Summary
Dimostriamo trasformazione controllata modello di tubi gel gonfiore da instabilità elastica. Una semplice proiezione micro stereo-litografia di installazione è costruita con un off-the-shelf dati digitali proiettore per fabbricare strutture polimeriche tridimensionali in uno strato per strato moda. Gonfiore tubi idrogel sotto vincolo meccanico visualizzare varie modalità circonferenziali instabilità seconda dimensione.
Abstract
Carico di punta è un tema classico della meccanica. Mentre instabilità è stato a lungo studiato come uno dei principali modi di guasto strutturali 1, ha recentemente attirato l'attenzione come un nuovo meccanismo unico per la trasformazione pattern. La natura è piena di questi esempi in cui un gran numero di modelli esotici si formano per 2-5 instabilità meccanica. Ispirato da questo meccanismo elegante, molti studi hanno dimostrato la creazione e la trasformazione dei modelli che utilizzano materiali morbidi come elastomeri e idrogel 6-11. Gel gonfiore sono di particolare interesse perché possono innescare spontaneamente instabilità meccanica per generare i vari modelli senza bisogno di forza esterna 6-10. Recentemente, abbiamo riportato la dimostrazione di pieno controllo instabilità modello di gel tubolari micro-scala con proiezione micro-stereolitografia (PμSL), a tre dimensioni (3D), la tecnologia di produzione in grado di convertire rapidamente i modelli di 3D generati into degli oggetti fisici ad alta risoluzione 12,13. Qui vi presentiamo un metodo semplice per costruire un sistema semplificato PμSL facendo uso di un proiettore digitale di dati per lo studio gonfiore indotto instabilità instabilità per la trasformazione modello controllato.
Una stampante desktop semplice 3D è costruito utilizzando un off-the-shelf dati digitali proiettore e semplici componenti ottici, come una lente convessa e uno specchio 14. Trasversali immagini estratte da un modello solido 3D viene proiettato sulla superficie di resina fotosensibile in sequenza, polimerizzazione resina liquida in una desiderata struttura 3D solida in un layer-by-layer moda. Anche con questa configurazione semplice e processo facile, arbitrari oggetti 3D possono essere facilmente realizzati con sub-risoluzione di 100 micron.
Questa stampante desktop 3D rappresenta un potenziale per lo studio della meccanica dei materiali morbidi, offrendo una grande opportunità di esplorare varie geometrie 3D. Usiamo questo sistema per fabricate struttura tubolare a forma di idrogel con dimensioni diverse. Fissato sul fondo al substrato, il gel tubolare sviluppa durante lo stress disomogeneo gonfiore, che dà luogo a instabilità instabilità. Vari motivi ondulati appaiono lungo la circonferenza del tubo quando le strutture gel subiscono deformazioni. Esperimento mostra che la deformazione circonferenziale del modo desiderato può essere creato in modo controllato. Trasformazione del modello tridimensionale gel strutturati tubolari ha implicazioni significative non solo in meccanica e scienza dei materiali, ma anche in molti altri settori emergenti come la matamaterials sintonizzabili.
Protocol
1. Preparazione della Soluzione Prepolimero
- Mix poli (etilene glicole) diacrilato (PEG-DA) (peso molecolare medio ~ 575, Sigma-Aldrich) e poli (etilene glicole) (PEG) (peso molecolare medio ~ 200, Sigma-Aldrich) a 1:2 rapporto in peso.
- Aggiungere 0,67% in peso. foto-iniziatore (Phenylbis (2,4,6-trimetilbenzoil) fosfina, Sigma-Aldrich). La soluzione deve essere conservata in ambiente buio da questo punto.
- Aggiungere 0,05% in peso. photo-assorbitore (Sudan I, Sigma-Aldrich).
- Miscelare la soluzione per 24 ore a temperatura ambiente con un agitatore magnetico.
2. Installazione di una stampante desktop 3D Utilizzo di un proiettore di dati digitali
- Posizionare un proiettore digitale di dati su una posizione piana e stabile, e collegarlo a un computer con installato Microsoft PowerPoint.
- Inserire un diritto convessa di fronte alla lente di uscita del fascio proiettore digitale. Scegli una lente convessa per rendere il piano focale di circa 10 cm di distanza dal proproiettore. (Risoluzione ottica diventa più piccola per un obiettivo con lunghezza focale più corta, ma si ha la necessità di riservare un po 'di spazio per componenti ottici.)
- Posizionare uno specchio dopo la lente convessa sul percorso del fascio ad angolo 45 ° per dirigere il raggio verso il basso.
- Posizionare un supporto del campione in corrispondenza del piano focale del fascio proiettato. Il supporto del campione deve essere collegato a una fase lineare che viene controllata la posizione verticale del supporto del campione.
- Inserire un bagno di resina sotto il supporto del campione.
3. Progettazione e fabbricazione di tubi Gel
- Determinare diametro, spessore, e l'altezza del tubo di gel da fabbricare.
- Disegnare immagini in sezione trasversale per il tubo di gel. Le immagini devono essere in bianco su sfondo nero. Inserire questi immagine in diapositive di Microsoft PowerPoint.
- Avvia la presentazione in Microsoft PowerPoint e proiettare qualsiasi immagine. Posizionare il supporto del campione nel piano focale regolando la posizione verticale usando attdoleva palco.
- Passare a una immagine "fittizia" nero in modo che non ci sarà polimerizzazione indesiderati mettendo soluzione prepolimero.
- Versare la soluzione prepolimero a bagno di resina. Riempire la vasca fino a quando la soluzione copre leggermente il supporto del campione. Ora è pronto per l'oggetto di stampa 3D.
- Passare alla diapositiva contenente la prima sezione trasversale immagine del tubo gel per polimerizzare il primo strato. Tenere proiettando l'immagine per 8 secondi e tornare alla diapositiva "blackout".
- Ruotare la manopola sul palco lineare da ¼ di giro (~ 160 micron) per abbassare il porta-campioni. Ora resina fresca flussi a coprire il primo strato polimerizzato.
- Proiettare l'immagine in sezione trasversale di nuovo per polimerizzare il secondo strato sopra il procedimento uno. Ripetere i passaggi 3,6-3,8 finché il tubo gel dell'altezza desiderata è fabbricato.
- Una volta che tutti i livelli sono completi, sollevare il supporto del campione dalla soluzione prepolimero, e recuperare il campione fabbricato accuratamente con un rasoio blade.
- Sciacquare il campione in acetone per circa 3 ore, e poi lasciare asciugare per ~ 1 ora.
4. Gonfiore Esperimento per la Formazione modello prescritto dal Instabilità elastica
- Preparare acqua-olio liquido a doppio strato in un piatto di vetro trasparente.
- Fissare il campione secco su un portacampioni con colla super.
- Capovolgere il supporto del campione in modo che il campione è a testa in giù. Immergere il campione in acqua-olio bagno liquido. Approccio al campione di acqua-olio di interfaccia dalla strato di olio. Il campione inizia a gonfiarsi quando il campione tocca la superficie dell'acqua mentre la parte substrato di base su cui è stato fissato il tubo di gel stati in strato di olio superiore. In questo modo, l'acqua può diffondersi nella parete del tubo permettendo il campione gonfiare prima la base vincolante rilassa bagnatura. Monitorare il cambio modello, come si gonfia tubo di gel utilizzando una fotocamera digitale.
Representative Results
Un sistema semplice PμSL utilizzando un off-the-shelf dati digitali proiettore è mostrato in Figura 1. Una lente convessa con una lunghezza focale di 75 mm concentra il fascio in piccola area di illuminazione di 2 cm x 2 cm. Con conseguente piano risoluzione ottica è di circa 45 micron. Risoluzione verticale è determinata dal livello di precisione della fase lineare. Spessore dello strato delle strutture realizzate per questo studio è di 160 micron. Ogni strato è stato polimerizzato per 8 illuminazione luce sec. Una struttura 3D rappresentante fabbricata dal sistema è mostrato in figura 1D. Questi oggetti consiste di 58 strati di PEGDA.
Abbiamo preparato fotoinduribile idrogel PEGDA. Reticolazione bassa, gonfiore quindi grande, di idrogel PEGDA è stata ottenuta aggiungendo non reticolazione PEG in soluzione di prepolimero. Nel senso della lunghezza del rapporto di rigonfiamento dell'idrogel risultante PEGDA è 1,5, che corrisponde a volumetrica superiore al 300% di espansione.
> Una serie di tubi di idrogel PEGDA sono stati progettati e realizzati sulla base delle nostre 12 teoria. Abbiamo posto un campione capovolto e messo nella vasca con acqua coperto con strato di olio sopra come illustrato nella Figura 2A. A seconda dei parametri dimensionali, tubi circolari sia rimasta stabile o trasformato in un disegno ondulato come mostrato nella figura 2B. La varietà di gonfiore modello di diversi campioni è stata catturata da una telecamera digitale e presentata in Figura 3A.
Figura 1. Un desktop proiezione micro-sistema di stereolitografia (a) rappresentazione schematica (b) sistema attuale (c) vista ravvicinata dei componenti (d) rappresentative strutture 3D. Clicca qui per ingrandire la figura .
Figura 2. (A) Apparato sperimentale per tubo idrogel gonfiore (b) tubo di idrogel vincolato trasforma in diversi modelli. Barra della scala indica 5 mm.
Figura 3. (A) Patterns formata in gonfiore esperimento. Asse verticale indica t / h (così la stabilità), e l'asse orizzontale indica h / D (quindi buckling mode). Barra della scala indica 5 mm. (B) modalità di carico di punta dipende solo h / D. Risultato sperimentale ben si accorda con previsione teorica. Clicca qui per ingrandire la figura .
| Esempio </ Strong> | D (pm) | t (um) | h (um) | |
| Io | Io | 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 | Io | 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 | Io | 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 | Io | 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 | |
Tabella 1. Dimensioni del campione misurato con microscopio ottico. Gli errori indicano incertezza di misura.
Discussion
In rigonfiamento di idrogel tubolare vincolato sul substrato, stabilità dipende solo t / h ed instabilità modalità dipende solo h / D 12. Quattro gruppi di campioni (I-IV) con diversi livelli di spessore normalizzato t / h sono stati realizzati, con il gruppo I di essere più spessa e di gruppo IV di essere più sottile. Ogni gruppo è composto da quattro campioni (I-IV) con diversi livelli di altezza normalizzata h / D, con il campione di essere i più brevi e il campione iv essere più alto. Dimensioni dei campioni fabbricati sono riportati in Tabella 1. Gruppo I e II sono progettati per rimanere stabile durante gonfiore, mentre il gruppo III e IV sono progettati per trasformare su fibbia e gonfiore. Per i campioni di instabilità, Buckling modalità dovrebbe diminuire con l'altezza del campione. Figura 3A mostra risultato sperimentale. Come teoria predice, i campioni del gruppo I e II erano stabili e rimasero circolare sul gonfiore, mentre i campioni del gruppo III e IV, tutto è andato per l'instabilità elastica e deformata. Inoltre, campioni con lo stesso h / D mostrati come modalità di carico di punta. 3B Figura confronta osservati sperimentalmente modi di instabilità di campioni nel gruppo III e IV con previsione teorica. Possiamo vedere che i campioni con lo stesso h / D rappresentano la stessa post-critico modello indipendentemente dallo spessore e che i risultati sperimentali sono in accordo con la teoria.
Vi presentiamo come costruire un semplice sistema desktop 3D di stampa facendo uso di un proiettore di dati digitali. L'approccio proposto si basa su fotoindurente di polimero per confermarestruct strutture 3D, e pertanto, eventuali polimeri fotoreticolabili può essere utilizzato anche in generale, per quanto riguarda il fotoiniziatore ha assorbanza appropriata lunghezza d'onda visibile. Notare che molti fotoiniziatori disponibili in commercio sono progettati per ultravioletta (UV) lunghezze d'onda, ma il fotoiniziatore usato qui è relativamente più elevata assorbanza a lunghezze d'onda superiori a 400 nm. Offre un modo facile e rapido per fabbricare oggetti 3D, questo metodo si trovano molte applicazioni in vari campi tra cui la meccanica di materiali morbidi come dimostrato qui.
Disclosures
Nessun conflitto di interessi dichiarati.
Acknowledgments
Gli autori desiderano ringraziare Giuseppe Muskin e Matthew Ragusa presso la University of Illinois a Urbana-Champaign per la fornitura di immagini in sezione trasversale per strutture 3D mostrato in 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
- 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).
