1D。
Name of the reagent | Company | Catalogue number | Comments (optional) |
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 |