Vi visar kontrollerat mönster omvandling av svällande gel rör genom elastisk instabilitet. En enkel projektion mikro stereo-litografi inställning är byggt med en off-the-shelf digitala dataprojektor att tillverka tredimensionella polymera strukturer i en lager-på-lager mode. Svullnad hydrogel rör under mekanisk begränsning visa olika omkrets buckling lägen beroende på dimension.
Buckling är en klassisk fråga i mekanik. Medan buckling har länge studerats som en av de stora strukturella felmoder 1, har det upprättats nyligen ny uppmärksamhet som en unik mekanism för mönster omvandling. Naturen är full av sådana exempel där en mängd exotiska mönster bildas genom mekanisk instabilitet 2-5. Inspirerad av detta eleganta mekanism har många studier visat skapande och omvandling av mönster med mjuka material som elastomerer och hydrogeler 6-11. Svullnad geler är av särskilt intresse eftersom de kan spontant utlösa mekanisk instabilitet att skapa olika mönster utan behov av extern kraft 6-10. Nyligen har vi rapporterat demonstration av full kontroll över knäckning mönster av mikro-skalas rörformiga geler med projektion mikro-stereolitografi (PμSL), en tredimensionell (3D) tillverkningsteknik som snabbt omvandla datorgenererade 3D-modeller into fysiska objekt med hög upplösning 12,13. Här presenterar vi en enkel metod för att bygga upp ett förenklat PμSL system med en kommersiellt tillgänglig digitalt dataprojektor för att studera svullnad-inducerad knäckning instabilitet för kontrollerad mönster omvandling.
En enkel stationär 3D-skrivare är byggt med en off-the-shelf digitala dataprojektor och enkla optiska komponenter såsom en konvex lins och en spegel 14. Tvärsnittsdata bilder extraherade från en 3D solid modell projiceras på det ljuskänsliga hartset yta i sekvens, polymerisera flytande harts till en önskad 3D fast struktur i ett skikt-för-skikt mode. Även med denna enkla konfiguration och enkel process, kan godtyckliga 3D-objekt enkelt tillverkas med sub-100 nm upplösning.
Detta skrivbord 3D-skrivare har potential i studien av mjukt material mekanik genom att erbjuda en stor möjlighet att utforska olika 3D-geometrier. Vi använder detta system för att Fabricate rörformiga hydrogel struktur med olika dimensioner. Fast på botten till underlaget, utvecklar den rörformiga gel inhomogena stress under svullnad, vilket ger upphov till knäckning instabilitet. Olika vågmönster visas längs omkretsen av röret då gelstrukturer genomgår buckling. Experiment visar att perifera buckling av önskat läge kan skapas på ett kontrollerat sätt. Mönster omvandling av tredimensionellt strukturerade rörformiga geler har betydande konsekvenser inte bara i mekanik och materialvetenskap, men även i många andra tillväxtländer områden såsom avstämbara matamaterials.
Vid svallning av hydrogelen rörformiga begränsas på substratet, beror stabilitet endast på t / h och buckling mode beror endast på H / D 12. Fyra grupper av prover (I-IV) med olika nivåer av normaliserad tjocklek t / h tillverkades, med grupp I är tjockare och grupp IV är smalare. Varje grupp består av fyra prover (I-IV) med olika normaliserad höjd H / D, med prov i är kortare och provet IV är längre. Dimensionerna hos de tillverkade proven presenteras i tabell 1. Grupp I och II är utformade för att hålla stabil under svallning, medan grupp III och IV är utformade för att bucklas och omvandla vid svallning. För knäckning prover Buckling-läge bör minska med prov höjd. Figur 3A visar experimentella resultat. Som teori förutsäger togs prover i grupp I och II stabil och förblev cirkulär om svullnad, medan prover i grupp III och IV alla gick igenom elastisk instabilitet och spände. Även visade prov med samma H / D liknande knäckning läge. Figur 3B jämför experimentellt observerade instabilitetsfall av prover i grupp III och IV med teoretisk förutsägelse. Vi kan se att prover med samma H / D utgöra samma post-knäckning mönster oavsett tjocklek och att experimentella resultat stämmer väl överens med teorin.
Vi presenterar hur man bygger upp en enkel skrivbordssystem 3D-utskrifter med hjälp av en kommersiellt tillgänglig digitalt dataprojektor. Den föreslagna strategin bygger på fotohärdning av polymer till konStruct 3D strukturer, och därför kan alla fotohärdbara polymerer även användas i allmänhet, så långt som fotoinitiatorn har lämplig absorbans i synliga våglängdsområdet. Observera att många kommersiellt tillgängliga fotoinitiatorer är konstruerade för ultraviolett (UV) våglängder, men fotoinitiatorn används här har relativt högre absorbans vid våglängder längre än 400 nm. Erbjuder ett enkelt och snabbt sätt att tillverka 3D-objekt, kommer denna metod hitta många tillämpningar inom olika områden, inklusive mjuka material mekanik som visas här.
The authors have nothing to disclose.
Författarna vill tacka Joseph Muskin och Matthew Ragusa vid University of Illinois i Urbana-Champaign för att ge tvärsnittsdata bilder för 3D-strukturer som visas i figur 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 |