Waiting
Login processing...

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

Chemistry

אוריגמי השראה עצמית הרכבה של חלקיקים בדוגמת וReconfigurable

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

אנו מתארים פרטים ניסיוניים של הסינתזה של חלקיקים בדוגמת וreconfigurable משני מבשרים ממדיים (2D). מתודולוגיה זו יכולה לשמש ליצירת חלקיקים במגוון צורות, כולל פאונים ומכשירים נאחזו בסולמות אורך נעים בין מייקרו לקנה מידה של סנטימטר.

Abstract

קיימות טכניקות רבות כגון photolithography יתוגרפיה, אלומת אלקטרונים וליטוגרפיה רכה שניתן להשתמש בו לדפוס בדיוק 2 ממדים (2D) מבנים. טכנולוגיות אלה הן בוגרות, מציעות דיוק גבוה ורבים מהם יכולים להיות מיושמים באופן תפוקה גבוהה. אנו ממנפים את היתרונות של יתוגרפיה מישוריים ולשלבם בשיטות עצמיות קיפול 1-20 כוחות פיסיים במסגרתו נובעים ממתח פנים ומתח שיורים, המשמשים לעקומה או מבנים מישוריים קיפול לשלושה מבנים ממדיים (3D). בעשותנו כך, אנו מאפשרים לייצור המוני בדוגמת חלקיקים סטטיים וreconfigurable שמאתגרים לסנתז במדויק.

במאמר זה, אנו פירוט דמיינו פרוטוקולים ניסיוניים ליצירת חלקיקים בדוגמת, בעיקר, (א) ערובה לצמיתות, חלול, פאונים עצמיים להרכיב וחותם עצמי בשל צמצום אנרגית פני שטח של צירים מעובים 21-23וכן (ב) שgrippers עצמי של פי עקב צירים מופעלים לחץ השיורי 24,25. הפרוטוקול הספציפי המתוארים יכול לשמש ליצירת חלקיקים בעלי גודל כולל החל מיקרומטר את הכף באורך הסנטימטר. יתר על כן, דפוסים שרירותיים יכולים להיות מוגדרים על פני שטח של החלקיקים בעלי חשיבות במדע colloidal, אלקטרוניקה, אופטיקה ורפואה. באופן כללי יותר, הרעיון של חלקיקים מכאניים נוקשים להרכבה עצמית עם צירים עצמי איטום הוא ישים, עם כמה שינויים בתהליך, ליצירת חלקיקים באפילו קטן, 100 סולמות אורך nm 22, 26 ועם מגוון רחב של חומרים כוללים מתכות 21 , 9 מוליכים למחצה ופולימרים 27. עם כל כבוד לactuation מופעל לחץ השיורי של מכשירים התופסניות reconfigurable, הפרוטוקול הספציפי שלנו מנצל צירי כרום של שייכות למכשירים עם גדלים הנעים בין 100 מיקרומטר עד 2.5 מ"מ. עם זאת, באופן כללי יותר, המושג של מתח שיורי רצועה ללא כזהactuation המופעל ניתן להשתמש בחומרים חלופיים מתח גבוה כגון הופקדו סרטי heteroepitaxially מוליכים למחצה 5,7 אולי כדי ליצור התקני ננו התופסניות קטנים אפילו.

Protocol

אנו מתארים 1 פרוטוקול כללי שניתן להשתמש בו כדי להמציא חלקיקי דוגמאות, אטומים והתקנים התופסניות reconfigurable. יחד עם הפרוטוקול הכללי, אנו מספקים דוגמה אחת מסוימת, דמיין לשניהם ייצור של חלקיקי dodecahedral אטומים וmicrogrippers reconfigurable.

1. הכנת מסכה וחוקי עיצוב

  1. בדרך כלל, לפחות שתי ערכות מסכה יש צורך, אחת לאזורים שאין לכופף או עקום (לוחות קשיחים) והשני לאזורים שעיקול, עיקול או חותם (צירים). מסכות נוספות יכולות להיות מנוצלות כדי להגדיר דפוסי משטח של הנקבוביות, תיקונים מולקולריים, אלמנטים אופטיים או אלקטרוניים. מסכות יכולות להיות מעוצבות באמצעות מגוון של שתי תוכניות ממדיות גרפיקה וקטורית תוכנה כגון AutoCAD, Adobe Illustrator, FreeHand MX או עורך פריסה.
  2. מחקרים אמפיריים מצביעים על הכללים הבאים האופטימליים העיצוב ליצירת מסכות שיכולים לשמש למתח הפנים מונעים קיפול של polyhedron של צד האורך L.
    1. לגיאומטרית polyhedral בפרט, במספר הלוחות ראשון צריך להיות נחוש. לדוגמה, קובייה יש שישה פנלים רבועים תוך תריסרון יש 12 לוחות מחומשים.
    2. 2 הסדר הממדי המניבים של לוחות, המכונה גם רשת צריכה להיות ברורה לו. רשתות שיש להם רדיוס הנמוך ביותר של הסתובבות ומספר הגדול ביותר של קשרי קודקוד שניים תהיינה בדרך כלל להרכיב עם את התשואות הגבוהות ביותר. הרשתות האופטימליות למגוון רחב של פאונים כגון קוביות, octahedra, dodecahedra, מקוצץ octahedra, icosahedra, מתפרסמות 23, 28.
    3. במסכת הפנל, הפנלים של הפאונים צריכים להתבצע כרשתות והפנלים הסמוכים צריכים להיות מחולקים על ידי פער של רוחב שהוא כ 0.1L. סימני רישום נחוצים לצורך יישור שלאחר מכן עם מסכת הציר.
    4. במסכת הציר, שני הצירים המתקפלים (בין הלוחות) והציריים נעילה או איטום (בקצוות של לוחות)חייב להיות מוגדר. צירה קיפול צריך להיות אורכים של 0.8L ורוחב של 0.2L תוך אטימת צירים שבפריפריה של הפנלים צריכים אורכים של 0.8L ורוחב של 0.1L שמזדקרים מן 0.05L (איור 1 AC). זהירות מיוחדת יש לנקוט על מנת להבטיח כי הפנל וציר שכבת מסכות, עם רישום. עם עיצוב כלל זה, הצלחנו לסנתז חלקיקים בעלי גדלים הנעים בין 15 מיקרומטר עד 2.5 סנטימטר.
    5. הנפח של הציר שולט בזוויות הקיפול, ולרוחב ציר נתון, דוגמנות אלמנטים סופיים נדרשה כדי לקבוע את העובי הדרוש של הציר. הקורא התייחס לדגמים שפורסמו 29-32 להעריך עובי זה. עם זאת, התכונה האטרקטיבית של הגישה שלנו היא השימוש בנעילה או אטימת צירים המספקים שגיאות סובלנות ניכרת במהלך עצמי מתקפל. לפיכך, כאשר צירי איטום משמשים, תהליך ההרכבה הוא סובלני לחריגות בהיקפי ציר, ומאפשר להם להיות רק כ targeted. בשל cooperativity המשמעותי במהלך עצרת, גם dodecahedra עם זוויות קיפול של 116.57 מעלות כבר בייצור המוני. יתר על כן, מקוצץ octahedra יש שתי זוויות dihedral שונות של 125.27 מעלות ו109.47 ° אבל, אפשר להרכיב באמצעות כרכי הציר הזהים. יתרון נוסף של צירי האיטום הוא שהצירים הצמודים לכל נתיך אחר ביחד על החימום בתהליך קיפול, יצירת חלקיקים אטומים היטב, חלקים ונוקשים בקירור.
  3. מחקרים אמפיריים מצביעים על כללי העיצוב האופטימליים הבאים למסכות של microgrippers שמתקפלות עקב צירים מופעלים לחץ השיורי. לmicrogripper של קצה לקצה אורך (ד ') של 600-900 מיקרומטר, פער הצירים (ז) הוא בדרך כלל סביב 50 מיקרומטר (איור 1 df), ואילו לmicrogrippers הקטן עם ד' של 300 מיקרומטר, g קטן יותר של כ 25 מיקרומטר צריך להיות מנוצל. את ממדי פער הצירים תלויים במתח, העובי ואלסטיות קונטהNTS של סרטים הבסיסיים ופתרונות אנליטיים multilayer ניתן להשתמש בערך כדי לאמוד את היקף 25,33 מתקפלים. מדידה מדויקת של לחצים ודוגמנות אלמנטים סופית נדרשת דווקא כדי לדמות את הקיפול. מחקרים אמפיריים מצביעים על כך שכ 100 מיקרומטר הוא הגבול התחתון לחלקיקים עם צירי כרום לחוצים.
  4. לאחר תכנון הפריסה, המסכות צריכות להיות מודפסות על סרטי שקיפות באמצעות מדפסות ברזולוציה גבוהה או בבית או באמצעות מגוון רחב של כולים מסחריים (איור 2 א). בדרך כלל, סרטי שקיפות יש להשתמש רק בגדלי תכונה מינימאליים של 6 מיקרומטר, בעוד מסכות כרום נחוצים עבור מבנים עם פערים או תכונות ציר קטנים יותר. תבנית הקובץ האופיינית דרושה לעיצוב מסכות מסחריות היא ". Dxf".

2. הכנת מצע

  1. מצעים שטוחים כמו שקופיות זכוכית או פרוסות סיליקון צריכים להיות בשימוש.
  2. להידבקות טובה, זה שדortant לנקות ולייבש את המצעים. זה בדרך כלל מספיק כדי לנקות את המצעים עם מתנול, אצטון ואלכוהול איזופרופיל (IPA), לייבש אותם עם חנקן (N 2) ולאחר מכן לחמם אותם על פלטה או בתנור ב 150 מעלות צלזיוס במשך דקות 5-10.

3. תצהיר של השכבה של הקורבן

על מנת לשחרר את התבניות מהמצע אחרי דפוסים, שכבת הקרבה נדרשת. מגוון הסרטים מורכבים או מתכות (לדוגמה, נחושת), חומרים דיאלקטריים (למשל, אלומינה) או פולימרים (למשל, PMMA, PVA, CYTOP וכו ') יכול להיות מנוצל. בעת בחירת סרט הקרבה, שיקולים חשובים הם הקלות של תצהיר ופירוק של החומר ולחרוט הסלקטיביות.

4. דפוסי הפנלים

  1. הפנלים של החלקיקים יכולים להיות מופקדים על ידי מגוון של אמצעים. לחלקיקים פולימריים, את הסרטים שהופקדו על ידי ציפוי ספין או ליהוק טיפה. עבורחלקיקים מתכתיים, Electrodeposition או אידוי תרמית יכולים להיות מנוצלים.
  2. עבור הייצור של חלקיקי מתכת, יש צורך להוסיף שכבת מוליך על גבי המצע מצופה שכבת ההקרבה כדי להקל electrodeposition של הפנלים והצירים.
  3. הפנלים יכולים להיות תבנית באמצעות כל תהליך יתוגרפיות כגון photolithography, דפוס, ליתוגרפיה nanoimprint או יתוגרפיה קרן האלקטרונים. תהליך photolithography טיפוסי כולל ציפוי שכבת photoresist על המצע, ואז אפייה, חשיפה ופיתוח כהמלצה של היצרן ל. Photoresists כגון SPR, AZ או SC סדרה יכול לשמש, או לחלופין, את הלוחות ניתן להגדיר באמצעות פולימרי photocrosslinkable כגון SU8, PEGDA, או photocrosslinkable PDMS. בהתאם לבחירה של photoresist, עובי ולכן מהירות סחיטה, זמן חשיפה וזמן פיתוח צריך להיות בהתאם.
  4. לאחר photolithography, תלוי בגודל של מתכתי פארטיcles, לוחות עבים יכול להיוצר על ידי electrodeposition, בעוד ניתן להגדיר לוחות דקים על ידי אידוי או מקרטע.
    1. לelectrodeposition של לוחות, החוקים של פאראדיי של electrodeposition והיעילות של האמבטיה יש להשתמש כדי לחשב את זרם electroplating מבוסס על פני השטח החשוף הכולל של הפנלים. צפיפות אופיינית נוכחית לניקל (Ni) וציפוי הלחמה (Pb-Sn) הן בין mA / סנטימטר 01-10 פבואר ו20-50 מיליאמפר / 2 סנטימטר בהתאמה.

5. דפוסי הצירי

דומה לדפוסים של הלוחות, כדי צירי דפוס, סיבוב שני של photolithography צריך לעשות שימוש במסכת הצירים (איור 2b-C). סימני הרישום על הלוח ומסכות ציר צריכים להיות מעולפים כדי להבטיח יישור נכון.

  1. להרכבה מונעת מתח פנים, את החומרים לפנלים והצירים צריכים להיבחר כך שהחומר יש הציר נמוךנקודת התכה אה מהפנלים ומכאן הפנלים יישארו נוקשים בעוד שהצירים נמסו. עצרת מתרחשת כאשר התבניות מחוממות מעל נקודת ההתכה של חומר הציר. לדוגמה, במקרה של חלקיקים מתכתיים עם לוחות ניקל, אנו הלחמת Pb-Sn electrodeposit על הצירים שנמסו ב~ 200 מעלות צלזיוס ומנחה את הקיפול. בדומה לכך, במקרה של חלקיקים פולימריים עם SU8 פנלים, שצירי polycaprolactone פיקדון שמרכיבים ב ~ 58 ° 27 ג התהליך עובד הכי טוב כאשר חומר הציר נעוץ בתוך אזור הציר במהלך reflow, כלומר זה לא התפשט בכל רחבי פנלים ולא dewet לחלוטין מהלוח. נעיצה זה יכול להיות מושגת על ידי הבחירה של חומרים עם מאפייני הרטבה מתאימים וצמיגות.
  2. במקרה של מתח סרט דק מונע עצמי קיפול, את הצירים צריכים להיות תבנית לפני דפוסי הפנל. בדרך כלל, הציר צריך להיות מורכב bilayer הדגיש באופן דיפרנציאלי, מורכב ממתכת לחוצים כגון כרום (Cr) או זירקוניום (Zr) ומתכת בלתי מוטעמת יחסית כגון זהב (Au) או נחושת (Cu). לדוגמה, עבור microgrippers עם פער ציר של 50 מיקרומטר, אנו משתמשים bilayer המורכב של 50 ננומטר וע"פ 100 Au ננומטר. בנוסף לbilayers המתכתי הדגיש באופן דיפרנציאלי, באופן דיפרנציאלי, הדגיש פולימרים 34-37, שכבות שכבות של מוליכים למחצה SiOx 5 או 38 epitaxial יכולות גם להיות מנוצלות.
  3. למתח סרט דק מונע עצמי מתקפל, שכבת הדק פולימרים תרם רגישה צריכה להיות מנוצלת כדי להגביל את המכשירים כך שהמבנים לא להתקפל באופן ספונטני עם שחרור מהמצע. הבחירה המתאימה של חומר הדק ועובי יכולה להעניק את המכשירים עם גירויים שונים מאפייני תגובה. לדוגמה, דפוסים 1.5 מיקרומטר photoresist העבה (סדרת S1800) באזור הציר זה מספיק כדי לשמור על המכשירים שטוחים עד שהם מחוממים ל ~ 37 ° C כדי לעורר את הקיפול.

= "Jove_title"> 6. משחרר את התבניות מהמצע והקיפול

  1. כדי לשחרר את התבניות בדוגמת 2D, שכבת ההקרבה צריכה להיות מומסת ידי etchants המתאים (איור 2 ד).
  2. למתח פנים מונע על הרכבה, מבשרים מישוריים שוחררו צריכים להיות מחוממים מעל נקודת ההתכה של חומר הציר. על חימום, הצירים מקבלים נוזליים והמבשרים להרכיב לתוך חלקיקים חלולים מעוצבים כנדרשים (איור 2 ה-i).
  3. לקיפול דק מתח סרט מונע, מתקפל יכול להיות מופעל לאחר המבנים משתחררים ממצע ועל חשיפה לגירוי הנכון, למשל, על חימום, כך שההדק מרכך וכבר לא מגביל את ההרפיה של צירי bilayer הלחוצים. מאחר שהמכשירים הלופתים הם פרומגנטי הם יכולים להיות מודרכים וממוקמים ליד המטען המתאים ומופעלים להתקפל סביבו (איור י 2-n). ראוי לציין כי הרקמות exciשיאון יכול להיות מושג באמצעות קיפול מופעל כגון 25.

דוגמא 1. פרוטוקול עבור הייצור של מתח פנים מונע עצמי התאסף, ערובה לצמיתות, 300 מיקרומטר גודל החלול dodecahedra (ייצוג סכמטי באיור 3):

  1. הכן את המסכות כמוסבר בשלב 1. לייצור של dodecahedra עם אורך קצה פנל מיקרומטר 300, לצייר מסכת פנל כזה כי הלוחות המחומשים של תריסרון הם מרווחים לגזרים על ידי 30 מיקרומטר. צייר מסכת ציר שבו צירי קיפול ואיטום בממדים של 240 x 60 מיקרומטר מיקרומטר ו 240 מיקרומטר בהתאמה x 30 מיקרומטר.
  2. הכן מצע פרוסות סיליקון, כמוסבר בשלב 2.
  3. מעייל ספין ~ 5.5 מיקרומטר שכבה עבה של 950 PMMA A11 ב 1000 סל"ד, על פרוסות סיליקון. חכה 3 דקות ולאחר מכן לאפות ב 180 מעלות צלזיוס למשך 60 שניות.
  4. שימוש במאייד תרמי, הפקדת 30 ננומטר כרום (Cr) כאמרגן הידבקות ונחושת ננומטר 150 (Cu) כtהוא מנהל שכבה.
  5. מעייל ספין ~ 10 מיקרומטר SPR220 עבה ב1700 סל"ד על גבי הפרוסות. חכה 3 דקות.
  6. בצע softbake רמפה למעלה על ידי נחת הרקיק על פלטה חשמלית ב 60 ° C למשך 30 שניות. לאחר מכן להעביר את הפרוסות על גבי פלטה חשמלית אחרת ב115 מעלות צלזיוס למשך 90 שניות ולאחר מכן חזרה ל 60 מעלות צלזיוס למשך 30 שניות.
  7. לקרר את הפרוסות בטמפרטורת חדר ולחכות 3 שעות.
  8. לחשוף את הוופלים למסכת הפנל באמצעות ~ 460 mJ / 2 סנטימטר של אור UV (365 ננומטר) וaligner מסכה מבוססת כספית.
  9. לפתח במפתח MF-26 א ל2 דקות ולשנות את פתרון היזם ולפתח עבור 2 דקות נוספות.
  10. לחשב את שטח פנל המסך ולהשתמש בו כדי לחשב את הזרם הנדרשים לelectrodeposit ניקל מפתרון sulfamate ניקל מסחרי בשיעור של כ 1-10 mA / 2 סנטימטר עד עובי של 8 מיקרומטר.
  11. ממס את photoresist עם אצטון. שטוף את הרקיק עם IPA, ולייבש עם 2 גז N.
  12. מעייל ספין ~ 10 מיקרומטר העבה SPR220 ב 1700 סל"ד על גבי הפרוסות. חכה 3 דקות.
  13. בצע softbake רמפה למעלה על ידי נחת הרקיק על פלטה חשמלית ב 60 ° C למשך 30 שניות. לאחר מכן להעביר את הפרוסות לפלטה חשמלית אחרת ב115 מעלות צלזיוס למשך 90 שניות ולאחר מכן חזרה ל 60 מעלות צלזיוס למשך 30 שניות.
  14. לקרר את הפרוסות בטמפרטורת חדר ולחכות 3 שעות.
  15. לחשוף את הוופלים למסכת הציר באמצעות ~ 460 mJ / 2 סנטימטר של אור UV (365 ננומטר) וaligner מסכה מבוססת כספית. ודא שסימני הרישום מיושרים כך שהצירים מיושרים עם הלוחות.
  16. לפתח במפתח MF-26 א ל2 דקות ולשנות את פתרון היזם ולפתח עבור 2 דקות נוספות.
  17. באמצעות חותך יהלומים, לחתוך את הפרוסות לחתיכות קטנות, כך שחתיכה אחת של פרוסות סיליקון מכילה 50-60 ~ רשתות. מעייל הקצוות של חתיכות עם לק.
  18. לחשב את שטח הציר נחשף הכולל ולהשתמש בו כדי לחשב את הזרם הנדרש לelectrodeposit Pb-Sn הלחמה מפתרון ציפוי הלחמה מסחרית בשיעור של approximately 20-50 מיליאמפר / סנטימטר עד עובי של 15 מיקרומטר 2.
  19. ממס את photoresist באצטון. יש לשטוף את חלקי רקיק עם IPA, ולייבש עם 2 גז N.
  20. לטבול את חתיכת הרקיק באיכול APS 100 עבור 25-40 שניות כדי להמס את שכבת Cu שמסביב. לשטוף עם מים ולייבש DI עם 2 גז N.
  21. לטבול את חתיכת הרקיק באיכול cre-473 עבור 30-50 שניות כדי להמס את שכבת Cr שמסביב. לשטוף עם מים ולייבש DI עם 2 גז N.
  22. לטבול את חתיכת הרקיק ב~ 2-3 מ"ל של 1-Methyl-2-Pyrollidinone (NMP) וחום של 100 מעלות צלזיוס במשך 3-5 דקות עד שהתבניות משתחררות מהמצע.
  23. העברה ~ 20-30 תבניות לתוך צלחת פטרי קטנה ולהפיץ אותם באופן אחיד.
  24. הוסף ~ 3-5 מ"ל של 5-7 טיפי NMP ו~ של שטף נוזל Indalloy 5RMA.
  25. חום של 100 מעלות צלזיוס למשך 5 דקות. בשלב זה, שטף נוזל 5RMA Indalloy מנקה וממס כל שכבת תחמוצת נוצרה בהלחמה ובכך מבטיח refl הלחמה טובהow בחימום מעל נקודת התכה.
  26. הגדל את טמפרטורת הפלטה החשמלית עד 150 מעלות צלזיוס למשך 5 דקות ולאחר מכן להגדיל אותו לאט לאט עד 200 מעלות צלזיוס עד שמתקפל מתרחשת. כאשר הטמפרטורה עלתה ל 200 מעלות קיפול מתחיל אחרי 5-8 דקות. התערובת עלולה להפוך חומה כפי שהוא מתחיל לבעור.
  27. כאשר dodecahedra התקפל, לאפשר המנה להתקרר. הוסף אצטון לצלחת, פיפטה את הנוזל, ולשטוף dodecahedra באצטון ולאחר מכן אתנול.
  28. אחסן את חלקיקי dodecahedral באתנול.

דוגמה 2. פרוטוקול לייצור של reconfigurable, מתח סרט דק מונע עצמי הקיפול microgrippers תרם רגיש (ייצוג סכמטי באיור 4):

  1. הכן את המסכות כמוסבר בשלב 1. עצב את המסכות, כך שאורך קצה לקצה את grippers הוא 980 מיקרומטר, עם האורך המרכזי פנל בצד של 111 מיקרומטר ופער הציר של 50 מיקרומטר. מסכות ציר ופנל אופייניות יכולות להיות מתוכננות similar לדה תרשים 1.
  2. הכן את פרוסות סיליקון כפי שמוסברות בשלב 2.
  3. הידבקות ההפקדה 15 ננומטר Cr ו50-100 ננומטר שכבות הקרבת Cu באמצעות מאייד תרמית.
  4. ספין מעייל ~ 3 מיקרומטר S1827 עבה באמצעות coater ספין, ב3000 סל"ד. חכה 3 דקות ולאחר מכן לאפות רקיק ב115 מעלות צלזיוס במשך דקות 1 על פלטה חשמלית.
  5. לחשוף באור ~ 180 mJ / 2 סנטימטר UV (365 ננומטר) באמצעות aligner מסכה ומסכת הציר.
  6. לפתח עבור 40-60 שניות במפתח 351 05:01 בדילול מלא. לשטוף עם מים ולייבש DI עם 2 גז N.
  7. הפיקדון של 50 ננומטר וע"פ 100 ננומטר Au באמצעות מאייד תרמית. פונקציות Cr-Au כbilayer ציר עם מתח שיורים בסרט CR, בעוד סרט Au הוא שכבת תמיכת bioinert.
  8. המראת photoresist באצטון. השתמש sonicator במשך 3-5 דקות להמראה לחלוטין את שאריות מתכת. שטוף את הרקיק עם אצטון וIPA, יבש עם 2 גז N.
  9. מעייל ספין ~ 10 מיקרומטר SPR220 העבה1700 סל"ד על גבי הפרוסות. חכה 3 דקות.
  10. בצע softbake רמפה למעלה על ידי נחת הרקיק על פלטה חשמלית ב 60 ° C למשך 30 שניות. לאחר מכן להעביר את הפרוסות לפלטה חשמלית אחרת ב115 מעלות צלזיוס למשך 90 שניות ולאחר מכן חזרה ל 60 מעלות צלזיוס למשך 30 שניות. חכה 3 שעות.
  11. לחשוף photoresist ב ~ אור 460 mJ / 2 סנטימטר UV (365 ננומטר) באמצעות aligner מסכה דרך מסיכת הפנל.
  12. לפתח במפתח MF-26 א ל2 דקות ולשנות את פתרון היזם ולפתח עבור 2 דקות נוספות.
  13. לחשב את שטח פנל המסך ולהשתמש בו כדי לחשב את הזרם הנדרשים לelectrodeposit ניקל מפתרון sulfamate ניקל מסחרי בשיעור של כ 1-10 mA / 2 סנטימטר עד עובי של 5 מיקרומטר. לשטוף עם מי DI ביסודיות.
  14. Electrodeposit או להתאדות 100 ננומטר Au. שכבה זו מסייעת להגן על ניקל מetchants משמש כדי להסיר את שכבת ההקרבה.
  15. רצועת photoresist עם אצטון. שטוף את הרקיק עם IPA, ולייבש עם 2 גז N. מערבב S1813 וS1805 photoresits בנפח היחס 1:5. ספין מעייל התערובת ב1800 סל"ד. חכה 3 דקות, ואז לאפות על פלטה חשמלית ב115 מעלות צלזיוס במשך דקות 1. שכבת photoresist זה פועל כשכבת הדק.
  16. לחשוף באור ~ 120 mJ / 2 סנטימטר UV (365 ננומטר) בaligner מסכה באמצעות מסכת הציר.
  17. לפתח עבור 30-50 שניות במפתח 351 05:01 בדילול מלא. לשטוף עם מים ולייבש DI עם 2 גז N.
  18. לחתוך חתיכה של פרוסות סיליקון, בעזרת סכין יהלום.
  19. לטבול את חתיכת הרקיק בAPS 100 לחרוט שכבת הקרבת Cu הבסיסית. חכה עד שmicrogrippers משתחררים לחלוטין מהמצע.
  20. יש לשטוף אותו במים וmicrogrippers חנות DI במים קרים.
  21. טריגר הקיפול על ידי נחת microgrippers ב37 ° C מים.

7. נציג תוצאות

תוצאות נציגויות באיור 5 מראים חלקיקי polyhedral עצמי התאספו במגוון shקופים כמו גם microgrippers קיפול. תהליך הייצור וactuation הוא מקביל מאוד ומבני 3D יכולים להיות מפוברקים ומופעלים בו זמנית. בנוסף, דפוסים מדויקים כפי שהודגמו על ידי נקבוביים מרובע או משולש, יכולים להיות מוגדרים בכל השלושה הממדים, ועל פנים נבחרות, אם דרוש. את microgrippers יכול להיות סגור בתנאים ביולוגיים שפירים, כך שהם יכולים לשמש לרקמת בלו או עמוס במטען ביולוגי. בנוסף, היות וניתן לבצע את microgrippers עם חומר פרומגנטי, הם יכולים להיות מועברים מרחוק באמצעות שדות מגנטיים.

איור 1
איור 1. כללי עיצוב לסינתזה של חלקיקים בדוגמת (AC) כללי עיצוב מסכה להרכבה של חלקיקי polyhedral דוגמת;. () סכמטי של מסכת הפנל לפאון של L אורך צד, (ב) סכמטי של מסכת הציר הכולל קיפול(0.2 ליטר x 0.8 ליטר) ונעילה או אטימה (0.1 x 0.8 ליטר L) צירים, ו (ג) סכמטי של מבשר 2D המעולף או נטו. (DF) כללים לעיצוב מסכת microgripper עצמי מתקפל, (ד) סכמטית של מסכת הציר לmicrogripper עם קצה לקצה האורך ד, (ה) סכמטית של מסכת הפנל עם גרם פער ציר, ו( ו) סכמטית של מבשר 2D המעולף. לחץ כאן לצפייה בדמות גדולה.

איור 2
איור 2. תמונות ניסיוניות ואנימציות רעיוניות של שלבים חשובים בייצור ותהליך הרכבה. (א) מסך של מסכת פנל AutoCAD עבור מבשרי dodecahedral. (BC) תמונות אופטיות של מבשרי 2D ל, (ב) dodecahedra, ו (ג) microgrippers על מצע סיליקון. (ד) פורסם רשתות dodecahedral. ברי היקף: 200 מיקרומטר. (En) קונספטואליתnimation של, (EI) מתח הפנים מונע הרכבה של תריסרון, ומתח סרט דק (יוחנן) מונע קיפול של microgripper סביב חרוז (אנימציה של הדוד Filipiak).

איור 3
איור 3. איור סכמטי של שלבי הייצור החשובים להרכבה מונעת מתח הפנים של חלקיק מעוקב.

איור 4
איור 4. איור סכמטי של שלבי הייצור החשובים למתח השיורים מונע קיפול של מכשיר אחיזה בן שש ספרות.

איור 5
איור 5. תמונות של אוריגמי חלקיקי השראה עצמית התאסף בדוגמת וreconfigurable.

Discussion

תהליך הרכבת אוריגמי בהשראה שלנו הוא תכליתי ויכול לשמש לסינתזת מגוון של חלקיקים סטטיים וreconfigurable 3D עם מגוון רחב של חומרים, צורות וגדלות. יתר על כן, היכולת בדיוק חיישני דפוס ומודולים אלקטרוניים על החלקיקים הללו היא חשובה לאופטיקה ואלקטרוניקה. בניגוד לחלקיקי טלאים נוצרו על ידי שיטות חלופיות, שבו דפוסים יחסית מדויקים, מתודולוגיה זו מספקת אמצעי ללסנתז חלקיקי דוגמת בדיוק. בהרכבה מבוססת מתח פנים, השימוש במסת צירי איטום מבטיח שהחלקיקים אטומים היטב ומכאני נוקשים לאחר הרכבה (בקירור). בעבר, יש לנו לב, שהתפרים הם דליפת הוכחה אפילו למולקולות קטנות 39,40. Electrodeposition של שכבה דקה של Au לאחר ההרכבה יכול לספק כוח נוסף ולשפר את אופי הוכחת הדליפה מהתפרים. מתקפל לחץ מבוסס הסרט הדק הוא שימושי עבור יישומים שברחקיפול מגיב imuli נדרש כגון בmicrogrippers ששמש לביצוע במבחנה בדגימה ביולוגית vivo ו בפעולות איסוף ומקום ברובוטיקה. בעוד המתודולוגיה הספציפית המתוארת כאן יכולה לשמש ליצירת microgrippers reconfigurable כי לסגור רק פעם אחת, הבחירה המתאימה של חומרים ושיטות כדי לתפעל לחץ בbilayers יכולה להיות מנוצלת גם ליצור מכשירים שתופסים שניתנים מחדש על מחזורים מרובים 37, 41. גולת הכותרת של השימוש במתח שיורים לשלטון המכשירים האלה היא שהם אינם דורשים כל חבלים או חוטים וכך יש יכולת תמרון מצוינת כדי לאפשר actuation בקשה להגיע למקומות. יתר על כן, על ידי בחירה מתאימה של גורמים פולימריים, התנהגות מגיבה גירויים יכולה להיות מופעלת עם מגוון של גירויים, כולל אנזימים 42 כדי לאפשר תפקוד אוטונומי רלוונטי לרובוטיקה וניתוחים.

Disclosures

אין ניגודי האינטרסים הכריזו.

Acknowledgments

אנו מכירים במימון מNSF דרך CMMI מענקים 0854881 וCBET 1066898. המחברים מודים מולנס מתיו להצעות מועילות.

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

כימיה גיליון 72 הנדסה כימית הנדסת Biomolecular מדע חומרים פיסיקה ננוטכנולוגיה הרכבה עצמית אלקטרוכימיה מולקולרית שלוש ליתוגרפיה מתקפלת ממדים קולואיד חלקיקי טלאים חלקיקים חלקיקים רובוטיקה אספקת סמים microfabrication nanofabrication ננו הרכבה סינתזה תגובה אוריגמי
אוריגמי השראה עצמית הרכבה של חלקיקים בדוגמת וReconfigurable
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