Summary
Demonstramos transformação padrão controlado de tubos de gel de inchamento pela instabilidade elástica. Um simples projecção de configuração estéreo-litografia micro é construído usando um off-the-shelf projector de dados digitais para o fabrico de estruturas tridimensionais poliméricas de uma forma de camada por camada. Inchaço tubos de hidrogel sob constrangimento mecânico exibir vários modos de instabilidade circunferenciais, dependendo da dimensão.
Abstract
Flambagem é um tema clássico em mecânica. Enquanto flambagem tem sido estudado como um dos principais modos de falhas estruturais 1, apresentou recentemente um novo chamado a atenção como um mecanismo único para transformação padrão. A natureza é cheia de exemplos onde uma grande variedade de padrões exóticos são formados por 2-5 instabilidade mecânica. Inspirado por este mecanismo elegante, muitos estudos têm demonstrado criação e transformação de padrões usando materiais suaves, como elastômeros e hidrogéis 6-11. Géis inchamento são de interesse particular porque podem provocar instabilidade mecânica espontaneamente para criar vários padrões, sem a necessidade de uma força externa 6-10. Recentemente, relatou demonstração de controle total sobre flambagem padrão de micro-escala géis tubulares usando projeção micro-estereolitografia (PμSL), uma imagem tridimensional da tecnologia de fabricação (3D) capaz de converter rapidamente gerados por computador modelos 3D into objetos físicos em alta resolução 12,13. Aqui apresentamos um método simples para construir um sistema simplificado PμSL utilizar um produto digital, projetor de dados para estudar inchaço induzido por instabilidade flambagem para a transformação padrão controlado.
Uma impressora de mesa 3D simples é construído usando um off-the-shelf digital, projetor de dados e simples componentes ópticos, como uma lente convexa e um espelho de 14. Imagens transversais extraídos a partir de um modelo 3D sólido é projectado sobre a superfície da resina fotossensível em sequência, a polimerização de resina líquida a uma desejada estrutura 3D de uma forma sólida de camada por camada. Mesmo com essa configuração simples e processo fácil, arbitrárias objetos 3D podem ser facilmente fabricados com sub-resolução de 100 m.
Esta impressora desktop 3D tem um potencial no estudo da mecânica material macio, oferecendo uma grande oportunidade para explorar várias geometrias 3D. Usamos este sistema para fabricate tubular em forma de hidrogel estrutura com dimensões diferentes. Fixada na parte inferior do substrato, o gel tubular desenvolve o stress não homogéneo durante o inchaço, o que dá origem a instabilidade de flambagem. Vários padrões ondulados aparecem ao longo da circunferência do tubo, quando as estruturas de gel sofrer flambagem. Experimento mostra que circunferencial encurvadura de modo desejado, pode ser criado de forma controlada. Transformação padrão de tridimensionalmente estruturados géis tubulares tem implicação importante não só em mecânica e ciência dos materiais, mas também em muitos outros campos emergentes, como matamaterials ajustáveis.
Protocol
1. Preparação da solução de pré-polímero
- Mistura poli (etileno glicol) diacrilato (PEG-DA) (peso molecular médio ~ 575, Sigma-Aldrich) e poli (etileno glicol) (PEG) (peso molecular médio ~ 200, Sigma-Aldrich) em razão 1:2 em peso.
- Adicionar 0,67% em peso. foto-iniciador (Phenylbis (2,4,6-trimetilbenzoil) fosfina, Sigma-Aldrich). A solução deve ser mantida em ambiente escuro a partir deste ponto.
- Adicionar 0,05% em peso. foto-absorvente (Sudan I, Sigma-Aldrich).
- Misture a solução durante 24 horas à temperatura ambiente usando um agitador magnético.
2. Configurando uma impressora 3D Desktop Usando um projetor digital de dados
- Coloque um digital projetor de dados em uma posição plana e estável, e conectá-lo a um computador com o Microsoft PowerPoint instalado.
- Coloque uma lente convexa para a direita em frente da lente do feixe de saída do projector digital. Escolha de uma lente convexa para tornar o plano focal de cerca de 10 cm de distância da proprojetor. (Resolução óptica torna-se menor para uma lente com distância focal menor, mas é preciso reservar algum espaço para os componentes ópticos.)
- Colocar um espelho após a lente convexa no caminho do feixe em ângulo de 45 ° para dirigir o feixe para baixo.
- Colocar um suporte de amostra no plano focal do feixe projectado. O suporte de amostra deve ser ligado a uma fase linear, através da qual a posição vertical do suporte da amostra é controlada.
- Colocar num banho de resina de baixo do suporte de amostras.
3. Projeto e fabricação de tubos de gel
- Determinar o diâmetro, espessura da parede, e a altura do tubo de gel a ser fabricado.
- Desenhar imagens transversais para o tubo de gel. As imagens devem ser em branco com fundo preto. Inseri-las de imagem em slides do Microsoft PowerPoint.
- Iniciar apresentação de slides no Microsoft PowerPoint e projectar qualquer imagem. Colocar o suporte da amostra no plano focal, ajustando a posição vertical, utilizando attdoía palco.
- Mudar para uma imagem "dummy" preto de modo que não haverá polimerização indesejada ao colocar solução de pré-polímero.
- Despeje a solução de pré-polímero banho de resina. Encher o banho até a solução ligeiramente cobre o suporte da amostra. Agora ele está pronto para o objeto 3D de impressão.
- Mudar para a lâmina que contém a imagem da secção transversal do tubo do primeiro gel para polimerizar a primeira camada. Mantenha projetar a imagem para 8 seg e voltar para o "apagão" de slides.
- Gire o botão no palco linear por ¼ de volta (~ 160 pm) para reduzir o suporte da amostra. Agora resina fresca flui para cobrir a camada polimerizada em primeiro lugar.
- Projectar a imagem da secção transversal de novo para polimerizar a segunda camada no topo de um processo. Repita os passos 3,6-3,8 até que o tubo de gel de a altura desejada é fabricado.
- Uma vez que todas as camadas estão completos, levantar o suporte da amostra para fora da solução de pré-polímero, e recuperar a amostra fabricada cuidadosamente usando uma navalha blade.
- Lavar a amostra em acetona para ~ 3 horas, e depois deixe-o secar por ~ 1 hora.
4. Inchaço Experiência de Formação padrões prescritos pela instabilidade elástica
- Preparar água-óleo líquido de camada dupla em um prato de vidro transparente.
- Fixe a amostra seca em um suporte de amostra usando super cola.
- Virar o suporte de amostras de modo a que a amostra é de cabeça para baixo. Imergir a amostra no banho de água-óleo líquido. Aproximar a amostra a água-óleo de interface da camada de óleo. A amostra começa a inchar quando a amostra atinge a superfície da água, enquanto que a parte do substrato de base no qual o tubo de gel foi fixado esteve no topo da camada de óleo. Deste modo, a água pode difundir-se a parede do tubo permitindo que a amostra incham antes da base restringindo relaxa por molhagem. Monitorar a mudança de padrão, como as ondas de gel tubo com uma câmera digital.
Representative Results
Um sistema simples PμSL usando um off-the-shelf projector de dados digital é mostrado na Figura 1. Uma lente convexa com uma distância focal de 75 mm concentra o feixe de iluminação para a área pequena de 2 cm por 2 cm. Resultando em avião resolução óptica é de aproximadamente 45 m. Resolução vertical é determinado pelo nível de precisão de fase linear. Espessura da camada das estruturas feitas para este estudo é de 160 ^ m. Cada camada foi polimerizada para iluminação de luz 8 seg. A estrutura 3D representativa fabricada pelo sistema é mostrado na Figura 1D. Este objeto consiste de 58 camadas de PEGDA.
Preparamos fotocurável hidrogel PEGDA. Reticulação baixa, inchaço, portanto, de grande porte, de hidrogel PEGDA foi conseguido pela adição de PEG não reticulado em solução de pré-polímero. Longitudinalmente relação inchamento do hidrogel PEGDA resultante é 1,5, o que corresponde a 300% maior do que a expansão volumétrica.
> Um conjunto de tubos de hidrogel PEGDA foram concebidos e fabricados com base na nossa teoria 12. Colocámos uma amostra de cabeça para baixo e colocado no banho de água coberto com uma camada de óleo no topo, como ilustrado na Figura 2A. Dependendo dos parâmetros dimensionais, tubos circulares permaneceu estável ou transformados em um padrão ondulado como ilustrado na Figura 2B. A grande variedade de inchaço padrão de amostras diferentes foi capturada por uma câmara digital e apresentadas na Figura 3A.
Figura 1. Uma área de trabalho sistema de projeção micro-estereolitografia (a) representação esquemática (b) sistema real (c) close-up de componentes (d) representante estruturas 3D. Clique aqui para ver maior figura .
Figura 2. (A) a instalação experimental para o tubo de hidrogel inchaço (b) Tubo de hidrogel constrangido transforma em padrões diferentes. Barra de escala indica 5 mm.
Figura 3. (A) Patterns formada em inchaço experimento. Eixo vertical indica t / h (assim a estabilidade) e, em eixo horizontal indica h / D (assim flambagem modo). Barra de escala indica 5 mm. (B) Flambagem modo depende apenas de h / D. Resultado experimental está de acordo com a previsão teórica. Clique aqui para ver maior figura .
| Amostra </ Strong> | D (mm) | t (mm) | h (mm) | |
| Eu | Eu | 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 | Eu | 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 | Eu | 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 | Eu | 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 | |
As dimensões da tabela 1. Amostra medida através de microscópio óptico. Erros indicam incerteza de medição.
Discussion
Em inchaço hidrogel tubular restringida sobre o substrato, estabilidade depende apenas t / h e o modo de deformação depende apenas de h / D 12. Quatro grupos de amostras (I-IV) com níveis diferentes de espessura normalizada t / h foram fabricados, com o grupo I de ser mais espessa e grupo IV sendo mais delgada. Cada grupo é composto por quatro amostras (I-IV) com diferentes níveis de altura normalizada h / D, com a amostra i ser mais curto e a amostra iv ser mais alto. Dimensões das amostras fabricadas são apresentados na Tabela 1. Grupo I e II são concebidos para permanecer estável durante o inchamento, enquanto que o grupo III e IV destinam-se a fivela e transformar mediante inchamento. Para amostras de flambagem, Buckling modo deve diminuir com a altura da amostra. Figura 3A mostra o resultado experimental. Como a teoria prevê, as amostras do grupo I e II eram estáveis e permaneceram circular sobre o inchamento, enquanto que as amostras do grupo III e IV tudo passou por instabilidade elástica e dobraram. Além disso, as amostras com o mesmo h / D exibido o modo de deformação semelhante. Figura 3B compara observados experimentalmente modos de instabilidade de amostras do grupo III e IV, com a previsão teórica. Podemos ver que as amostras com o mesmo h / D representam o padrão de pós-flambagem mesmo, independentemente da espessura e que os resultados experimentais concordam bem com a teoria.
Nós apresentamos como construir uma simples área de trabalho do sistema de impressão 3D usando uma disponíveis comercialmente dados digitais projetor. A abordagem proposta baseia-se na fotopolimerização de polímero de construct estruturas 3D, e, portanto, quaisquer polímeros fotocurável podem ser também utilizados, em geral, na medida em que o fotoiniciador tem absorvância apropriado na faixa de comprimento de onda visível. Note-se que muitas fotoiniciadores comercialmente disponíveis são concebidos para ultra-violeta (UV) comprimentos de onda, mas o fotoiniciador utilizado aqui tem absorvância relativamente mais elevada em comprimentos de onda maiores que 400 nm. Oferecendo uma maneira fácil e rápida para fabricar objetos 3D, esse método irá encontrar muitas aplicações em vários campos, incluindo a mecânica materiais macios como demonstrado aqui.
Disclosures
Não há conflitos de interesse declarados.
Acknowledgments
Os autores gostariam de agradecer a Joseph Muskin e Mateus Ragusa, na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign para fornecer imagens transversais de estruturas 3D mostrados na Figura 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
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