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 Inspirert Self-montering av mønstret og rekonfigurerbar Partikler

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 for syntesen av mønstrede og rekonfigurerbar partikler fra todimensjonale (2D) forløpere. Denne metodikken kan brukes til å lage partikler i en rekke former, inkludert polyedre og gripedelene enheter lengdeskala som spenner fra den mikro til centimeter skala.

Abstract

Det finnes mange teknikker som fotolitografi, elektron-litografi og soft-litografi som kan brukes til nøyaktig mønster to dimensjonale (2D) strukturer. Disse teknologiene er modne, tilbyr høy presisjon og mange av dem kan implementeres i en high-throughput måte. Vi utnytter fordelene med planar litografi og kombinere dem med selv-folding metoder 1-20 karakterisert fysiske krefter som stammer fra overflatespenning eller gjenværende stress, brukes til å kurve eller fold planar strukturer i tre dimensjonale (3D) strukturer. Ved å gjøre det, gjør vi det mulig å masseprodusere nettopp mønstret statiske og rekonfigurerbar partikler som er utfordrende å syntetisere.

I denne artikkelen visualisert vi detalj eksperimentelle protokoller for å skape mønstrede partikler, særlig, (a) permanent limt, hul, polyedre at selv montere og selv-tetning på grunn av minimalisering av overflateenergi av flytende hengsler 21-23og (b) gripelister at selv-ganger på grunn av restspenninger drevne hengsler 24,25. Den spesifikke protokollen beskrevet kan brukes til å lage partikler med gjennomsnitt størrelser fra mikrometeret til centimeter lengdeskala. Videre kan vilkårlige mønstre defineres på overflatene av partiklene av betydning i kolloidal vitenskap, elektronikk, optikk og medisin. Mer generelt er begrepet selv-montering mekanisk stive partikler med selvklebende hengsler aktuelt, med noen prosess modifikasjoner, til etableringen av partikler på enda mindre, 100 nm lengdeskala 22, 26 og med en rekke materialer, inkludert metaller 21 , halvledere 9 og polymerer 27. Med hensyn til restspenninger drevet påvirkning av rekonfigurerbare fatte enheter, benytter vår bestemte protokollen krom hengsler av relevans for enheter med størrelser fra 100 mikrometer til 2,5 mm. Men mer generelt, begrepet slik tjore-fri restspenningerdrevet aktivering kan benyttes med alternative høyt stress materialer som heteroepitaxially avsatte halvleder filmer 5,7 to muligens skape enda mindre nanoskala gripedelene enheter.

Protocol

Vi først beskrive en generell protokoll som kan brukes til å fabrikkere mønstrede, forseglede partikler og rekonfigurerbare gripedelene enheter. Sammen med den generelle protokollen, gir vi en bestemt, visualisert eksempel for både fabrikasjon av forseglede dodecahedral partikler og rekonfigurerbare microgrippers.

1. Mask Klargjøring og Design Regler

  1. Vanligvis er minst to maske sett nødvendig, en for regioner som ikke bøyes eller kurven (stive paneler) og den andre for regioner svingen, kurve eller tetning (hengsler). Ytterligere masker kan benyttes til å definere overflaten mønstre av porer, molekylære plastre optiske eller elektriske elementer. Masker kan være utformet ved hjelp av en rekke todimensjonale vektorgrafikk programmer som AutoCAD, Adobe Illustrator, Freehand MX eller Layout Editor.
  2. Empiriske studier foreslår følgende optimale design regler for generering masker som kan brukes for overflatespenningen drevet folding av en polyhedron av sidelengde L.
    1. For en spesifikk Polyhedral geometri, må antall paneler første bestemmes. For eksempel har en kube seks kvadrat paneler mens en dodecahedron har tolv femkantede paneler.
    2. Den høytytende todimensjonal arrangement av paneler, også kalt en netto må funnet ut. Nets som har den laveste radius av gyration og flest sekundære vertex tilkoblinger vil typisk montere med høyest avkastning. Optimale garn for en rekke polyedre som kuber, octahedra, dodecahedra, avkortet octahedra, icosahedra, publiseres 23, 28.
    3. I panelet maske bør paneler av polyedre tegnes som garn og de tilstøtende paneler bør være fordelt ved et gap på bredde som er ca 0.1L. Registret merker er nødvendig for senere justering med hengslet maske.
    4. I hengslet maske, både folding hengsler (i mellom paneler) og låsing eller forsegling hengsler (ved kantene av panelene)må defineres. Sammenleggbare hengsler bør ha lengder av 0.8L og bredder på 0.2L mens forsegling hengsler ved periferien av panelene skal ha lengder av 0.8L og bredder på 0.1L med et overheng på 0.05L (Figur 1 ac). Spesielle hensyn må tas for å sikre at panelet og hengsel masker overlegg, med register. Med dette motivet regelen, har vi vært i stand til å syntetisere partikler med størrelser fra 15 um til 2,5 cm.
    5. Volumet av hengsel som styrer de sammenleggbare vinkler, og for et gitt hengsel bredde, er elementmetoden modellering nødvendig for å fastslå den nødvendige tykkelsen av hengselet. Leseren refereres til publiserte modeller 29-32 å beregne denne tykkelse. Imidlertid er attraktive trekk i vår tilnærming til bruk av låsing eller forsegling hengsler som gir betydelig feil-toleranse under self-folding. Derfor, når tetningsmidler hengsler benyttes, er oppsettingen tolerant overfor avvik i hengsel volumer, som tillater dem å være bare ca targeted. På grunn av betydelig cooperativity under montering, har selv dodecahedra med fold vinkler på 116,57 ° blitt masseprodusert. Videre, avkortet octahedra har to forskjellige dieder vinklene 125,27 ° og 109,47 °, men kunne bli satt sammen ved hjelp av samme hengsel volumer. En annen fordel av tetningsmidlet hengslene er at hengslene tilstøtende hverandre smelter sammen ved oppvarming under folding prosessen, å skape tettsittende, sømløs og stive partikler på kjøling.
  3. Empiriske studier tyder følgende optimale design regler for masker av microgrippers som kaster grunn restspenninger drevet hengslene. For en microgripper av tupp-til-spiss lengde (D) på 600-900 um, er hengslet gapet (g) typisk rundt 50 um (figur 1 df), mens det for mindre microgrippers med en D på 300 mikrometer, en mindre g av rundt 25 um bør utnyttes. Hengselet gap dimensjoner avhenger stress, tykkelse og elastisk conteNTS av underliggende filmer og flerlags analytiske løsninger kan brukes for å grovt anslå folding 25,33. Nøyaktig måling av spenninger og elementmetoden modellering er nødvendig for å nettopp simulere folding. Empiriske studier tyder på at ca 100 mikrometer er den nedre grensen for partikler med stressede krom hengsler.
  4. Etter utforme oppsettet, bør maskene være trykt på transparenter med høy oppløsning skrivere enten internt eller gjennom en rekke kommersielle utsalgssteder (figur 2a). Vanligvis bør transparentfilmer bare brukes med minimum funksjonen størrelser på 6 mikrometer, mens krom masker er nødvendig for strukturer med mindre hengslene hull eller funksjoner. Den typiske filformat som kreves for bestilling kommersielle masker er ". Dxf".

2. Overflatebehandling

  1. Flate substrater såsom glassplater eller silisiumskiver må brukes.
  2. For god vedheft, er det important å rengjøre og tørke underlag. Det er som regel tilstrekkelig å rense substrater med metanol, aceton og isopropylalkohol (IPA), tørk dem med nitrogen (N 2), og deretter varme dem på en varm plate eller i en ovn ved 150 ° C i 5-10 min.

3. Nedfall av Sacrificial Layer

For å frigjøre malene fra substrat etter mønster, er en oppofrende lag nødvendig. En rekke filmer sammensatt av enten metaller (f.eks, kobber), dielektriske (f.eks aluminiumoksyd) eller polymerer (f.eks, PMMA, PVA, CYTOP osv.) kan utnyttes. Når du velger en oppofrende film, viktige hensyn er enkel deponering og oppløsning av materialet og etch selektivitet.

4. Mønster panelene

  1. Panelene av partiklene kan avsettes av en rekke midler. For polymere partikler, er filmer deponert av spin belegg eller slipp avstøpning. Formetalliske partikler, elektroavsetning eller termisk fordampning kan utnyttes.
  2. For fabrikasjon av metalliske partikler, er det nødvendig å legge til et ledende lag på den oppofrende lag belagte substratet for å lette elektrolytisk av panelene og hengsler.
  3. Panelene kan mønstret bruke noen litografisk prosess som fotolitografi, støping, nanoimprint litografi eller elektronstråle litografi. En typisk fotolitografi prosessen innebærer belegg en fotoresist lag på underlaget, så baking, avdekke og utvikle så per produsentens anbefaling. Fotoresister eksempel SPR, AZ eller SC serien kan brukes, alternativt kan panelene defineres ved hjelp photocrosslinkable polymerer såsom Su8, PEGDA eller photocrosslinkable PDMS. Avhengig av valget av fotoresist, tykkelse og derfor sentrifugehastighet, eksponeringstid og utviklingstid må justeres tilsvarende.
  4. Etter fotolitografi, avhengig av størrelsen av metallisk partiklene, kan tykke paneler dannes ved elektroavsetning, mens tynne paneler kan defineres ved fordampning eller katodeforstøvning.
    1. For elektrolytisk utfelling av paneler bør Faradays lover elektroavsetning og effektiviteten av badekaret brukes til å beregne den electroplating gjeldende basert på den totale eksponerte overflateareal av panelene. Typiske strømtettheter for nikkel (Ni) og loddetinn (Pb-Sn) plating er mellom 1-10 mA / cm 2 og 20-50 mA / cm 2 henholdsvis.

5. Mønster hengslene

Lignende til fordelingen av panelene, for å mønster hengsler, trenger en andre runde med fotolitografi gjøres ved hjelp hengselen masken (figur 2b-c). Registret merker på panelet og hengslene masker må kledde å sikre riktig justering.

  1. For overflatespenning drevet montering, bør materialene for panelene og hengsler velges slik at hengselet materialet har en lavER smeltepunkt enn panelene og dermed panelene forblir stive mens hengslene er smeltet. Montering skjer når malene er oppvarmet over smeltepunktet av hengselet materiale. For eksempel, i tilfelle av metalliske partikler med NI paneler, vi electrodeposit Pb-Sn loddetinn på hengslene som smelter ved ~ 200 ° C og ber folding. Tilsvarende, i tilfelle av polymere partikler med Su8 paneler, Vi deponerer polykaprolakton hengsler som monterer på ~ 58 ° C. 27 Denne prosessen fungerer best når den hengslede materiale er festet innenfor hengselet regionen under flyt, dvs. det ikke spre seg over hele paneler og ikke helt dewet fra panelet. Dette låsing kan oppnås ved valg av materialer med passende fukting egenskaper og viskositet.
  2. I tilfelle av tynnfilm stresset drevet selv-falsing, bør hengslene være mønster før panelet mønster. Vanligvis må hengselet for å være sammensatt av en differensielt stresset dobbeltlag,sammensatt av en stresset metall slik som krom (Cr) eller zirkonium (Zr) og en relativt unstressed metall som gull (Au) eller kobber (Cu). For eksempel, for microgrippers med en hengsel gap på 50 mikron, bruker vi en bilayer består av 50 nm Cr og 100 nm Au. I tillegg til å differensielt stresset metalliske bilayers, differensielt stresset polymerer 34-37 kan SIOX lag 38 eller epitaxial halvleder 5 lag også anvendes.
  3. For tynnfilm stresset drevet selv-falsing, bør en termofølsomt polymert trigger lag benyttes for å begrense enhetene slik at strukturene ikke kaste spontant ved frigjøring fra substratet. Det riktige valget utløser materiale og tykkelse kan gi gave enhetene med ulike stimuli responsive egenskaper. For eksempel, mønster 1,5 mikrometer tykk fotoresist (S1800 serie) i hengsel-regionen er nok til å holde enhetene flatt inntil de er oppvarmet til ~ 37 ° C for å utløse folding.

  1. Å frigi de mønstrede 2D maler, må oppofrende laget som skal oppløses ved hjelp av egnede etchants (figur 2d).
  2. For overflatespenning drevet montering, de frigitte plane forløpere må varmes over smeltepunktet av hengselet materiale. Ved oppvarming, blir de flytende og hengslene forløperne montere inn hensiktsmessig formede hule partikler (figur 2e-i).
  3. For tynnfilm stresset drevet folding, kan folding utløses etter strukturene blir frigjort fra substratet og ved eksponering for rett stimulans, f.eks, ved oppvarming, slik at avtrekkeren mykgjør og ikke lenger skal tvinge avslapning av stressede dobbeltlag hengslene. Siden gripedelene enheter er ferromagnetisk de kan bli veiledet og plassert i nærheten hensiktsmessig last og utløses til folde rundt det (figur 2j-n). Det er bemerkelsesverdig at vevet spenSion kan oppnås ved hjelp slik utløst folding 25.

Eksempel 1. Protokoll for fabrikasjon av overflatespenningen drevet egenmontert, permanent limt, 300 mikrometer størrelse hul dodecahedra (skjematisk representasjon i Figur 3):

  1. Klargjør maskene som forklart i trinn 1.. For fabrikasjon av dodecahedra med 300 mikrometer platekanten lengde, tegne et panel maske slik at femkantede paneler av dodekaeder er adskilt med 30 um. Tegn et hengsel maske der folding og tetting hengsler har dimensjoner på 240 mikrometer x 60 mikrometer og 240 mikrometer x 30 mikrometer hhv.
  2. Utarbeide en silisiumskive substrat som forklart i trinn 2.
  3. Spin strøk ~ 5,5 mikrometer tykt lag med 950 PMMA A11 på 1000 rpm, på silisiumskiver. Vent i 3 min og deretter bake det ved 180 ° C i 60 sek.
  4. Ved hjelp av en termisk fordamper, 30 innskudd nm krom (Cr) som heftformidler og 150 nm kobber (Cu) som than ledende skikt.
  5. Spin strøk ~ 10 mikrometer tykke SPR220 på 1700 rpm på de wafere. Vent i 3 min.
  6. Utføre en opptrapping softbake ved å plassere skiven på en kokeplate ved 60 ° C i 30 sek. Deretter overføre wafer på en annen kokeplate ved 115 ° C i 90 sek og deretter tilbake til 60 ° C i 30 sek.
  7. Kjøle wafere ved romtemperatur og vent i 3 timer.
  8. Utsett wafere til panelet maske ved hjelp av ~ 460 mJ / cm 2 av UV-lys (365 nm) og en kvikksølv-basert maske aligner.
  9. Utvikle i MF-26A utvikler for 2 min og endre fremkallerløsning og utvikle ytterligere 2 min.
  10. Beregn den totale panelområdet og bruke den til å beregne den aktuelle må electrodeposit Ni fra en kommersiell nikkel sulfamate oppløsning ved en hastighet på ca 1-10 mA / cm 2 opp til en tykkelse på 8 um.
  11. Oppløs fotoresisten med aceton. Skyll wafer med IPA, og tørk av med N 2 gass.
  12. Spin strøk ~ 10 mikrometer tykk SPR220 på 1700 rpm hylsene for wafere. Vent i 3 min.
  13. Utføre en opptrapping softbake ved å plassere skiven på en kokeplate ved 60 ° C i 30 sek. Deretter overfører wafer til en annen kokeplate ved 115 ° C i 90 sek og deretter tilbake til 60 ° C i 30 sek.
  14. Kjøle wafere ved romtemperatur og vent i 3 timer.
  15. Utsett wafere til hengselet maske ved hjelp av ~ 460 mJ / cm 2 av UV-lys (365 nm) og en kvikksølv-basert maske aligner. Sørg for at registret merkene slik at hengslene er på linje med paneler.
  16. Utvikle i MF-26A utvikler for 2 min og endre fremkallerløsning og utvikle ytterligere 2 min.
  17. Ved hjelp av en diamant kutter, kutte skive i små biter, slik at en del av wafer inneholder ~ 50-60 garn. Smør kantene av bitene med neglelakk.
  18. Beregne den totale utsatt hengslene, og bruke den til å beregne den gjeldende kreves for å electrodeposit Pb-Sn loddetinn fra en kommersiell loddetinn plating løsning med en hastighet på hensiktsximately 20-50 mA / cm 2 opp til en tykkelse på 15 mikrometer.
  19. Oppløs fotoresisten i aceton. Skyll wafer stykker med IPA, og tørk av med N 2 gass.
  20. Senk wafer brikke i etchant APS 100 for 25-40 sek å oppløse den omkringliggende Cu laget. Skyll med DI vann og tørk med N 2 gass.
  21. Senk wafer brikke i etchant CRE-473 for 30-50 sek å oppløse den omkringliggende Cr laget. Skyll med DI vann og tørk med N 2 gass.
  22. Fordyp wafer arb i ~ 2-3 ml 1-metyl-2-Pyrollidinone (NMP) og varme ved 100 ° C i 3-5 minutter inntil malene er frigjort fra substratet.
  23. Transfer ~ 20-30 maler i en liten petriskål og distribuere dem jevnt.
  24. Legg ~ 3-5 ml av NMP og ~ 5-7 dråper Indalloy 5RMA flytende flux.
  25. Varme ved 100 ° C i 5 min. I dette trinnet, renser Indalloy 5RMA væske flux og oppløser enhver oksyd lag dannet på loddemetallet og derved sikrer god loddetinn reflow ved oppvarming over smeltepunktet.
  26. Øk kokeplaten temperaturen til 150 ° C i 5 min og deretter langsomt øke det til 200 ° C inntil folding skjer. Når temperaturen økes til 200 ° C folding starter etter 5-8 min. Blandingen kan slå brunaktig som det begynner å brenne.
  27. Når dodecahedra har kastet, la retten til å kjøle ned. Legg aceton til fatet, pipetteres ut væsken, og skyll dodecahedra i aceton og deretter etanol.
  28. Oppbevar dodecahedral partikler i etanol.

Eksempel 2. Protokoll for fabrikasjon av rekonfigurerbar, tynn film stresset drevet selvstendig folding termofølsomt microgrippers (skjematisk representasjon i figur 4):

  1. Forbered maskene som forklart i trinn 1. Utforme maskene slik at tupp-til-spiss lengden griperne er 980 mikrometer, med det sentrale panelet sidelengde 111 um og hengslet gapet på 50 mikron. Typiske hengslene og panel masker kan utformes similar figur 1 de.
  2. Forbered silisiumskiver som forklart i trinn 2.
  3. Innskudd 15 nm Cr heft og 50-100 nm Cu offerplasser lag ved hjelp av en termisk fordamperen.
  4. Spin-frakk ~ 3 mikrometer tykke S1827 med spin coater, ved 3000 rpm. Vent i 3 min og deretter bake wafer ved 115 ° C i 1 minutt til en kokeplate.
  5. Expose på ~ 180 mJ / cm 2 UV-lys (365 nm) ved hjelp av en maske aligner og hengslet maske.
  6. Utvikle etter 40-60 sekunder i 05:01 fortynnet 351 Developer. Skyll med DI vann og tørk med N 2 gass.
  7. Forekomst 50 nm Cr og 100 nm ved hjelp av en termisk Au fordampningsanordning. CR-Au fungerer som hengsel bilayer med gjenværende stress i SP filmen, mens Au filmen er en bioinert støtte laget.
  8. Lift-off fotoresisten i aceton. Bruk en sonikator i 3-5 min til helt lift-off overflødig metall. Vask wafer med aceton og IPA, tørr med N 2 gass.
  9. Spin strøk ~ 10 mikrometer tykk SPR220 på1700 rpm på de wafere. Vent i 3 min.
  10. Utføre en opptrapping softbake ved å plassere skiven på en kokeplate ved 60 ° C i 30 sek. Deretter overfører wafer til en annen kokeplate ved 115 ° C i 90 sek og deretter tilbake til 60 ° C i 30 sek. Vent i 3 timer.
  11. Eksponer fotoresisten på ~ 460 mJ / cm 2 UV lys (365 nm) ved hjelp av en maske aligner gjennom panelet maske.
  12. Utvikle i MF-26A utvikler for 2 min og endre fremkallerløsning og utvikle ytterligere 2 min.
  13. Beregn den totale panelområdet og bruke den til å beregne den aktuelle må electrodeposit Ni fra en kommersiell nikkel sulfamate oppløsning ved en hastighet på ca 1-10 mA / cm 2 opp til en tykkelse på 5 mikrometer. Skyll med DI vann grundig.
  14. Electrodeposit eller fordampe 100 nm Au. Dette laget bidrar til å beskytte Ni fra etchants brukes til å fjerne offersystemet laget.
  15. Stripp fotoresisten med aceton. Skyll wafer med IPA, og tørk av med N 2 gass. Bland S1813 og S1805 photoresits på 01:05 volum ratio. Spin strøk blandingen ved 1800 rpm. Vent i 3 min, deretter bake på en kokeplate ved 115 ° C i 1 min. Dette fotoresistente laget fungerer som utløser laget.
  16. Expose på ~ 120 mJ / cm 2 UV-lys (365 nm) på en maske aligner med hengslene maske.
  17. Utvikle for 30-50 sek i 05:01 fortynnet 351 utvikler. Skyll med DI vann og tørk med N 2 gass.
  18. Klipp et stykke av wafer med en diamant cutter.
  19. Senk wafer brikke i APS 100 til etse underliggende Cu oppofrende lag. Vent til microgrippers er helt frigjort fra substratet.
  20. Skyll microgrippers med DI vann og oppbevar i kaldt vann.
  21. Utløse folding ved å plassere microgrippers i 37 ° C vann.

7. Representant Resultater

Representative resultater i Figur 5 viser selvkonfeksjonerte Polyhedral partikler i en rekke shapes samt folding microgrippers. Fabrikasjon og aktivering prosessen er svært parallelle og 3D-strukturer kan fremstille og utløses samtidig. Tillegg kan presise mønstre som eksemplifisert ved firkantede eller trekantede porene bli definert i alle tre dimensjoner, og på utvalgte ansikter hvis nødvendig. De microgrippers kan lukkes under biologisk godartet forhold, slik at de kan brukes til forbrukeravgift vev eller lastet med biologisk last. I tillegg, siden de microgrippers kan gjøres med en ferromagnetisk materiale, kan de flyttes fra afar hjelp av magnetiske felter.

Figur 1
Figur 1. Design regler for syntese av mønstrede partikler (ac) Maske regler for montering av mønstrede Polyhedral partikler;. (A) skjematisk av panelet maske for en polyeder av sidelengde L, (b) skjematisk av hengselen masken har sammenleggbar(0,2 L x 0,8 L) og låsing eller forsegling (0,1 L x 0,8 L) hengsler, og (c) skjematisk av kledde 2D forløper eller netto. (Df) Maske regler for den selv-folding microgripper, (d) skjematisk av hengselstykket maske for en microgripper med spissen til spissen lengde D, (e) skjematisk av panelet maske med hengsel gap G, og (f) skjematisk av den kledde 2D forløperen. Klikk her for å se større figur .

Figur 2
Figur 2. Eksperimentelle bilder og konseptuelle animasjoner av viktige skritt i fabrikasjon og montering prosess. (A) Skjermbilde av en AutoCAD panel maske for dodecahedral forløpere. (Bc) optiske bilder av 2D forløpere for, (b) dodecahedra, og (c) på et microgrippers silisiumsubstrat. (D) Utgitt dodecahedral garn. Skala barer: 200 mikrometer. (En) Conceptual ennimation av, (EI) overflatespenningen drevet montering av en dodecahedron, og (Joh) tynn film stresset drevet folding av en microgripper rundt en perle (Animasjon av David Filipiak).

Figur 3
Figur 3. Skjematisk illustrasjon av de viktige fremstillingstrinn for overflatespenningen drevet sammenstilling av en kubisk partikkel.

Figur 4
Figur 4. Skjematisk illustrasjon av de viktige fremstillingstrinn for restspenninger drevet folding av et sekssifret grasping enhet.

Figur 5
Figur 5. Bilder av origami inspirerte selv montert mønstret og rekonfigurerbar partikler.

Discussion

Vår origami-inspirert monteringen er allsidig og kan brukes for å syntetisere en rekke 3D statiske og rekonfigurerbar partikler med et bredt spekter av materialer, former og størrelser. Videre er evnen til å nøyaktig mønster sensorer og elektroniske moduler på disse partiklene viktig for optikk og elektronikk. I motsetning til flekkvis partikler dannet ved alternative metoder, hvor mønstrene er relativt upresise, gir denne metoden et middel for å syntetisere presist mønstrede partikler. I overflatespenning baserte montering, sikrer bruken av liquefying tetting hengsler at partiklene er godt forseglet og mekanisk stiv etter montering (på kjøling). Tidligere har vi sett at sømmene er tette selv for små molekyler 39,40. Elektrolytisk utfelling av et tynt lag av Au etter montering kan gi ekstra styrke og forbedre lekkasjefritt natur sømmene. Den tynne filmen stresset basert folding er nyttig for applikasjoner der stimuli responsive folding er nødvendig, for eksempel i microgrippers som har blitt brukt til å utføre in vitro og in vivo biologisk prøvetaking og i pick-and-place operasjoner i robotikk. Mens den spesifikke metoden beskrevet her kan brukes til å lage rekonfigurerbare microgrippers som bare lukkes en gang, kan det egnede valg av materialer og metoder for å manipulere stress i bilayers utnyttes også skape gripedelene enheter som kan rekonfigureres over flere-sykluser 37, 41. Høydepunktet for bruk av restspenninger å drive disse enhetene er at de ikke krever noen stagene eller ledninger og så har utmerket manøvrerbarhet for å aktivere aktivering i vanskelig tilgjengelige steder. Videre, ved et passende valg av polymere triggere, kan stimuli responsive atferd være aktivert med en rekke stimuli, inkludert enzymer 42 for å aktivere autonome funksjon av betydning for robotikk og kirurgi.

Disclosures

Ingen interessekonflikter erklært.

Acknowledgments

Vi erkjenner støtte fra NSF gjennom tilskudd CMMI 0854881 og CBET 1066898. 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

Kjemi Chemical Engineering biomolekylære Engineering Materials Science Fysikk nanoteknologi molekylær self-forsamlingen elektrokjemi falsing tredimensjonal litografi kolloid usammenhengende partikler partikler nanopartikler robotikk levering av legemidler microfabrication nanofabrication nano montering syntese reaksjon origami
Origami Inspirert Self-montering av mønstret og rekonfigurerbar Partikler
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