Vi viser kontrollert mønster transformasjon av hevelse gel rør av elastisk ustabilitet. En enkel projeksjon micro stereo-litografi oppsett er bygget ved hjelp av en off-the-sokkel digitale data projektor å dikte tredimensjonale polymere strukturer i et lag-på-lag mote. Hevelse hydrogel rør under mekanisk begrensning vise forskjellige omkrets knekking moduser avhengig av dimensjon.
Knekking er en klassisk tema i mekanikk. Mens knekking har lenge blitt studert som en av de viktigste strukturelle feilmodi 1, har det nylig trukket ny oppmerksomhet som en unik mekanisme for mønsteret transformasjon. Naturen er full av slike eksempler der et vell av eksotiske mønstre dannes gjennom mekanisk ustabilitet 2-5. Inspirert av denne elegante mekanisme, har mange studier vist etablering og transformasjon av mønstre ved hjelp av myke materialer som elastomerer og hydrogeler 6-11. Hevelse gels er av spesiell interesse fordi de kan spontant utløse mekanisk ustabilitet å lage ulike mønstre uten behov for ekstern kraft 6-10. Nylig har vi rapportert demonstrasjon av full kontroll over knekking mønster av mikro-skalert rørformede gels med projeksjon mikro-stereolitografi (PμSL), en tre-dimensjonale (3D) produksjonsteknologien i stand til raskt å konvertere datagenererte 3D-modeller into fysiske gjenstander med høy oppløsning 12,13. Her presenterer vi en enkel metode for å bygge opp et forenklet PμSL system ved hjelp av en kommersielt tilgjengelig digital dataprojektor å studere hevelse-indusert knekking ustabilitet for kontrollert mønster transformasjon.
En enkel desktop 3D printer er bygget ved hjelp av en off-the-sokkel digitale data projektor og enkle optiske komponenter som en konveks linse og et speil 14. Tverrsnitt bilder utvunnet fra en 3D solid modell er projisert på det fotofølsomme harpiksoverflaten i sekvens, polymerisere flytende harpiks i en ønsket 3D solid struktur i en lag-for-lag mote. Selv med denne enkle konfigurasjon og enkel prosess, kan vilkårlige 3D-objekter lett fabrikkert med sub-100 mikrometer oppløsning.
Dette skrivebordet 3D printer har potensial i studiet av mykt materiale mekanikk ved å tilby en flott mulighet til å utforske ulike 3D geometrier. Vi bruker dette systemet til fabricaTe rørformet formet hydrogel struktur med forskjellige dimensjoner. Festet på bunnen til substratet, utvikler den rørformede gel inhomogene stress under hevelse, som gir opphav til knekking ustabilitet. Ulike bølgede mønstre vises langs omkretsen av røret når gelen strukturer gjennomgå knekning. Eksperiment viser at omkrets knekking av ønsket modus kan opprettes på en kontrollert måte. Mønster transformasjon av tre-dimensjonalt strukturert rørformede gels har betydelig implikasjon ikke bare i mekanikk og materialvitenskap, men også i mange andre nye felt som tunbare matamaterials.
I hevelse av tubulær hydrogel begrenset på substratet, avhenger stabiliteten bare på t / h og knekking modus bare avhenger h / D 12. Fire grupper av prøver (I-IV) med ulike nivåer av normaliserte tykkelse t / h ble fremstilt, med gruppe I blir tykkere og gruppe IV blir slankere. Hver gruppe består av fire prøver (i-iv) med forskjellige nivåer av normaliserte høyde h / D, med prøven i å være kortere og prøven iv være høyere. Dimensjonene til fabrikkerte prøvene er presentert i tabell 1. Gruppe I og II er utformet for å forbli stabil under hevelse, mens gruppe III og IV er utformet for å spenne og transformere ved svelling. For knekking prøver, Buckling modus skal avta med prøve høyde. Fig. 3A viser eksperimentelle resultat. Som teori forutsier, var prøvene i gruppe I og II stabil og forble sirkulære på hevelse, mens prøvene i gruppe III og IV alle gikk gjennom elastisk ustabilitet og buckled. Også, viste prøvene med samme h / D lik knekking modus. Figur 3B sammenligner eksperimentelt observert knekking moduser av prøvene i gruppe III og IV med teoretisk prediksjon. Vi kan se at prøver med samme h / D utgjøre den samme post-knekking mønster uavhengig av tykkelsen, og at eksperimentelle resultater stemmer godt med teorien.
Vi presenterer hvordan å bygge opp en enkel desktop 3D-utskrift system ved hjelp av en kommersielt tilgjengelig digital data projektor. Den foreslåtte tilnærmingen avhengig photocuring av polymer til construct 3D strukturer, og derfor kan eventuelle photocurable polymerer også brukes generelt, så langt som fotoinitiator har hensiktsmessig absorbansen i synlige bølgelengdeområdet. Oppmerksom på at mange kommersielt tilgjengelige fotoinitiatorer er designet for ultra-fiolett (UV) bølgelengder, men fotoinitiator brukt her har relativt høyere absorbans ved bølgelengder lengre enn 400 nm. Tilbyr en enkel og rask måte å dikte 3D-objekter, vil denne metoden finne mange programmer i ulike områder, inkludert myke materialer i mekanikk demonstrert her.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne ønsker å takke Joseph Muskin og Matthew Ragusa ved University of Illinois i Urbana-Champaign for å gi cross-sectional bilder for 3D-strukturer som er vist 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 |