Summary
Vi viser kontrolleret mønster transformation af kvældende gel rør ved elastisk ustabilitet. En simpel fremskrivning micro stereo-litografi setup er bygget ved hjælp af en off-the-shelf digital dataprojektor at fabrikere tredimensionelle polymere strukturer i et lag-for-lag mode. Hævelse hydrogel rør under mekanisk tvang vise forskellige perifere foldning tilstande afhængigt af dimension.
Abstract
Buckling er en klassisk emne i mekanik. Mens buckling længe har været undersøgt som en af de store strukturelle fejltilstande 1, er det for nylig trukket ny opmærksomhed som en enestående mekanisme til mønster transformation. Naturen er fuld af sådanne eksempler, hvor et væld af eksotiske mønstre dannes ved mekanisk ustabilitet 2-5. Inspireret af denne elegante mekanisme, har mange undersøgelser vist oprettelse og omdannelse af mønstre ved hjælp af bløde materialer såsom elastomerer og hydrogeler 6-11. Hævelse geler er af særlig interesse, fordi de spontant kan udløse mekanisk ustabilitet at skabe forskellige mønstre uden behovet for ydre kraft 6-10. For nylig har vi rapporteret demonstration af fuld kontrol over buckling mønster af mikro-skaleret rørformede geler ved hjælp af projektion mikro-stereolitografi (PμSL), en tredimensional (3D) fremstillingsteknologi i stand til hurtigt at konvertere computer genererede 3D-modeller inFor fysiske objekter med høj opløsning 12,13. Her præsenterer vi en simpel metode til at opbygge et forenklet PμSL system ved hjælp af en kommercielt tilgængelig digital dataprojektor at studere hævelse-induceret buckling ustabilitet for kontrolleret mønster transformation.
En simpel desktop 3D-printer er bygget ved hjælp af en off-the-shelf digital data projektor og simple optiske komponenter såsom en konveks linse og et spejl 14. Tværsnitsbilleder ekstraheret fra en 3D solid model projiceres på den lysfølsomme harpiks overflade i rækkefølge, polymerisation flydende harpiks ind i en ønsket 3D fast struktur i et lag-for-lag mode. Selv med denne enkle konfiguration og nem proces, kan vilkårlige 3D-objekter let fremstilles med sub-100 um opløsning.
Denne desktop 3D-printer er potentiale i studiet af blødt materiale mekanik ved at tilbyde en fantastisk mulighed for at udforske forskellige 3D-geometrier. Vi bruger dette system til Fabricate rørformede hydrogelstrukturen med forskellige dimensioner. Fastgjort i bunden til substratet, den rørformede gel udvikler uensartet belastning under kvældning, som giver anledning til udbuling ustabilitet. Forskellige bølgemønstre forekommer langs omkredsen af røret, når gelstrukturer underkastes foldning. Eksperimenter viser, at omkredsen foldning af den ønskede tilstand kan laves på en kontrolleret måde. Mønster transformation af tre-dimensionelt struktureret rørformede geler har en betydelig konsekvenser ikke kun i mekanik og materiallære, men også i mange andre nye områder såsom afstemmelige matamaterials.
Protocol
1. Fremstilling af præpolymeropløsning
- Mix poly (ethylenglycol)-diacrylat (PEG-DA) (gennemsnitlig molekylvægt ~ 575, Sigma-Aldrich) og poly (ethylenglycol) (PEG) (gennemsnitlig molekylvægt ~ 200, Sigma-Aldrich) i 01:02 vægtforhold.
- Tilsættes 0,67% wt. fotoinitiator (Phenylbis (2,4,6-trimethylbenzoyl) phosphinoxid, Sigma-Aldrich). Opløsningen skal opbevares i mørke omgivelser fra dette punkt.
- Sæt 0,05 vægt-%. foto-absorber (Sudan I, Sigma-Aldrich).
- Bland opløsningen i 24 timer ved stuetemperatur under anvendelse af en magnetomrører.
2. Opsætning af en Desktop 3D printer ved hjælp af en Digital Data Projector
- Placer en digital dataprojektor på en flad og stabil position, og tilslut den til en computer med Microsoft PowerPoint installeret.
- Placere en konveks linse lige foran strålen output linse digital projektor. Vælge en konveks linse til at brændplanet omkring 10 cm fra proprojektoren. (Optisk opløsning bliver mindre for en linse med kortere brændvidde, men man skal reservere plads til optiske komponenter.)
- Placere et spejl efter den konveks linse på strålegangen ved 45 ° vinkel for at lede strålen lige ned.
- Anbring en prøveholder i brændplanet for det projicerede stråle. Prøveholderen skal tillægges en lineær fase, hvorved den lodrette position af prøveholderen styres.
- Placere et harpiksbad under prøveholderen.
3. Design og fremstilling af gelbarriere
- Bestem diameter, vægtykkelse, og højden af gelen røret, der skal fremstilles.
- Drage tværsnitsbilleder til gelrør. Billederne skal være i hvid med sort baggrund. Indsæt disse billede i Microsoft PowerPoint-slides.
- Start slideshow i Microsoft PowerPoint og projicere et billede. Anbring prøveholderen på fokalplanet ved at justere den lodrette position ved hjælp attsmertede fase.
- Skift til en "dummy" sort billede, så der vil være nogen uønsket polymerisation samtidig lægge præpolymeropløsning.
- Hæld præpolymeropløsning til harpiksbadet. Fyld badet indtil opløsningen lidt omfatter prøveholderen. Nu er klar til print 3D objekt.
- Skifte til objektglasset med den første tværgående billede af gelrør at polymerisere det første lag. Hold projicere billedet til 8 sek og skifte tilbage til "blackout" slide.
- Drej knappen på den lineære fase med ¼ turn (~ 160 um) for at sænke prøveholderen. Nu frisk harpiks flyder ind for at dække det polymeriserede første lag.
- Projicere tværgående billede igen for at polymerisere det andet lag oven på foranstående. Gentag trin 3,6-3,8 indtil gelrør af den ønskede højde fremstilles.
- Når alle lag er færdige, skal du løfte prøveholder ud af præpolymeropløsning, og hente den fabrikerede prøve forsigtigt med en barbermaskine BLADe.
- Skyl prøven i acetone for ~ 3 timer, og derefter lade det tørre i ~ 1 time.
4. Hævelse Eksperiment for Ordineret designliste Stiftelse ved Elastik Ustabilitet
- Forbered vand-olie dual layer væske i et gennemsigtigt glas fad.
- Fastgør tør prøve på en prøveholder ved hjælp af super lim.
- Vend prøveholderen, således at prøven er vendt på hovedet. Nedsænk prøven i vand-olie væskebad. Nærme prøven til vand-olie-grænseflade fra olielaget. Prøven begynder at kvælde, når prøven berører vandoverfladen, mens basissubstratet del, som gelrør blev fastsat holdt i den øverste olielag. På denne måde kan vandet diffundere ind i rørvæggen lade prøven kvælde før begrænsende basen slapper ved befugtning. Overvåg mønster ændring som de gelrøret svulmer ved hjælp af et digitalt kamera.
Representative Results
En simpel PμSL system ved hjælp af en off-the-shelf digital dataprojektor er vist i figur 1. En konveks linse med en brændvidde på 75 mm koncentrerer strålen i små belysning areal på 2 cm x 2 cm. Resulterende i planet optisk opløsning er omkring 45 um. Vertikal opløsning bestemmes af præcisionsniveau af den lineære fase. Lagtykkelse af strukturer fremstillet til denne undersøgelse er 160 um. Hvert lag blev polymeriseret for 8 sek lys belysning. En repræsentativ 3D-struktur fremstillet af systemet er vist i figur 1D. Dette formål består af 58 lag af PEGDA.
Vi fremstillet lyshærdende PEGDA hydrogel. Lav tværbinding, således store hævelser, af PEGDA hydrogel blev opnået ved tilsætning af ikke-tværbindende PEG til præpolymeropløsningen. På langs kvældningsforholdet af resulterende PEGDA hydrogelen er 1,5, hvilket svarer til mere end 300% volumetrisk ekspansion.
> Et sæt af PEGDA hydrogel rør blev designet og fremstillet på grundlag af vores teori 12. Vi placeret en prøve på hovedet og sat i badet med vand dækket med olielag oven som illustreret i figur 2A. Afhængigt af dimensionsparametre, cirkulære rør enten stabil eller omdannes til et bølgeformet mønster som vist i figur 2B. Den brede vifte af hævelse mønster af forskellige prøver blev fanget af et digitalt kamera og præsenteret i figur 3A.
Figur 1. En desktop fremskrivning mikro-stereolitografi system (a) skematisk fremstilling (b) faktiske system (c) close-up billede af komponenterne (d) repræsentative 3D strukturer. Klik her for at se større figur .
Figur 2. (A) Eksperimentel opsætning for hydrogel rør hævelse (b) begrænset hydrogel rør omdannes til forskellige mønstre. Scale bjælke angiver 5 mm.
Figur 3. (A) Mønstre dannet i hævelse eksperiment. Vertikale akse angiver t / h (hvilket stabilitet), og vandrette akse angiver h / D (således buckling tilstand). Scale bjælke angiver 5 mm. (B) Knæk tilstand afhænger kun af h / D. Eksperimentel resultat stemmer godt overens med den teoretiske forudsigelse. Klik her for at se større figur .
| Sample </ Strong> | D (um) | t (um) | h (um) | |
| Jeg | Jeg | 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 | Jeg | 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 | Jeg | 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 | Jeg | 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. Sample dimensioner måles ved hjælp af optisk mikroskop. Fejl indikerer måleusikkerhed.
Discussion
I hævelse af rørformet hydrogel begrænset på substratet, afhænger stabiliteten kun t / h og buckling tilstand kun afhænger h / D 12. Fire grupper af prøver (I-IV) med forskellige niveauer af normaliseret tykkelse t / h blev fremstillet, med gruppe jeg bliver tykkere og gruppe IV er mere slank. Hver gruppe består af fire prøver (I-IV) med forskellige niveauer af normaliseret højde h / D, med prøven i er kortere og prøven iv bliver højere. Dimensionerne af de fremstillede prøver er vist i tabel 1.. Gruppe I og II er designet til at forblive stabil under kvældning, medens gruppe III og IV er designet til at spænde og transformere efter kvældning. For udknækning prøver, Buckling tilstand skal falde med prøve højde. Figur 3A viser eksperimentelle resultat. Som teori forudsiger, prøver i gruppe I og II var stabile og forblev cirkulære om hævelse, mens prøver i gruppe III og IV alle gik gennem elastisk ustabilitet og spændte. Også prøver med det samme h / D viste lignende buckling mode. 3B sammenligner eksperimentelt observeret knækstænger former for prøver i gruppe III og IV med teoretisk forudsigelse. Vi kan se, at prøver med det samme h / D udgør samme post-buckling mønster uanset tykkelsen, og at eksperimentelle resultater stemmer godt overens med teorien.
Vi præsenterer hvordan man opbygger en simpel desktop 3D-print system ved hjælp af en kommercielt tilgængelig digital data projektor. Den foreslåede tilgang er baseret på fotohærdning af polymer til construct 3D strukturer, og derfor kan eventuelle fotohærdelige polymerer også anvendes i almindelighed, hvad angår fotoinitiatoren har passende absorbans i synlige bølgelængdeområde. Bemærk, at mange kommercielt tilgængelige fotoinitiatorer er beregnet til ultraviolet (UV) bølgelængder, men fotoinitiatoren anvendes her, har forholdsvis højere absorbans ved bølgelængder længere end 400 nm. Tilbyder en nem og hurtig måde at fremstille 3D-objekter, vil denne metode finder mange anvendelser inden for forskellige områder, herunder bløde materialer mekanik som demonstreret her.
Disclosures
Ingen interessekonflikter erklæret.
Acknowledgments
Forfatterne vil gerne takke Joseph Muskin og Matthew Ragusa ved University of Illinois i Urbana-Champaign for at levere tværsnitsdata billeder til 3D-strukturer er vist i figur 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).
