Summary
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。
Abstract
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。
Protocol
1。预聚物溶液的制备
- 混合的聚（乙二醇）二丙烯酸酯（PEG-DA）（平均分子量〜575，Sigma-Aldrich公司），聚（乙二醇）（PEG）（平均分子量约200，Sigma-Aldrich公司）以1:2的重量比。
- 添加0.67％（重量）。光引发剂（苯基双（2,4,6 - 三甲基苯甲酰基）氧化膦，Sigma-Aldrich公司）。该解决方案应该保持在黑暗的环境，从这个角度上。
- 添加0.05％（重量）。照片吸收剂（苏丹I，Sigma-Aldrich公司）。
- 溶液混合24小时，在室温下用磁力搅拌器。
2。建立一个桌面3D打印机使用数字数据投影机
- 将数字数据投影机在一个平整，稳固的位置，并把它连接到的计算机上安装Microsoft PowerPoint。
- 放置的凸透镜的光束输出的数字投影机镜头的前面权利。选择凸透镜，使焦平面的距离约10厘米的亲投影机。 （光学分辨率变小的镜头焦距越短，但是需要预留一些空间光学元件。）
- 放置一个反射镜后的凸透镜的光束路径上，在45°角的指示光束垂直向下。
- 样本保持器放置在焦平面的投影光束。样本保持器应连接到样本保持器的垂直位置控制的线性阶段。
- 将下方的样本保持器的树脂浴。
3。凝胶管的设计与制作
- 确定以被制造的凝胶管的直径，壁厚，和高度。
- 绘制的横截面图像的凝胶管。应该是白色与黑色背景的图像。在Microsoft PowerPoint幻灯片中插入这些图像。
- 开始幻灯片显示在Microsoft PowerPoint中的任何图像投影。通过调整垂直位置使用ATT样本保持器放置在焦平面疼痛难忍的阶段。
- 切换到一个“虚拟”的黑色图象，以便有没有不需要的聚合反应的同时，将预聚物溶液。
- 倒入树脂槽的预聚物溶液。填充浴直至溶液稍微覆盖样本保持器。现在，它已准备好打印三维物体。
- 切换到滑动含有第一凝胶管的横截面的图像，以聚合所述第一层。投影图像，持续8秒，并切换到“停电”的幻灯片。
- ¼圈，旋转旋钮上的线性阶段（〜160微米），以降低样品架。现在，新的树脂流，以支付第一层聚合。
- 投影的横截面的图像，再聚合的进行1的顶部上的第二层。重复步骤3.6-3.8来制造所需的高度，直到凝胶管。
- 所有层都完成后，抬起样品架的预聚物溶液，并检索所制作的样品小心用剃刀BLADE。
- 冲洗样品中丙酮〜3小时，然后允许它干〜1小时。
4。膨胀弹性失稳通过规定模式形成试验
- 准备水油双层液体在透明的玻璃盘。
- 将干燥的样品在样品架上，使用超级胶水。
- 翻转，使样品的样品架是上下颠倒。样品浸入液体浴中的水 - 油。接近样品从油层中的水 - 油界面。样品开始膨胀时，样品接触的水的表面，同时留在基底基板的一部分，在其上的凝胶管固定顶部油层。以这种方式，水可以扩散到管壁，使样品溶胀约束基底前放松通过润湿。监视使用数码相机作为凝胶管膨胀的模式变化。
Representative Results
甲的简单PμSL系统使用一种现成的，现成的数字数据投影机是在图1中所示。甲凸透镜的焦距75毫米到2厘米×2厘米的小照明区域的光束集中。从而导致在平面光学分辨率是约45微米。垂直分辨率被确定的线性阶段的精度级别。本研究提出的结构的层的厚度为160微米。每一层聚合为8秒光照明。一位代表由系统制造的三维结构， 如图1D所示。此对象由58层PEGDA。
我们制备光固化性PEGDA水凝胶。低交联，因此大的肿胀，PEGDA水凝胶是通过添加非交联PEG预聚物溶液。长度方向所得PEGDA水凝胶的溶胀比是1.5，其对应于大于300％的体积膨胀。
> A组PEGDA水凝胶管的设计与制作的基础上我们的理论12。我们放置了一个样品翻转过来并把与油层覆盖在上面，如在图2A中示出的水的浴中。根据不同的尺寸的参数，圆形管保持稳定或转化成波状图案，如在图2B中所示的。由数字相机捕捉的各种各样的溶胀不同的样品的模式，并在图3A中。
图1：桌面投影微立体光刻系统（A）示意图（b）实际系统（C）特写视图组件（d）代表的三维结构。 点击此处查看大图 。
图2（a）实验设置水凝胶管，肿胀（二）约束水凝胶管变换成不同的图案。比例尺表示5毫米。
图3（一）形成在溶胀实验的模式。垂直轴表示吨/小时 （因此稳定性），并且水平轴表示小时/ D（从而屈曲模式）。比例尺表示5毫米。 （二）屈曲模式只依赖于H / D。实验结果与理论预测一致。 点击此处查看大图 。
| 样品</ STRONG> | D（微米） | T（微米） | H（微米） | |
| 我 | 我 | 9300±420 | 760±40 | 840±40 |
| 二 | 9700±420 | 1040±40 | 1060±40 | |
| 三 | 9700±420 | 1210±40 | 1340±40 | |
| 四 | 9700±420 | 1660±40 | 1680±40 | |
| II | 我 | 9000±420 | 480±40 | 880±40 |
| 二 | 9000±420 | 1060±40 | ||
| 三 | 9500±420 | 740±40 | 1350±40 | |
| 四 | 9200±420 | 970±40 | 1650±40 | |
| III | 我 | 8900±420 | 160±40 | 790±40 |
| 二 | 8900±420 | 300±40 | 1020±40 | |
| 三 | 9100±420 | 380±40 | 1330±40 | |
| 四 | 9000±420 | 490±40 | 1630±40 | |
| IV | 我 | 8900±420 | 140±40 | 780±40 |
| 二 | 8800±420 | 190±40 | 1010±40 | |
| 三 | 9300±420 | 230±40 | 1340±40 | |
| 四 | 8900±420 | 290±40 | 1650±40 | |
表1。尺寸测量通过光学显微镜。错误指示的测量不确定度。
Discussion
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。
Disclosures
没有利益冲突的声明。
Acknowledgments
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。
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).
