Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Origami Inspireret Selvsamling af mønstret og omkonfigurerbare Particles

Published: February 4, 2013 doi: 10.3791/50022
Automatic Translation
1, 1, 1,2
1Department of Chemical and Biomolecular Engineering, The Johns Hopkins University, 2Department of Chemistry, The Johns Hopkins University

Summary

Vi beskriver eksperimentelle detaljer syntesen af ​​mønstrede og rekonfigurerbare partikler fra todimensionale (2D) prækursorer. Denne metode kan anvendes til at skabe partikler i en række forskellige former, herunder polyedre og gribende enheder på længdeskalaer lige fra mikro til centimeter skala.

Abstract

Der er mange teknikker, såsom fotolitografi, elektronstråle-litografi og soft-litografi, der kan bruges til præcist mønster todimensionel (2D) strukturer. Disse teknologier er modne, tilbyder høj præcision og mange af dem kan implementeres i en high-throughput måde. Vi udnytter fordelene ved plane litografi og kombinere dem med selv-sammenklappelige metoder 1-20 hvor fysiske kræfter afledt af overfladespænding eller restspændinger, der bruges til kurve eller fold plane strukturer i tre dimensioner (3D) strukturer. Dermed gør vi det muligt at masseproducere netop mønstrede statiske og omkonfigurerbare partikler, der udfordrer at syntetisere.

I dette papir, visualiseret vi detalje forsøgsprotokoller at skabe mønstrede partikler, navnlig (a) permanent bundet, hule, polyedre, der selv samle og selvtætnende grund af minimering af overflade energi af fordråbede hængsler 21-23og (b) gribere, selv-fold på grund af restspændinger drevne hængsler 24,25. Det specifikke beskrevne protokol kan anvendes til at skabe partikler med samlede størrelser lige fra mikrometer til centimeter længdeskalaer. Yderligere kan arbitrære mønstre defineres på overfladerne af partiklerne af betydning for kolloid videnskab, elektronik, optik og medicin. Mere generelt begrebet selvsamlende mekanisk stive partikler med selvforseglende hængsler finder anvendelse, med nogle proces ændringer, til skabelse af partikler ved endnu mindre, 100 nm længdeskalaer 22, 26 og med en række materialer, herunder metaller 21 , halvledere 9 og polymerer 27. Med hensyn til restspændinger drevne aktivering af rekonfigurerbare grådige enheder benytter vores specifikke protokol chrom hængsler af relevans for enheder med størrelser fra 100 um til 2,5 mm. Men mere generelt, at begrebet sådan tether-fri restspændingerdrevne aktivering kan anvendes med alternative høj stress materialer såsom heteroepitaxially deponeret halvlederfilm 5,7 til muligvis skabe endnu mindre nanoskala gribning indretninger.

Protocol

Vi først beskrive en generel protokol, der kan anvendes til fremstilling af mønstrede, forseglede partikler og rekonfigurerbar gribning enheder. Sammen med den generelle protokol, giver vi en konkret, visualiseret eksempel for både fremstilling af lukkede dodecahedral partikler og rekonfigurable microgrippers.

1. Mask Forberedelse og Design Regler

  1. Typisk er mindst to maske sæt nødvendigt, en for regioner, der ikke bøjer eller kurve (stive plader) og den anden for regioner, bend, kurve eller segl (hængsler). Yderligere masker kan anvendes til at definere overflademønstre af porer, molekylære plastre, optiske eller elektroniske elementer. Masker kan designes ved hjælp af forskellige todimensionale vektorgrafik software programmer som AutoCAD, Adobe Illustrator, FreeHand MX eller Layout Editor.
  2. Empiriske undersøgelser tyder på følgende optimale design regler for generering af masker, der kan anvendes til overfladen drevet spænding foldning af en polyhedron af sidelængde L.
    1. For en bestemt polyedrisk geometri for det første antallet af paneler skal bestemmes. For eksempel har en terning seks kvadratiske felter, mens en dodekaeder har tolv femkantede paneler.
    2. Den højtydende todimensionalt arrangement af paneler, også kaldet en netto skal regnet ud. Nets, der har den laveste gyrationsradius og største antal sekundære vertex forbindelser vil typisk samles med det højeste udbytte. De optimale net til en bred vifte af polyedre, såsom terninger, oktaedre, dodecahedra, trunkerede oktaedre, icosahedra, offentliggøres 23, 28.
    3. I panelet maske, skal panelerne i polyedre tegnes som net, og de tilstødende paneler bør være adskilt af en spalte med en bredde, som er omtrent 0,1 L. Registreringsdatabasen varemærker er nødvendige til efterfølgende tilpasning til hængslet masken.
    4. I hængslet maske, både folde hængsler (i mellem pladerne) og låse eller forsegling af hængsler (ved kanterne af panelerne)skal defineres. Folde hængsler bør have længder på 0,8 l og bredder af 0.2L samtidig forsegling hængsler ved periferien af panelerne skal have længder på 0,8 l og bredder af 0,1 L med et overhæng 0.05L (fig. 1 ac). Særlig omhu skal tages for at sikre, at panelet og hængslet masker overlay, med registreringsdatabasen. Med dette design regel, har vi været i stand til at syntetisere partikler med størrelser fra 15 um til 2,5 cm.
    5. Volumenet af hængslet styrer folde vinkler, og for en given hængsel bredde, er finite element modellering for at afgøre den nødvendige tykkelse af hængslet. Læseren henvises til offentliggjorte modeller 29-32 at estimere denne tykkelse. Men den attraktive træk ved vores tilgang er brugen af ​​låse eller forsegling hængsler, der giver en betydelig fejl-tolerance under selvforskyldt foldning. Derfor, når forseglende hængsler anvendes, samleprocessen er tolerant over for afvigelser i hængsel mængder, der giver dem mulighed for at være kun ca targeted. På grund af kraftig kooperativitet under samlingen, har selv dodecahedra med fold vinkler på 116,57 ° blevet masseproduceret. Endvidere trunkerede oktaedre to forskellige to-plans vinkler på 125,27 ° og 109,47 °, men kan samles med de samme hængseldele mængder. En anden fordel ved de tætnende hængsler er, at hængslerne støder op til hinanden, smelter sammen ved opvarmning under foldning proces, skaber tætsluttende, problemfri og stive partikler ved afkøling.
  3. Empiriske undersøgelser tyder følgende optimale design regler for masker af microgrippers, fold på grund af restspændinger drevne hængsler. For en microgripper spids-til-spids længde (D) i 600 til 900 um, er hængslet afstanden (g) typisk omkring 50 um (fig. 1 df), mens for mindre microgrippers med en D på 300 um, en mindre g på omkring 25 um bør anvendes. Hængslet gap dimensioner afhænger af stress, tykkelse og elastisk content'er af de underliggende film og flerlags analytiske løsninger kan anvendes til groft estimere omfanget af foldning 25,33. Præcis måling af spændinger og finite element modellering er nødvendig for nøjagtigt simulere foldningen. Empiriske undersøgelser tyder på, at omkring 100 um er den nedre grænse for partiklerne med stressede krom hængsler.
  4. Efter at designe layoutet, skal maskerne skal udskrives på transparenter med høj opløsning printere enten internt eller via en række forskellige afsætningsmuligheder (figur 2a). Typisk bør gennemsigtighed film kun bruges med minimale funktionen størrelser på 6 um, mens krom masker er behov for strukturer med mindre hængsel huller eller funktioner. Den typiske filformat der kræves til bestilling af kommercielle masker er ". Dxf".

2. Forberedelse af underlaget

  1. Flade substrater, såsom glas-objektglas eller silicium wafers skal bruges.
  2. For god vedhæftning er det important at rengøre og tørre underlag. Det er normalt tilstrækkeligt at rense substrater med methanol, acetone og isopropylalkohol (IPA), tørre dem med nitrogen (N2) og derefter opvarme dem på en varmeplade eller i en ovn ved 150 ° C i 5-10 minutter.

3. Aflejring af offerlaget

For at frigøre de skabeloner fra substratet efter mønsterdannelse er et offerlag påkrævet. En række forskellige film sammensat af enten metal (f.eks kobber), dielektrika (fx aluminiumoxid) eller polymerer (fx PMMA, PVA, CYTOP osv.) kan anvendes. Ved valg af en offer-film, vigtige overvejelser er den lette aflejring og opløsning af materialet og etch selektivitet.

4. Mønsterdannelse de paneler

  1. Panelerne af partiklerne kan afsættes ved en række måder. For polymere partikler er filmene afsættes ved spin-coating eller slip casting. Formetalliske partikler, elektroaflejring eller termisk fordampning kan anvendes.
  2. Til fremstilling af metalliske partikler, er det nødvendigt at tilføje et ledende lag på offerlaget belagte substrat for at lette elektroaflejring af panelerne og hængsler.
  3. Panelerne kan være mønstret ved hjælp af en litografisk proces, såsom fotolitografi, støbning, nanoimprint litografi eller elektronstråle litografi. En typisk fotolitografisk proces involverer coating af et fotoresist lag på substratet, derefter bagning, eksponering og fremkaldelse som pr producentens anbefaling. Fotoresister såsom SPR, AZ eller SC serien kan anvendes, alternativt kan pladerne defineres ved hjælp af fotokrydsbindbare polymerer såsom SU8, PEGDA eller fototværbindelige PDMS. Afhængigt af valget af fotoresist, tykkelse og derfor centrifugeringshastighed, eksponeringstid og udvikling tid vil skulle tilpasses i overensstemmelse hermed.
  4. Efter fotolitografi, afhængigt af størrelsen af ​​metallisk deltaCles, kan tykke paneler dannes ved elektroafsætning, mens tynde paneler kan defineres ved fordampning eller sputtering.
    1. Til elektroaflejring af paneler, bør Faradays love elektroaflejring og effektiviteten af ​​badet til at beregne den elektroplettering strøm baseret på det totale frilagte overfladeareal af panelerne. Typiske strømtætheder for nikkel (Ni) og lodning (Pb-Sn) udpladning er mellem 1-10 mA / cm 2 og 20-50 mA / cm 2 hhv.

5. Mønsterdannelse hængslerne

Svarer til mønstret af panelerne, for at mønstret hængsler, behov for en anden runde af fotolitografi at ske ved hjælp af hængslet masken (figur 2b-c). De registreringsdatabasen mærker på panelet og hængslet masker skal overlejres for at sikre korrekt justering.

  1. For overfladespænding drevet samling, skal materialerne til panelerne og hængsler vælges således, at hængslet materiale har en lavis smeltepunkt end panelerne og dermed panelerne forbliver stive under hængslerne er smeltet. Montering opstår, når skabelonerne opvarmes til over smeltepunktet af hængslet materiale. For eksempel i tilfælde af metalliske partikler med Ni paneler, vi electrodeposit Pb-Sn solder på hængslerne som smelter ved ~ 200 ° C og beder foldning. Tilsvarende, i tilfælde af polymerpartikler med SU8 paneler, vi deposit polycaprolacton hængsler som samles ved ~ 58 ° C. 27 Processen fungerer bedst, når hængslet materiale er fastgjort inden i hængselregionen ved reflow; dvs. som ikke spredt over hele paneler og ikke helt dewet fra panelet. Dette pinning kan opnås ved udvælgelsen af ​​materialer med passende befugtningsegenskaber og viskositet.
  2. I tilfælde af tynde film stress drevet selv-foldning, bør hængslerne være mønstret før panelet mønster. Typisk hængslet skal være sammensat af et differentielt understreget dobbeltlag,sammensat af en stresset metal, såsom chrom (Cr) eller zirconium (Zr) og en forholdsvis ubelastet metal, såsom guld (Au) eller kobber (Cu). For eksempel, for microgrippers med et hængsel åbning på 50 um vi bruger et dobbeltlag sammensat af 50 nm Cr og 100 nm Au. Ud over differentielt belastede metalliske dobbeltlag, understregede differentielt polymerer 34-37, kan SiOx lag 38 eller epitaksial halvleder 5 lag også anvendes.
  3. For tyndfilm stress drevet selv-foldning, bør en termo-følsom polymer trigger lag anvendes til at begrænse enhederne, så strukturerne må ikke foldes spontant efter frigørelse fra underlaget. Et passende valg af aftrækker materiale og tykkelse kan give de enheder med forskellige stimuli responsive egenskaber. For eksempel 1,5 um tyk fotoresist (S1800 serie) i hængselsregionen mønsterdannelse er nok til at holde enhederne flad, indtil de opvarmes til ~ 37 ° C for at udløse foldningen.

  1. At frigive de mønstrede 2D skabeloner, offerlaget skal opløses ved passende ætsemidler (figur 2d).
  2. For overfladespænding drevet samling, de frigivne plane forstadier skal opvarmes til over smeltepunktet af hængslet materiale. Ved opvarmning, bliver hængslerne flydende og prækursorerne samles i passende formede hule partikler (figur 2e-i).
  3. For tyndfilm stress drevet foldning, kan foldningen udløses efter strukturerne frigives fra substratet og ved udsættelse for højre stimulus, fx ved opvarmning, således at udløseren blødgøres og ikke længere begrænser lempelse af de stressede dobbeltlagede hængsler. Da de gribende enheder er ferromagnetisk de kan styres og positioneres nær passende last og udløst at folde omkring det (fig. 2j-n). Det er bemærkelsesværdigt, at vævs excisionen kan opnås ved anvendelse sådan udløst foldning 25.

Eksempel 1. Protokol til fremstilling af overfladespændingen drevet selv-samlet, permanent bundet, 300 um størrelse hul dodecahedra (skematisk i figur 3):

  1. Forberede masker som beskrevet i trin 1.. Til fremstillingen af dodecahedra med 300 um panel kantlængde, et panel maske, således at de femkantede paneler dodekaedret er adskilt med 30 um trække. Tegn et hængsel maske, hvor foldning og forsegling hængsler har dimensioner på 240 um x 60 um og 240 um x 30 um hhv.
  2. Der fremstilles en silicium wafer-substrat som beskrevet i trin 2.
  3. Spin frakke ~ 5,5 um tykt lag på 950 PMMA A11 ved 1.000 rpm, på de siliciumskiver. Vent i 3 minutter og derefter bage det ved 180 ° C i 60 sekunder.
  4. Under anvendelse af en termisk fordamper, deponering 30 nm chrom (Cr) som et adhæsionsfremmende middel og 150 nm kobber (Cu) som than ledende lag.
  5. Spin coat ~ 10 um tykke SPR220 ved 1700 rpm på skiverne. Vent i 3 minutter.
  6. Udføre en ramp-up softbake ved at anbringe skiven på en varmeplade ved 60 ° C i 30 sek. Derefter overføre skiven på en anden varmeplade ved 115 ° C i 90 sekunder og derefter tilbage til 60 ° C i 30 sek.
  7. Afkøling af wafers ved stuetemperatur og vente i 3 timer.
  8. Udsætte de wafere til panelet masken ved hjælp ~ 460 mJ / cm 2 i UV-lys (365 nm) og en kviksølv baseret maske aligner.
  9. Udvikle i MF-26A udvikler i 2 minutter og ændre udvikleren løsning og udvikle en anden 2 min.
  10. Beregn det samlede panel område og bruge det til at beregne den aktuelle forpligtet til electrodeposit Ni fra en kommerciel nikkel sulfamat løsning med en hastighed på cirka 1-10 mA / cm 2 op til en tykkelse på 8 um.
  11. Opløs fotoresist med acetone. Skyl wafer med IPA og tørres med N2 gas.
  12. Spin coat ~ 10 um tyk SPR220 ved 1700 opm over på skiverne. Vent i 3 minutter.
  13. Udføre en ramp-up softbake ved at anbringe skiven på en varmeplade ved 60 ° C i 30 sek. Derefter overføre waferen til en anden varmeplade ved 115 ° C i 90 sekunder og derefter tilbage til 60 ° C i 30 sek.
  14. Afkøling af wafers ved stuetemperatur og vente i 3 timer.
  15. Udsætte de wafere til hængslet masken ved hjælp ~ 460 mJ / cm 2 i UV-lys (365 nm) og en kviksølv baseret maske aligner. Sørg for, at registreringsdatabasen varemærker er justeret således, at hængslerne er afstemt med panelerne.
  16. Udvikle i MF-26A udvikler i 2 minutter og ændre udvikleren løsning og udvikle en anden 2 min.
  17. Ved hjælp af en diamant cutter, wafer skæres i små stykker, så et stykke af wafer indeholder ~ 50-60 garn. Coat kanterne af stykkerne med neglelak.
  18. Beregn den samlede udsatte hængsel område og bruge det til at beregne den aktuelle forpligtet til electrodeposit Pb-Sn lodde fra en kommerciel loddemetal plating løsning med en hastighed på hensigtsximately 20 til 50 mA / cm 2 op til en tykkelse på 15 um.
  19. Opløs fotoresist i acetone. Skyl wafer stykker med IPA, og tør efter med N 2 gas.
  20. Fordyb wafer brik i ætsemidlet APS 100 til 25-40 sek at opløse den omgivende Cu lag. Skyl med DI-vand og tør med N2 gas.
  21. Fordyb wafer brik i ætsemidlet CRE-473 for 30-50 sekunder at opløse den omgivende Cr lag. Skyl med DI-vand og tør med N2 gas.
  22. Nedsænkes wafer piece i ~ 2-3 ml 1-methyl-2-Pyrollidinone (NMP) og der opvarmes til 100 ° C i 3-5 min, indtil de skabeloner frigives fra substratet.
  23. Transfer ~ 20-30 skabeloner til en lille petriskål og distribuere dem ensartet.
  24. Tilføj ~ 3-5 ml NMP og ~ 5-7 dråber Indalloy 5RMA flydende flux.
  25. Opvarmning ved 100 ° C i 5 minutter. I dette trin, renser Indalloy 5RMA flydende flux og opløser ethvert oxidlag dannet på lodde og dermed sikrer god lodde reflow ved opvarmning over smeltepunktet.
  26. Øge kogepladen temperaturen til 150 ° C i 5 minutter og derefter langsomt øge det til 200 ° C, indtil foldning forekommer. Når temperaturen forøges til 200 ° C foldning starter efter 5-8 min. Blandingen kan blive brunlig da det begynder at brænde.
  27. Når dodecahedra har foldet, skal du lade fadet at køle ned. Tilsættes acetone til skålen, pipetteres væsken ud, og skyl dodecahedra i acetone og derefter ethanol.
  28. Opbevar dodecahedral partikler i ethanol.

EKSEMPEL 2. Protokol til fremstilling af omkonfigurerbare, tynd film stress drevet selv-foldning temperaturfølsomme microgrippers (skematisk i figur 4):

  1. Forbered masker som forklaret i trin 1. Designe de masker, således at spids-til-spids længde af griberne er 980 um, idet den centrale plade sidelængde på 111 um og hængslet mellemrum på 50 um. Typiske hængsel og panel masker kan udformes similar til figur 1 de.
  2. Forbered siliciumskiver, som forklaret i trin 2.
  3. Depositum 15 nm Cr vedhæftning og 50-100 nm Cu offerlagene ved hjælp af en termisk fordamper.
  4. Spin-coat ~ 3 um tykke S1827 hjælp spin coater, ved 3000 opm. Vent i 3 minutter og derefter bage waferen ved 115 ° C i 1 minut på en varmeplade.
  5. Udsætte på ~ 180 mJ / cm 2 UV-lys (365 nm) under anvendelse af en maske aligner og hængslet masken.
  6. Udvikle for 40-60 sek i 5:1 fortyndet 351 Developer. Skyl med DI-vand og tør med N2 gas.
  7. Deposit 50 nm Cr og 100 nm Au ved anvendelse af en termisk fordamper. De Cr-Au fungerer som hængsel dobbeltlag med restspændinger i Cr film, mens Au filmen er en bioinert bærelag.
  8. Lift-off fotoresisten i acetone. Anvende en sonikator i 3-5 min til fuldstændig lift-off det overskydende metal. Vask wafer med acetone og IPA, tørt med N2 gas.
  9. Spin coat ~ 10 um tyk SPR220 ved1700 rpm på skiverne. Vent i 3 minutter.
  10. Udføre en ramp-up softbake ved at anbringe skiven på en varmeplade ved 60 ° C i 30 sek. Derefter overføre waferen til en anden varmeplade ved 115 ° C i 90 sekunder og derefter tilbage til 60 ° C i 30 sek. Vent i 3 timer.
  11. Udsætte fotoresist på ~ 460 mJ / cm 2 UV-lys (365 nm) under anvendelse af en maske aligner igennem panelet masken.
  12. Udvikle i MF-26A udvikler i 2 minutter og ændre udvikleren løsning og udvikle en anden 2 min.
  13. Beregn det samlede panel område og bruge det til at beregne den aktuelle forpligtet til electrodeposit Ni fra en kommerciel nikkel sulfamat løsning med en hastighed på cirka 1-10 mA / cm 2 op til en tykkelse på 5 um. Skyl med DI vand grundigt.
  14. Electrodeposit eller fordampe 100 nm Au. Dette lag hjælper med at beskytte Ni mod ætsemidler, der anvendes til at fjerne offerlaget.
  15. Strip fotoresist med acetone. Skyl wafer med IPA og tørres med N2 gas. Bland S1813 og S1805 photoresits på 01:05 volumenforhold. Spin coating af blandingen ved 1800 rpm. Vent i 3 min, og derefter bage på en varmeplade ved 115 ° C i 1 min. Dette fotoresistlag fungerer som udløser laget.
  16. Udsætte på ~ 120 mJ / cm 2 UV-lys (365 nm) på en maske aligner med hængslet masken.
  17. Udvikle for 30-50 sek i 5:1 fortyndet 351 udvikler. Skyl med DI-vand og tør med N2 gas.
  18. Skær et stykke af skiven ved hjælp af en diamanthandler.
  19. Fordyb wafer brik i APS 100 til etch det underliggende Cu offerlag. Vente til microgrippers fuldstændigt frigjort fra underlaget.
  20. Skyl microgrippers med DI vand og opbevares i koldt vand.
  21. Udløse foldningen ved at anbringe microgrippers i 37 ° C vand.

7. Repræsentative resultater

Repræsentative resultater i figur 5 viser selv-samlet polyhedrale partikler i forskellige shaberne samt folde microgrippers. Fremstillingen og aktivering processen er meget parallelle og 3D-strukturer kan fremstilles og aktiveres samtidigt. Derudover kan præcise mønstre som eksemplificeret af firkantede eller trekantede porer defineres i alle tre dimensioner, og på udvalgte flader hvis nødvendigt. De microgrippers kan lukkes under biologisk godartede tilstande, således at de kan anvendes til udskæring af væv eller fyldt med biologisk last. Derudover, da de microgrippers kan fremstilles med et ferromagnetisk materiale, kan de flyttes på afstand ved hjælp af magnetfelter.

Figur 1
Figur 1. Designregler til syntese af mønstrede partikler (ac) Maske Konstruktionsregler for samling af mønstrede polyhedrale partikler. (A) Skematiske af panelet maske for et polyeder af sidelængde L, (b) skematisk af hængslet maske med foldelås(0,2 L x 0,8 L) og låsning eller forsegling (0,1 L x 0,8 L) hængsler, og (c) skematisk i overlejret 2D precursor eller net. (Df) Maske design regler for self-folding microgripper (d) skematiske af hængslet maske for en microgripper med spids til spids længde D, (e) skematiske af panelet maske med hængsel hul g, og (f) skematiske af den overlejret 2D precursor. Klik her for at se større figur .

Figur 2
Figur 2. Eksperimentelle billeder og konceptuelle animationer af vigtige skridt i fabrikation og montage proces. (A) Screenshot af en AutoCAD panel maske for dodecahedral prækursorer. (Bc) Optiske billeder af 2D prækursorer til, (b) dodecahedra, og (c) microgrippers på et siliciumsubstrat. (D) Udgivet dodecahedral net. Scale bars: 200 um. (En) Conceptual ennimation af, (ei) overfladespændingen drevet samling af en dodekaeder, og (jn) tyndfilm stress drevet foldning af en microgripper omkring en vulst (Animation af David Filipiak).

Figur 3
Figur 3. Skematisk illustration af de vigtige fabrikationstrin for overfladespænding drevne samling af en kubisk partikel.

Figur 4
Fig. 4. Skematisk illustration af de vigtige fabrikationstrin for restspændinger drevet foldning af et sekscifret gribe indretningen.

Figur 5
Figur 5. Billeder af origami inspirerede selv-samlet mønstret og rekonfigurerbar partikler.

Discussion

Vores origami inspirerede montage proces er alsidig og kan bruges til at syntetisere en række 3D statiske og rekonfigurerbar partikler med et bredt udvalg af materialer, former og størrelser. Yderligere, evnen til præcist mønster sensorer og elektroniske moduler på disse partikler er vigtig for optik og elektronik. I modsætning til spredte partikler dannet ved alternative fremgangsmåder, hvor mønstre er relativt upræcist, tilvejebringer denne metode et middel til at syntetisere præcist mønstrede partikler. I overfladespænding baseret samling, sikrer anvendelsen af ​​flydende forsegling hængsler, at partiklerne er godt forseglet og mekanisk stiv efter samling (ved afkøling). Tidligere har vi observeret, at sømmene er lækagesikker selv for små molekyler 39,40. Elektroafsætning af et tyndt lag af Au efter samling kan give yderligere styrke og forbedre lækagetætte karakter sømmene. Den tynde film stress baseret foldning er nyttigt til anvendelser, hvor stimuli responsive foldning er nødvendig, såsom i microgrippers der er blevet anvendt til at udføre in vitro og in vivo biologiske prøver og i pick-and-place operationer i robotteknik. Mens den specifikke metode, der beskrives her, kan bruges til at skabe omkonfigurerbare microgrippers der kun lukker én gang, kan det rette valg af materialer og metoder til at manipulere stress i dobbeltlag anvendes til også skabe gribetænger enheder, der kan omkonfigureres over flere-cykler 37, 41. Højdepunktet i brugen af ​​restspændinger til magten disse enheder er, at de ikke kræver nogen bindsler eller ledninger, og så har fremragende manøvredygtighed, så aktivering på svært tilgængelige steder. Endvidere ved et passende valg af polymere udløsere, kan stimuli responsive adfærd være aktiveret med en række stimuli, herunder enzymer 42 for at muliggøre autonom funktion af relevans for robotteknologi og kirurgi.

Disclosures

Ingen interessekonflikter erklæret.

Acknowledgments

Vi anerkender støtte fra NSF gennem tilskud CMMI 0854881 og CBET 1.066.898. Forfatterne takker Matthew Mullens for nyttige forslag.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
950 Poly methyl methacrylate A11 Micro Chem M230011 Sacrificial layer
Chromium-plated tungsten rods R. D. Mathis Company CRW-2 Evaporation source for Cr
Copper slug Alfa Aesar 7440-50-8 Evaporation source for Cu
Gold slug Alfa Aesar 7440-57-5 Evaporation source for Au
SPR 220 7.0 Rohm and Haas 10016640 Positive photoresist
S 1800 series photoresists Rohm and Hass Positive photoresist
Megaposit MF- 26 A developer Rohm and Haas 10016574 Developer for SPR 220 7.0 photoresist
Microposit 351 developer Rohm and Hass 10016653 Developer for S 1800 series photoresists
Nickel Sulfamate Technic Inc. 030175 Plating solution for Ni
Techni Solder Mate NF 820 60/40 RTU Technic Inc. 330681 Plating solution for Pb-Sn hinges
APS 100 Copper etchant Transene Company Inc. 021221 Copper etchant
CRE 473 Chromium etchant Transene Company Inc. 040901 Chromium etchant
1-Methyl-2-Pyrollidinone (NMP) Sigma-Aldrich M79603 High boiling point organic solvent for Pb-Sn hinge based self-folding
Indalloy 5RMA flux Indium Corporation of America FL28372 Chemical that cleans the solder surface and inhibits oxidation for good Pb-Sn reflow

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Syms, R. R. A., Yeatman, E. M. Self-assembly of 3-dimensional microstructures using rotation by surface-tension forces. Electronics Letters. 29 (8), 662-664 (1993).
  2. Smela, E., Inganas, O., Lundstrom, I. Controlled folding of micrometer-size structures. Science. 268 (5218), 1735-1738 (1995).
  3. Ebefors, T., Kalvesten, E., Stemme, G. New small radius joints based on thermal shrinkage of polyimide in V-grooves for robust self-assembly 3D microstructures. Journal of Micromechanics and Microengineering. 8, 188-194 (1998).
  4. Syms, R. R. A. Rotational self-assembly of complex microstructures by the surface tension of glass. Sensors and Actuators A. 65, 238-243 (1998).
  5. Prinz, V. Y., et al. Free-standing and overgrown InGaAs/GaAs nanotubes, nanohelices and their arrays. Physica E. 6, 828-831 (2000).
  6. Vaccaro, P. O., Kubota, K., Aida, T. Strain-driven self-positioning of micromachined structures. Applied Physics Letters. 78 (19), 2852-2854 (2001).
  7. Schmidt, O. G., Eberl, K. Nanotechnology: Thin solid films roll up into nanotubes. Nature. 410, 168 (2001).
  8. Solder self-assembled micro axial flow fan driven by a scratch drive actuator rotary motor. Kladitis, P. E., Linderman, R. J., Bright, V. M. Proceedings of the 14th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, 21-25 Jan, Interlaken, Switzerland, , 598-601 (2001).
  9. Gracias, D. H., Kavthekar, V., Love, J. C., Paul, K. E., Whitesides, G. M. Fabrication of micrometer-scale, patterned polyhedra by self-assembly. Advanced Materials. 14 (3), 235-238 (2002).
  10. Dahlmann, G. W., Yeatman, E. M., Young, P., Robertson, I. D., Lucyszyn, S. Fabrication, RF characteristics and mechanical stability of self-assembled 3D microwave inductors. Sensors and Actuators A. 97-98, 215-220 (2002).
  11. A scanning micromirror with angular comb drive actuation. Patterson, P. R., et al. Proceedings of the 15th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, Jan 20-24, Las Vegas, Nevada, , 544-547 (2001).
  12. Syms, R. R. A., Yeatman, E. M., Bright, V. M., Whitesides, G. M. Surface Tension-Powered Self-Assembly of Microstructures-The State-of-the-Art. Journal of Microelectromechanical Systems. 12 (4), 387-417 (2003).
  13. Kubota, K., Fleischmann, T., Saravanan, S., Vaccaro, P. O., Aida, T. Self-assembly of microstage using micro-origami technique on GaAs. Japanese Journal of Applied Physics. 42, 4079-4083 (2003).
  14. Boncheva, M., Whitesides, G. M. Templated self-assembly: Formation of folded structures by relaxation of pre-stressed, planar tapes. Advanced Materials. 17 (5), 553-557 (2005).
  15. Hong, Y. K., Syms, R. R. A., Pister, K. S. J., Zhou, L. X. Design, fabrication and test of self-assembled optical corner cube reflectors. Journal of Micromechanics and Microengneering. 15, 663-672 (2005).
  16. Arora, W. J., Nichol, A. J., Smith, H. I., Barbastathis, G. Membrane folding to achieve three-dimensional nanostructures: Nanopatterned silicon nitride folded with stressed chromium hinges. Applied Physics Letters. 88, 053108 (2006).
  17. Leong, T. G., Zarafshar, A. M., Gracias, D. H. Three-Dimensional Fabrication at Small Size Scales. Small. 6 (7), 792-806 (2010).
  18. Wang, M. -F., Maleki, T., Ziaie, B. A self-assembled 3D microelectrode array. Journal of Micromechanics and Microengineering. 20, 035013 (2010).
  19. Ionov, L. Soft microorigami: self-folding polymer films. Soft Matter. 7, 6786-6791 (2011).
  20. Randall, C. L., Gultepe, E., Gracias, D. H. Self-folding devices and materials for biomedical applications. Trends in Biotechnology. 30 (3), 138-146 (2012).
  21. Gimi, B., et al. Self-assembled three dimensional radio frequency (RF) shielded containers for cell encapsulation. Biomedical Microdevices. 7 (4), 341-345 (2005).
  22. Cho, J. H., Azam, A., Gracias, D. H. Three dimensional nanofabrication using surface forces. Langmuir. 26 (21), 16534-16539 (2010).
  23. Pandey, S., et al. Algorithmic design of self-folding polyhedra. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108 (50), 19885-19890 (2011).
  24. Leong, T. G., Benson, B. R., Call, E. K., Gracias, D. H. Thin film stress driven self-folding of microstructured containers. Small. 4 (10), 1605-1609 (2008).
  25. Leong, T. G., et al. Tetherless thermobiochemically actuated microgrippers. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 106 (3), 703-708 (2009).
  26. Cho, J. H., Gracias, D. H. Self-assembly of lithographically patterned nanoparticles. Nano Letters. 9 (12), 4049-4052 (2009).
  27. Azam, A., Laflin, K., Jamal, M., Fernandes, R., Gracias, D. H. Self-folding micropatterned polymeric containers. Biomedical Microdevices. 13 (1), 51-58 (2011).
  28. Azam, A., Leong, T. G., Zarafshar, A. M., Gracias, D. H. Compactness determines the success of cube and octahedron self-assembly. PLoS One. 4 (2), e4451 (2009).
  29. Harsh, K., Lee, Y. C. Modeling for solder self-assembled MEMS. Proceedings of SPIE. 3289, 177-184 (1998).
  30. Syms, R. R. A. Equilibrium of hinged and hingeless structures rotated using surface tension forces. Journal of Microelectromechanical Systems. 4 (4), 177-184 (1995).
  31. Leong, T. G., Lester, P. A., Koh, T. L., Call, E. K., Gracias, D. H. Surface tension-driven self-folding polyhedra. Langmuir. 23, 8747-8751 (2007).
  32. Harsh, K. F., Bright, V. M., Lee, Y. C. Solder self-assembly for three-dimensional microelectromechanical systems. Sensors and Actuators A. 77, 237-244 (1999).
  33. Nikishkov, G. P. Curvature estimation for multilayer hinged structures with initial strains. Journal of Applied Physics. 94 (8), 5333-5336 (2003).
  34. He, H. Y., Guan, J. J., Lee, J. L. An oral delivery device based on self-folding hydrogels. Journal of Controlled Release. 110 (2), 339-346 (2006).
  35. Luchnikov, V., Sydorenko, O., Stamm, M. Self-rolled polymer and composite polymer/metal micro- and nanotubes with patterned inner walls. Advanced Materials. 17, 1177-1182 (2005).
  36. Bassik, N., Abebe, B. T., Laflin, K. E., Gracias, D. H. Photolithographically patterned smart hydrogel based bilayer actuators. Polymer. 51 (26), 6093-6098 (2010).
  37. Jamal, M., Zarafshar, A. M., Gracias, D. H. Differentially photo-crosslinked polymers enable self-assembling microfluidics. Nature Communications. 2 (527), 1-6 (2011).
  38. Harazim, S. M., Xi, W., Schmidt, C. K., Sanchez, S., Schmidt, O. G. Fabrication and applications of large arrays of multifunctional rolled-up SiO/SiO2 microtubes. Journal of Materials Chemistry. 22, 2878-2884 (2012).
  39. Randall, C. L., Kalinin, Y. V., Jamal, M., Shah, A., Gracias, D. H. Self-folding immunoprotective cell encapsulation devices. Nanomedicine. 7 (6), 686-689 (2011).
  40. Kalinin, Y. V., Randhawa, J. S., Gracias, D. H. Three dimensional chemical patterns for cellular self-organization. Angewandte Chemie. 50 (11), 2549-2553 (2011).
  41. Randhawa, J. S., Keung, M. D., Tyagi, P., Gracias, D. H. Reversible actuation of microstructures by surface chemical modification of thin film bilayers. Advanced Materials. 22 (3), 407-410 (2010).
  42. Bassik, N., et al. Enzymatically triggered actuation of miniaturized tools. Journal of the American Chemical Society. 132, 16314-16317 (2010).

Tags

Kemi Kemiteknik Biomolecular Engineering Materials Science Fysik Nanoteknologi molekylær selvsamling Elektrokemi Folding tredimensionelle litografi kolloid fragmentarisk partikler partikler nanopartikler robotteknologi drug delivery microfabrication nanofabrikation nano montage syntese reaktion origami
Origami Inspireret Selvsamling af mønstret og omkonfigurerbare Particles
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Pandey, S., Gultepe, E., Gracias, D. … More

Pandey, S., Gultepe, E., Gracias, D. H. Origami Inspired Self-assembly of Patterned and Reconfigurable Particles. J. Vis. Exp. (72), e50022, doi:10.3791/50022 (2013).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter