Summary
Vi visar kontrollerat mönster omvandling av svällande gel rör genom elastisk instabilitet. En enkel projektion mikro stereo-litografi inställning är byggt med en off-the-shelf digitala dataprojektor att tillverka tredimensionella polymera strukturer i en lager-på-lager mode. Svullnad hydrogel rör under mekanisk begränsning visa olika omkrets buckling lägen beroende på dimension.
Abstract
Buckling är en klassisk fråga i mekanik. Medan buckling har länge studerats som en av de stora strukturella felmoder 1, har det upprättats nyligen ny uppmärksamhet som en unik mekanism för mönster omvandling. Naturen är full av sådana exempel där en mängd exotiska mönster bildas genom mekanisk instabilitet 2-5. Inspirerad av detta eleganta mekanism har många studier visat skapande och omvandling av mönster med mjuka material som elastomerer och hydrogeler 6-11. Svullnad geler är av särskilt intresse eftersom de kan spontant utlösa mekanisk instabilitet att skapa olika mönster utan behov av extern kraft 6-10. Nyligen har vi rapporterat demonstration av full kontroll över knäckning mönster av mikro-skalas rörformiga geler med projektion mikro-stereolitografi (PμSL), en tredimensionell (3D) tillverkningsteknik som snabbt omvandla datorgenererade 3D-modeller into fysiska objekt med hög upplösning 12,13. Här presenterar vi en enkel metod för att bygga upp ett förenklat PμSL system med en kommersiellt tillgänglig digitalt dataprojektor för att studera svullnad-inducerad knäckning instabilitet för kontrollerad mönster omvandling.
En enkel stationär 3D-skrivare är byggt med en off-the-shelf digitala dataprojektor och enkla optiska komponenter såsom en konvex lins och en spegel 14. Tvärsnittsdata bilder extraherade från en 3D solid modell projiceras på det ljuskänsliga hartset yta i sekvens, polymerisera flytande harts till en önskad 3D fast struktur i ett skikt-för-skikt mode. Även med denna enkla konfiguration och enkel process, kan godtyckliga 3D-objekt enkelt tillverkas med sub-100 nm upplösning.
Detta skrivbord 3D-skrivare har potential i studien av mjukt material mekanik genom att erbjuda en stor möjlighet att utforska olika 3D-geometrier. Vi använder detta system för att Fabricate rörformiga hydrogel struktur med olika dimensioner. Fast på botten till underlaget, utvecklar den rörformiga gel inhomogena stress under svullnad, vilket ger upphov till knäckning instabilitet. Olika vågmönster visas längs omkretsen av röret då gelstrukturer genomgår buckling. Experiment visar att perifera buckling av önskat läge kan skapas på ett kontrollerat sätt. Mönster omvandling av tredimensionellt strukturerade rörformiga geler har betydande konsekvenser inte bara i mekanik och materialvetenskap, men även i många andra tillväxtländer områden såsom avstämbara matamaterials.
Protocol
1. Framställning av prepolymer lösning
- Blanda poly (etylenglykol) diakrylat (PEG-DA) (medelmolekylvikt ~ 575, Sigma-Aldrich) och poly (etylenglykol) (PEG) (medelmolekylvikt ~ 200, Sigma-Aldrich) vid 01:02 viktförhållande.
- Lägg 0,67 vikt-%. fotoinitiator (fenylbis (2,4,6-trimetylbensoyl) fosfinoxid, Sigma-Aldrich). Lösningen bör förvaras i mörk miljö från och med nu.
- Lägg 0,05 vikt%. foto-absorbator (Sudan I, Sigma-Aldrich).
- Blanda lösningen under 24 h vid rumstemperatur med användning av en magnetisk omrörare.
2. Konfigurera en Desktop 3D skrivare med en digital dataprojektor
- Placera en digital dataprojektor på ett plant och stabilt läge och anslut den till en dator med Microsoft PowerPoint installerat.
- Placera en konvex lins rätt framför strålens utgående lins digital projektor. Välj en konvex lins för att göra fokalplanet cirka 10 cm från proprojektorn. (Optisk upplösning blir mindre för en lins med kortare brännvidd, men man måste reservera utrymme för optiska komponenter.)
- Placera en spegel efter den konvexa linsen på strålbanan vid 45 ° vinkel för att rikta strålen rakt nedåt.
- Placera en provhållare vid fokalplan projicerade strålen. Provhållaren ska bifogas en linjär fas genom vilken den vertikala positionen för provhållaren styrs.
- Placera ett hartsbad under provhållaren.
3. Konstruktion och tillverkning av gel Rör
- Bestäm diameter, väggtjocklek, och höjden av gelén rör som skall tillverkas.
- Rita tvärsnittsdata bilder för gelröret. Bilderna ska vara i vitt med svart bakgrund. Infoga dessa bild i Microsoft PowerPoint-bilder.
- Starta bildspel i Microsoft PowerPoint och projicera bilden. Placera provhållaren vid fokalplanet genom att justera den vertikala positionen med ATTvärkte skede.
- Byt till en "dummy" svart bild så att det inte blir någon oönskad polymerisation samtidigt sätta prepolymerlösning.
- Häll prepolymerlösning till hartsbadet. Fyll badet tills lösningen svagt täcker provhållaren. Nu är det klart för utskrift 3D-objektet.
- Växla till bilden som innehåller den första tvärsnittsarean bild av gelröret att polymerisera det första skiktet. Håll projicera bilden för 8 sekunder och växla tillbaka till "blackout" bild.
- Vrid ratten på den linjära scenen av ¼ varv (~ 160 nm) för att sänka provhållaren. Nu färska harts strömmar in för att täcka den polymeriserade första lagret.
- Projicerar tvärsnittsarean bilden igen för att polymerisera det andra skiktet ovanpå förfarandet en. Upprepa steg 3,6-3,8 tills gelén rör av önskad höjd tillverkas.
- När alla lager är klara lyft provhållaren ur prepolymerlösningen och hämta tillverkade provet försiktigt med en rakkniv blade.
- Skölj provet i aceton för ~ 3 timmar, och låt det torka ~ 1 timme.
4. Svullnad Experiment föreskrivet mönster Bildning av elastiska instabilitet
- Förbered vatten-olja dual layer vätska i en transparent glasskål.
- Fäst det torra provet på ett provhållare med superlim.
- Vänd provhållaren så att provet är upp och ned. Sänk ned provet i vatten-olja vätskebad. Approach provet till vatten-olja gränssnitt från oljeskiktet. Provet börjar svälla när provet nuddar vattenytan medan bassubstratet del på vilken gelén röret fixerades stannat i det övre oljeskiktet. På detta sätt, kan vatten diffundera in i rörväggen låta provet svälla innan det begränsande basen slappnar genom vätning. Övervaka förändrat som sväller gelröret med en digitalkamera.
Representative Results
Ett enkelt PμSL system med en off-the-shelf digitala dataprojektor visas i figur 1. En konvex lins med en brännvidd på 75 mm koncentrerar strålen i små belysning området 2 cm x 2 cm. Resulterar i planet optisk upplösning är ca 45 nm. Vertikal upplösning bestäms av precisionen nivån av den linjära steget. Skikttjocklek av strukturerna som gjorts för denna studie är 160 um. Varje lager polymeriserades för 8 sekunder ljus belysning. En representativ 3D struktur framställd av systemet visas i figur 1D. Detta objekt består av 58 skikt av PEGDA.
Vi förberedde fotohärdbara PEGDA hydrogel. Låg tvärbindning, därför stor svullnad av PEGDA hydrogel uppnås genom tillsats av icke-tvärbindande PEG i prepolymerlösning. Längsgående svällningsförhållande av den resulterande PEGDA hydrogelen är 1,5, vilket motsvarar mer än 300% volymetrisk expansion.
> En uppsättning PEGDA hydrogel rören utformade och tillverkade på grundval av vår teori 12. Vi placerade ett prov upp och ned och placeras i badet med vatten täckt med oljeskikt på toppen såsom visas i figur 2A. Beroende på de dimensionella parametrarna förblev cirkulära rör antingen stabila eller omvandlas till ett vågigt mönster, såsom visas i figur 2B. Den stora variationen av svullnad mönster av olika prover fångades med en digitalkamera och presenteras i fig 3A.
Figur 1. En stationär projektion mikro-stereolitografi systemet (a) schematisk representation (b) själva systemet (c) närbild av komponenter (d) representativa 3D strukturer. Klicka här för att se större bild .
Figur 2. (A) experimentuppställning för hydrogel rör svullnad (b) begränsad hydrogel rör förvandlas till olika mönster. Skala stapel visar 5 mm.
Figur 3. (A) Mönster bildas i svullnad experimentet. Vertikala axeln anger t / h (alltså stabilitet) och horisontella axeln anger H / D (alltså buckling läge). Skala stapel visar 5 mm. (B) knäckningsfall beror bara på H / D. Experimentell resultat stämmer väl överens med teoretisk förutsägelse. Klicka här för att se större bild .
| Prov </ Strong> | D (| im) | t (^ m) | h (| im) | |
| Jag | Jag | 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 | Jag | 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 | Jag | 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 | Jag | 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 | |
Tabell 1. Exempel varandra mätt genom optiskt mikroskop. Fel indikerar mätosäkerhet.
Discussion
Vid svallning av hydrogelen rörformiga begränsas på substratet, beror stabilitet endast på t / h och buckling mode beror endast på H / D 12. Fyra grupper av prover (I-IV) med olika nivåer av normaliserad tjocklek t / h tillverkades, med grupp I är tjockare och grupp IV är smalare. Varje grupp består av fyra prover (I-IV) med olika normaliserad höjd H / D, med prov i är kortare och provet IV är längre. Dimensionerna hos de tillverkade proven presenteras i tabell 1. Grupp I och II är utformade för att hålla stabil under svallning, medan grupp III och IV är utformade för att bucklas och omvandla vid svallning. För knäckning prover Buckling-läge bör minska med prov höjd. Figur 3A visar experimentella resultat. Som teori förutsäger togs prover i grupp I och II stabil och förblev cirkulär om svullnad, medan prover i grupp III och IV alla gick igenom elastisk instabilitet och spände. Även visade prov med samma H / D liknande knäckning läge. Figur 3B jämför experimentellt observerade instabilitetsfall av prover i grupp III och IV med teoretisk förutsägelse. Vi kan se att prover med samma H / D utgöra samma post-knäckning mönster oavsett tjocklek och att experimentella resultat stämmer väl överens med teorin.
Vi presenterar hur man bygger upp en enkel skrivbordssystem 3D-utskrifter med hjälp av en kommersiellt tillgänglig digitalt dataprojektor. Den föreslagna strategin bygger på fotohärdning av polymer till konStruct 3D strukturer, och därför kan alla fotohärdbara polymerer även användas i allmänhet, så långt som fotoinitiatorn har lämplig absorbans i synliga våglängdsområdet. Observera att många kommersiellt tillgängliga fotoinitiatorer är konstruerade för ultraviolett (UV) våglängder, men fotoinitiatorn används här har relativt högre absorbans vid våglängder längre än 400 nm. Erbjuder ett enkelt och snabbt sätt att tillverka 3D-objekt, kommer denna metod hitta många tillämpningar inom olika områden, inklusive mjuka material mekanik som visas här.
Disclosures
Inga intressekonflikter deklareras.
Acknowledgments
Författarna vill tacka Joseph Muskin och Matthew Ragusa vid University of Illinois i Urbana-Champaign för att ge tvärsnittsdata bilder för 3D-strukturer som visas 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).
