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 Inspired Desenli ve Reconfigurable Parçacıkların Self-assembly

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

Bu iki boyutlu (2D) öncülerden desenli ve yeniden yapılandırılabilir parçacıkların sentez deneysel olarak açıklanacaktır. Bu metodoloji polyhedra ve mikro ölçekte santimetre arasında değişen uzunluk ölçeklerinde kavrama cihazları dahil olmak üzere, çeşitli şekillerde de parçacıklar oluşturmak için de kullanılabilir.

Abstract

Fotolitografi, elektron demeti litografi ve tam desen iki boyutlu (2D) yapılar için kullanılabilir yumuşak litografi gibi çeşitli teknikler vardır. Bu teknolojiler, olgun yüksek hassasiyet sunan ve bunların çoğu bir high-throughput şekilde uygulanabilir. Biz düzlemsel litografi avantajlarından ve yüzey gerilimini veya kalıntı gerilme türetilen 1-20 neyin fiziksel güçleri, üç boyutlu (3D) yapıların içine eğri veya kat düzlemsel yapılar için kullanılan öz-katlama yöntemleri ile bunları birleştirmek. Bunu yaparken, biz kitle tam sentezlemek için meydan okuyorlar statik ve yeniden yapılandırılabilir parçacıklar desenli üretmek mümkün kılar.

Bu yazıda ayrıntılı olarak, özellikle, desenli parçacıklar oluşturmak için deneysel protokolleri görselleştirilmiş (a) kalıcı gümrüklü, içi boş, polyhedra öz-montaj ve sıvılaştırılmış menteşeler 21-23 yüzey enerji minimizasyonu nedeniyle kendine mühürve (b) tutucular öz-kat kalıntı gerilme destekli menteşelerinden 24,25 nedeniyle. Açıklanan protokol, spesifik mikrometre olan santimetre uzunluk ölçüleri arasında değişen genel boyutları olan parçacıklar oluşturmak için de kullanılabilir. Bundan başka, isteğe bağlı desen koloidal fen, elektronik, optik ve tıpta önemli partikülleri üzerinde tanımlanabilir. Daha genel olarak, kendi kendine kapanan menteşeler kendi montaj mekanik olarak katı parçacıkların bile kavramı itibariyle daha küçük parçacıkların oluşturulması için bir işlem değişiklikleri, 100 nm'lik uzunluk ölçüleri 22, 26 ile 21, ve metaller de dahil olmak üzere bir dizi malzeme ile, uygulanabilir olduğu , yarı iletkenler 9 ve polimerler 27. Reconfigurable doyumsuz cihazların kalıntı gerilme destekli çalıştırma ile ilgili olarak, bizim belirli bir protokol 100 mikron ila 2,5 mm arasında değişen boyutları ile cihazlara alaka krom menteşeler kullanır. Bununla birlikte, daha genel olarak, bu tür serbest kalan ip gerilme kavramımotorlu tahrik hatta küçük nano doyumsuz cihazlar oluşturmak için böyle heteroepitaxially yatırılır yarıiletken filmlerin 5,7 gibi alternatif yüksek stres malzemelerle kullanılabilir.

Protocol

İlk olarak desenli, sızdırmaz parçacıklar ve yeniden konfigüre edilebilir kavrama cihazları imal etmek için kullanılabilecek bir genel protokol açıklar. Genel protokolü ile birlikte, mühürlü dodecahedral parçacıkların imalat ve yeniden yapılandırılabilir microgrippers ikisi için tek bir spesifik görüntülenmiştir örnek sağlar.

1. Maske Hazırlama ve Tasarım Kuralları

  1. Tipik olarak, en az iki maske seti, gerekli bükmeyin veya eğri olmayan bölgeler için bir (katı paneller) ve bölgeler için diğer o viraj, eğri veya mühür (menteşeler). Ek maskeleri gözenekler, moleküler yamalar, optik veya elektronik elemanların yüzey desenleri tanımlamak için kullanılabilir. Maskeler, AutoCAD, Adobe Illustrator, FreeHand MX veya Layout Editor gibi iki boyutlu vektör grafik yazılım programları çeşitli kullanarak dizayn edilebilir.
  2. Deneysel çalışmalar, pol, katlanması sürülen yüzey gerilimi için kullanılabilir maskeleri üretmek için aşağıdaki optimum tasarım kuralları önermekkenar uzunluğu L. yhedron
    1. Belirli bir çok yüzlü geometri için, panel sayıda birinci tespit edilmesi gerekmektedir. Bir dodecahedron oniki beşgen panelleri vardır Örneğin, bir küp altı kare panel vardır.
    2. Panellerin yüksek verimli iki boyutlu düzenleme, aynı zamanda, bir net buldum gerekmektedir denir. Jirasyon düşük yarıçapı ve ikincil verteks bağlantıları büyük sayıda Nets genellikle yüksek verimler ile monte edilecektir. Küpleri gibi polyhedra çeşitli optimum ağları, octahedra, dodecahedra, octahedra, icosahedra, 23, 28 yayınlanmaktadır kesildi.
    3. Panelinde maske olarak, polyhedra panelleri ağları gibi hazırlanmalıdır ve bitişik panelleri yaklaşık 0.1L olan genişlikte bir aralık ile aralıklı olmalıdır. Kayıt işaretleri menteşe maske ile sonraki uyum için gereklidir.
    4. Menteşe maske, her iki katlama menteşeler (paneller arasında) ve kilitleme veya kapatma menteşeler (panellerin kenarlarında)tanımlanması gerekir. 0.05L (Şekil 1 ac) bir çıkıntıya sahip 0.1L ve 0.8L ve genişlikleri uzunlukları olmalıdır panellerin periferinde menteşeleri sızdırmazlık Katlanır menteşeleri 0.8L ve 0.2L genişlikleri uzunluklarda olmalıdır. Özel bakım sağlamak için alınması gereken kayıt defteri ile paneli ve menteşe maskeleri kaplaması,. Bu tasarım kuralı ile, 15 mikron 2,5 cm arasında değişen boyutlarda olan parçacıklar sentezlemek mümkün olmuştur.
    5. Menteşe hacim katlama açıları kontrol eder, ve belirli bir menteşe genişlik için, sonlu eleman modelleri menteşe gerekli kalınlığı belirlemek için gereklidir. Okuyucu bu kalınlık tahmin etmek için 29-32 yayınlanan modelleri ifade edilir. Ancak, bizim yaklaşımın çekici özelliği kendine katlama sırasında önemli hata toleransı sağlamak menteşeleri kilitleme veya sızdırmazlık kullanılmasıdır. Bu nedenle, sızdırmazlık menteşeleri kullanıldığında, montaj işlemi bunları ta sadece yaklaşık olmasını sağlayan, menteşe hacimlerde sapmalara hoşgörülürgeted. Montaj sırasında önemli kooperativiteye bağlı olarak, hatta dodecahedra 116,57 ° 'lik açı ile kat seri üretilmiştir. Ayrıca, octahedra kesilmiş 125,27 ° ve 109.47 ° 'lik iki farklı dihedral açı ancak aynı menteşe birimleri ile birleştirilmiş olabilir. Sızdırmazlık menteşeleri bir diğer yararı katlama işlemi sırasında ısıtma birlikte birbirlerine sigorta bitişik menteşeler, soğutma üzerine sıkıca kapalı dikişsiz ve katı parçacıklar oluşturarak olmasıdır.
  3. Ampirik çalışmalar kalıntı gerilme destekli menteşeleri nedeniyle katlayın microgrippers ve maskeleri için aşağıdaki optimal tasarım kuralları öneririz. 600-900 mikron uçtan uç uzunluğu (D) bir microgripper için, menteşe boşluk (g), tipik olarak yaklaşık 50 um (Şekil 1 df) olarak 300 mikron arasında bir D microgrippers daha küçük, daha küçük bir g için ise yaklaşık 25 mikron kullanılmalıdır. Menteşe aralık ölçülerinde stres, kalınlığı ve elastik conte bağlıdırTemel film, çok tabakalı analitik çözüm nts kabaca katlama 25,33 ölçüde tahmin etmek için de kullanılabilir. Gerilmeler ve sonlu eleman modelleme hassas ölçümü hassas katlama simüle etmek için gereklidir. Ampirik çalışmalar yaklaşık 100 mikron stresli krom menteşeler ile parçacıklar için alt sınır olduğunu düşündürmektedir.
  4. Düzenini tasarladıktan sonra, maskeleri ya içi yüksek çözünürlüklü yazıcılar kullanarak saydamlık filmlerde veya ticari satış çeşitli (Şekil 2a) ile basılmış olmalıdır. Krom maskeleri küçük menteşe boşluklar veya özellikleri olan yapılar için gerekli iken Genellikle, asetat filmler, 6 mikron minimum özelliği boyutları ile kullanılmalıdır. Ticari maskeleri sipariş için gerekli tipik dosya biçimi ". Dxf" dir.

2. Yüzey Hazırlığı

  1. Cam slaytlar veya silikon gofret gibi Düz yüzeylerde kullanılması gerekir.
  2. İyi bir yapışma için, bu impyüzeylerin temizlenmesi ve kurumaya ortant. Genellikle, metanol, aseton ve izopropil alkol (IPA) ile substratları temizlemek için yeterli olan, nitrojen (N2) ile kurutun ve daha sonra bir sıcak plaka üzerinde, ya da 150 ° C 'de 5-10 dakika için bir fırında ısı.

3. Kurbanlık Katman çökelmesi

Desen sonra alt tabaka şablonları serbest bırakmak için, bir feda tabakası gereklidir. Ya da metaller oluşan film bir çok (örneğin, bakır), dielektrikler (örneğin, alüminyum) ya da polimerler (örneğin, PMMA, PVA, CYTOP vs) kullanılabilir. Kurbanlık film seçerken, önemli hususlar birikimi ve maddi ve etch seçicilik çözünme kolaylığı vardır.

4. Desenlendirme Panelleri

  1. Parçacıkların panelleri vasıtasıyla çeşitli tarafından tevdi edilebilir. Polimerik partiküllerin için, filmleri spin kaplama veya damla döküm tarafından yatırılır. IçinMetalik parçacıklar veya elektro termal buharlaştırma kullanılabilir.
  2. Metal parçacıklarının üretimi için, paneller ve menteşe elektro kolaylaştırmak için kurban tabaka kaplanmış alt-tabaka üzerine bir iletken tabaka eklemek gerekir.
  3. Paneller fotolitografi, döküm, nanoimprint litografi veya elektron demeti litografi gibi herhangi litografik işlem kullanılarak desenli olabilir. Tipik fotolitografi işlemi kaplama teşhir ve başına üreticinin tavsiye olarak gelişmekte sonra pişirme yüzeye bir ışığa tabakası, içerir. Bu tür SPR, AZ veya SC seri olarak Photoresists kullanılabilir, veya alternatif olarak panellerin bu tür SU8, PEGDA, ya da photocrosslinkable PDMS gibi photocrosslinkable polimer kullanılarak tanımlanabilir. Fotorezist, kalınlık ve bu nedenle dönüş hızı, pozlama süresi ve geliştirme zamanı seçimi bağlı olarak buna göre ayarlanması gerekir.
  4. Fotolitografi sonra, metal partiküller; boyutuna bağlı olarakince paneller buharlaştırma ya da püskürtme ile tanımlanabilir iken Cles, kalın paneller, elektro ile oluşturulabilir.
    1. Panellerin elektrodepozisyon için, elektro ve banyo üzerindeki etkinliğini Faraday yasaları panellerin toplam maruz kalan yüzey alanı göre galvanik akım hesaplamak için kullanılır. Tipik akım nikel yoğunlukları (Ni) ve lehim (Pb-Sn) kaplama sırasıyla 1-10 mA / cm 2 ve 20-50 mA / cm 2 arasındadır.

5. Desenlendirme Menteşeler

Panellerin dokusuna benzer şekilde, kalıp menteşe için, fotolitografi için ikinci tur menteşe maske (Şekil 2b-c) ile yapılması gerekir. Panel ve menteşe maskeleri kayıt işaretleri doğru uyum sağlamak için overlaid gerekir.

  1. Yüzey gerilimi tahrik düzeneği için, paneller ve menteşe için malzemeler menteşe malzeme düşük bir sahip olacak şekilde seçilmelidirer erime noktası ve isteğe göre menteşe erimiş iken bu nedenle panel katı kalır. Şablonları menteşe malzemenin erime noktasının üzerinde ısıtılmış Montaj oluşur. Örneğin, Ni panelleri ile metalik parçacıklar halinde, bu ~ 200 C'de erir menteşe üzerinde electrodeposit Pb-Sn lehim ° C ve katlama ister. Benzer şekilde, SU8 panelleri ile polimerik parçacıklar halinde, bu ~ 58 ile birleşir tortu polikaprolakton menteşe ° C'de 27 işlem menteşe malzeme yeniden akış sırasında menteşe bölgesi içinde tutturulmuş olduğu zaman en iyi şekilde çalışır, yani, her yayılmış etmez panelleri ve panel tamamen dewet değildir. Bu çivileme uygun ıslatıcı özelliklere ve viskozite ile malzemenin seçimi ile elde edilebilir.
  2. Kendinden tahrikli katlama ince film gerilme durumunda, pano menteşe modelleme önce desenli gerekir. Tipik olarak, menteşe, bir diferansiyel stresli oluşan çift-katlı gerekmektedirBöyle krom (Cr) veya zirkonyum (Zr) ve altın (Au) veya bakır (Cu) gibi göreceli olarak gerilmemiş metal gibi stresli metal oluşur. Örneğin, 50 mikron arasında bir menteşe boşluk ile microgrippers için, biz 50 nm ve 100 nm Cr Au oluşan çift-katlı bir kullanım. Differentially stresli metalik çift katmanından ek olarak, farklı olarak polimerler 34-37 stresli, SiOx tabaka 38 veya 5 epitaksiyal yarı iletken tabakalar da aynı zamanda kullanılabilmektedir.
  3. Öz-katlama tahrik ince film stres için bir termo-duyarlı polimerik tetikleyici katman yapıları yüzeyden serbest üzerine spontan katlamayın böylece cihazlar sınırlamak için kullanılmalıdır. Tetik malzeme ve kalınlığı uygun seçimi çeşitli uyaranlara yanıt veren özelliklere sahip cihazların bağışlamak olabilir. Örneğin, modelleme 1.5 mikron menteşe bölgesi içinde kalın fotorezist (S1800 serisi) onlar ° C katlama tetiklemek için ~ 37 ile ısıtılır kadar cihazlar düz tutmak için yeterlidir.

  1. Desenli 2B şablonları serbest bırakmak için, kurban tabaka uygun etchants (Şekil 2d) ile çözülmüş gerekmektedir.
  2. Yüzey gerilimi tahrik montaj için, serbest düzlemsel öncüleri menteşe malzemesinin erime noktasının üzerinde ısınması gerekir. Isıtma, menteşeleri sıvılaştırılmış ve öncüleri uygun şeklinde içi boş parçacıklar (Şekil 2e-i) içine monte olsun.
  3. Yapılar tetikleyici yumuşatır ve artık gerilmiş iki tabakalı menteşe gevşeme kısıtladığını, böylece ısıtma, örneğin, substrat ve doğru uyaranın üzerine tahliye edildikten sonra ince bir film stres tahrik katlama için, katlanır tetiklenebilir. Doyumsuz cihazlar ferromanyetik olduğundan onlar hidayet ve yerleştirilmiş uygun kargo yakın ve o (Şekil 2j-n) etrafında katlamak tetiklenebilir. O doku exci çekicidirsion gibi tetiklenir katlanır 25 kullanılarak elde edilebilir.

Örnek 1. Kendinden montajlı, kalıcı gümrüklü, 300 mikron boyutu boş dodecahedra (Şekil 3'te şematik gösterimi) tahrik yüzey gerilimi imalatı için Protokol:

  1. Gibi Adım 1'de açıklandığı maskeleri hazırlayın. 300 mikron panel kenar uzunluğu ile dodecahedra imalatı için dodecahedronun beşgen panelleri 30 mikron tarafından aralanır böyle bir panel maskesi çizin. Katlama ve mühürleme menteşeleri x 30 mikron sırasıyla 240 mikron x 60 mikron boyutlarında ve 240 mikron olduğu bir menteşe maskesi çizin.
  2. Gibi Adım 2'de açıklandığı bir silikon gofret substrat hazırlayın.
  3. Silikon gofret üzerinde Spin ceket ~ 5.5 mikron 1,000 rpm'de 950 PMMA A11 kalınlığında tabaka. 3 dakika bekleyin ve daha sonra 60 saniye boyunca 180 ° C'de pişirin.
  4. Termal buharlaştırıcı, t gibi yapışma arttırıcı ve 150 nm bakır gibi mevduat 30 nm krom (Cr) (Cu) kullanmao katmanı iletken.
  5. Gofret üzerine 1,700 rpm'de SPR220 kalın Spin ceket ~ 10 mikron. 3 dakika bekleyin.
  6. 30 saniye boyunca 60 ° C sıcaklıkta bir hotplate üzerinde gofret yerleştirerek bir rampa-up softbake gerçekleştirin. Sonra ° C 30 sn 60 sonra tekrar 90 saniye için 115 ° C 'de başka bir ocağın üzerine gofret aktarmak ve.
  7. Oda sıcaklığında gofret soğutulur ve 3 saat boyunca bekleyin.
  8. ~ 460 mJ / UV ışığı cm 2 (365 nm) ve bir cıva bazlı ortalayıcı maske kullanılarak panele maske için gofret Açığa.
  9. 2 dakika için MF-26A geliştirici geliştirilmesi ve geliştirici çözümü değiştirmek ve başka bir 2 dakika için geliştirmek.
  10. Toplam panel alanı hesaplanır ve yaklaşık olarak 1-10 mA / cm 2 en fazla 8 um kalınlığında için oranında ticari bir nikel sülfamat çözeltisi Ni electrodeposit için gerekli akım hesaplamak için kullanır.
  11. Aseton ile fotorezist çözülür. IPA ile gofret durulayın ve N 2 gazı ile kurulayın.
  12. Spin ceket ~ 10 mikron kalınlığında SPRGofret üzerine 1,700 rpm'de 220. 3 dakika bekleyin.
  13. 30 saniye boyunca 60 ° C sıcaklıkta bir hotplate üzerinde gofret yerleştirerek bir rampa-up softbake gerçekleştirin. Sonra ° C 30 sn 60 sonra tekrar 90 sn için 115 ° C'de bir ocak için gofret aktarmak ve.
  14. Oda sıcaklığında gofret soğutulur ve 3 saat boyunca bekleyin.
  15. ~ 460 mJ / UV ışığı cm 2 (365 nm) ve bir cıva bazlı ortalayıcı maske kullanılarak menteşe maske için gofret Açığa. Kayıt işaretleri menteşeleri panelleri ile uyumlu, böylece aynı hizada olduğundan emin olun.
  16. 2 dakika için MF-26A geliştirici geliştirilmesi ve geliştirici çözümü değiştirmek ve başka bir 2 dakika için geliştirmek.
  17. Gofret tek parça ~ 50-60 ağları içeren ve böylece bir elmas kesici kullanarak, küçük parçalar halinde kesilmiş gofret. Oje ile adet Coat kenarları.
  18. Toplam açık alan menteşe hesaplayın ve beğenme oranında ticari bir lehim kaplama çözeltisinden electrodeposit Pb-Sn lehim için gerekli olan akım hesaplamak için kullanırximately 20-50 mA / yukarı 15 mikron kalınlığında cm 2.
  19. Aseton fotorezist çözülür. IPA ile gofret parçaları durulayın ve N 2 gazı ile kurulayın.
  20. Çevre Cu tabakası çözülmeye 25-40 sn asitlenmesi APS 100 gofret parçası daldırın. DI su ile durulayın ve N 2 gazı ile kurulayın.
  21. Çevre Cr tabakası çözülmeye 30-50 sn asitlenmesi CRE-473 yılında gofret parçası daldırın. DI su ile durulayın ve N 2 gazı ile kurulayın.
  22. 1-Metil-2-Pyrollidinone (NMP) ve sıcaklık 100 ° C 'şablonları yüzeyden serbest bırakılana kadar 3-5 dakika için. Of ~ 2-3 ml gofret parça daldırın
  23. Transferi ~ 20-30 küçük bir Petri kabı içine şablonları ve eşit olarak dağıtmak.
  24. Indalloy 5RMA sıvı akı NMP ve ~ 5-7 damla ~ 3-5 ml ekleyin.
  25. Sıcaklık 100 ° C 5 dak. Bu adımda, Indalloy 5RMA sıvı akış temizler ve lehim üzerinde oluşan herhangi bir oksit tabaka erir, böylece iyi bir lehim temin dönüşlüErime noktasının üstündeki ısıtma ow.
  26. 150 ocağın sıcaklığını artırın ° C de 5 dakika ve sonra yavaş yavaş katlanır oluşur ° C 'ye kadar 200 arttırmak. Sıcaklık 200 artınca ° C katlama 5-8 dk sonra başlar. Yakmak için başlar karışımı kahverengimsi dönüşebilir.
  27. Dodecahedra katlanmış, yemeğin soğumasını bekleyin. Çanak için aseton ilave edilip sıvı dışarı pipet, ve aseton ve daha sonra etanol içinde dodecahedra durulama.
  28. Etanol içinde dodecahedral parçacıklar saklayın.

Örnek 2. Reconfigurable imalatı, kendine katlama termo-duyarlı microgrippers (Şekil 4'te şematik gösterimi) tahrik ince film stres için Protokol:

  1. Gibi Adım 1'de açıklandığı maskeleri hazırlayın. Tutucuların bu uçtan uç uzunluğu 111 um arasındaki merkezi panel kenar uzunluğunda ve 50 um menteşe boşluk ile 980 um, böylece maske tasarlanmalıdır. Tipik menteşe ve panel maskeleri dizayn edilebilir similar 1 de Şekil.
  2. Gibi Adım 2'de açıklandığı silikon gofret hazırlayın.
  3. Bir termal buharlaştırıcı kullanılarak Mevduat 15 nm Cr yapışma ve 50-100 nm Cu kurbanlık katmanları.
  4. 3.000 rpm'de, spin lak kullanarak S1827 kalın Spin-mont ~ 3 mikron. 3 dakika bekleyin ve sonra bir ocak 1 dakika boyunca 115 ° C'de gofret pişirin.
  5. Bir maske hizalama ve menteşe maskesi kullanılarak ~ 180 mJ / cm 2 UV ışık (365 nm) de açığa çıkarın.
  6. 05:01 seyreltilmiş 351 Developer 40-60 sn geliştirin. DI su ile durulayın ve N 2 gazı ile kurulayın.
  7. Mevduat 50 nm Cr ve 100 nm Au termal buharlaştırıcı kullanılarak. Cr film kalıntı stresi ile menteşe gibi çift-katlı Cr-Au fonksiyonları, Au film bioinert destek tabakası iken.
  8. Aseton fotorezist-kaldırın. Tamamen havalanma fazlalığı metal 3-5 dakikada bir sonikatör kullanın. Aseton ve N 2 gazı ile kuru IPA ile gofret yıkayın.
  9. Spin ceket ~ 10 mikron kalınlığında SPR220 azGofret üzerine 1,700 rpm. 3 dakika bekleyin.
  10. 30 saniye boyunca 60 ° C sıcaklıkta bir hotplate üzerinde gofret yerleştirerek bir rampa-up softbake gerçekleştirin. Sonra ° C 30 sn 60 sonra tekrar 90 sn için 115 ° C'de bir ocak için gofret aktarmak ve. 3 saat bekleyin.
  11. Panelinde maske aracılığıyla bir maske hizalama kullanarak 460 mJ / cm 2 UV ışık (365 nm) ~ de fotorezist Açığa.
  12. 2 dakika için MF-26A geliştirici geliştirilmesi ve geliştirici çözümü değiştirmek ve başka bir 2 dakika için geliştirmek.
  13. Toplam panel alanı hesaplanır ve yaklaşık olarak 1-10 mA / cm 2 en fazla 5 um kalınlığında için oranında ticari bir nikel sülfamat çözeltisi Ni electrodeposit için gerekli akım hesaplamak için kullanır. Iyice distile su ile durulayın.
  14. 100 nm Au Electrodeposit ya buharlaşır. Bu katman kurban tabakayı kaldırmak için kullanılan etchants Ni korunmasına yardımcı olur.
  15. Aseton ile fotorezist soyun. IPA ile gofret durulayın ve N 2 gazı ile kurulayın. 01:05 hacimsel oranında S1813 ve S1805 photoresits karıştırın. 1,800 rpm'de ceket karışımı Spin. 3 dakika bekleyin, ardından 1 dakika süreyle 115 ° C'de bir ocak üzerinde pişirin. Bu fotorezist tabaka tetikleyici tabaka olarak işlev görür.
  16. Menteşe maskesi kullanarak bir maske hizalama üzerine ~ 120 mJ / cm 2 UV ışık (365 nm) de açığa çıkarın.
  17. 05:01 seyreltilmiş 351 geliştirici 30-50 sn geliştirin. DI su ile durulayın ve N 2 gazı ile kurulayın.
  18. Bir elmas kesici kullanarak gofret bir parça kesin.
  19. Etch yatan Cu kurbanlık katmana APS 100 gofret parçası daldırın. Microgrippers tamamen substrattan bırakılıncaya kadar bekleyin.
  20. Soğuk suda DI su ve mağaza ile microgrippers durulayın.
  21. 37 ° C su içinde microgrippers yerleştirerek katlama tetiklemektedir.

7. Temsilcisi Sonuçlar

Sh çeşitli Şekil Temsilcisi sonuçları 5 kez kendinden montajlı yüzlü parçacıklarmaymunlar yanı sıra katlama microgrippers. Imalat ve çalıştırma işlemi son derece paralel olduğunu ve 3 boyutlu yapıların fabrikasyon ve aynı anda tetiklenebilir. Buna ek olarak, kare veya üçgen gibi gözenekleri tarafından örneklendirilir hassas kalıplar her üç boyutta, ve gerektiğinde seçilmiş yüzleri üzerinde tanımlanabilir. Bunlar dolaylı doku için kullanılabilir ya da biyolojik yük ile yüklenebilir, böylece microgrippers biyolojik olarak iyi huylu koşullar altında kapalı olabilir. Microgrippers bir ferromanyetik malzeme ile yapılmış olabilir çünkü Ayrıca, onlar manyetik alanları kullanarak uzaktan hareket ettirilebilir.

Şekil 1
Şekil 1. Desenli parçacıkların sentezi için tasarım kuralları (ac) desenli bir çok yüzlü parçacıkların montaj için maske tasarım kuralları;. Kenar uzunluğu L'lik bir polihedron için panelin maske (a) şematik olarak, (b), menteşe katlama maskenin şematik içeren(0.2 L x 0.8 L) ve kilitleme veya kapatma (0.1 L x 0.8 L) menteşe ile kaplanmış 2B haberci veya ağ (c) şematik. (DF) Maske dizayn kendini katlama microgripper için kurallar; uç uzunluğu D ucu ile bir microgripper için menteşe maske (d) şematik, menteşe boşluk g panelinin maske (e) şematik, ve (f) şematik overlaid 2D habercisi. büyük bir rakam görmek için buraya tıklayın .

Şekil 2,
Şekil 2. Deneysel görüntüler ve imalat ve montaj sürecinde önemli adımlar kavramsal animasyonlar. Dodecahedral öncüleri için bir AutoCAD panelinde maske (a) Ekran. (BC) Optik için 2D görüntülerinin öncüleri, (b) dodecahedra, ve bir silikon substrat üzerinde (c) microgrippers. (D) dodecahedral ağları Çıkış. Ölçek çubukları: 200 mikron. (Tr) Kavramsal Birarasında nimation, (ei) yüzey gerilimi bir dodecahedron montajı tahrik ve (jn) ince film gerilim (David Filipiak Canlandırma) bir boncuk etrafında microgripper katlama tahrik.

Şekil 3
Şekil 3,. Bir kübik parçacığın yüzey gerilimi tahrik düzeneği için önemli imalat adımları şematik gösterimi.

Şekil 4,
Şekil 4. Altı haneli bir kavrama cihazı katlama tahrik kalıntı gerilme için önemli imalat adımları şematik gösterimi.

Şekil 5,
Şekil 5,. Origami kendine monte desenli ilham ve yeniden şekillendirilebilir parçacıkların Görüntüleri.

Discussion

Bizim origami isteklendirilmiş montaj işlemi çok yönlüdür ve malzeme, şekil ve boyutlarda geniş bir yelpazede 3B statik ve yeniden yapılandırılabilir parçacıklar çok çeşitli sentezleme için kullanılabilmektedir. Bundan başka, bu parçacıklar üzerinde tam kalıp sensörler ve elektronik modül yeteneği optik ve elektronik için önemlidir. Desen göreceli olarak hatalı alternatif yöntemleri, oluşan yamalı parçacıkları aksine, bu metodoloji tam desenli parçacıklar sentezlemek için bir araç sağlar. Yüzey gerilimi tabanlı montajında, sızdırmazlık menteşeleri sıvılaştırma kullanımı parçacıklar (soğutma üzerine) tam sızdırmazlık ve montaj sonrası mekanik sert olmasını sağlar. Daha önce, dikişler hatta küçük moleküller 39,40 için sızdırmaz olduğunu gözlemledik. Montajdan sonra Au ince bir tabaka Elektrodepozisyon ek mukavemet sağlamak ve dikiş sızdırmaz doğa artırabilirsiniz. Ince film gerilme tabanlı katlama uygulamalar için yararlı olan stimuli duyarlı katlama gibi in vitro ve in vivo biyolojik örnekleme ve robotik pick-and-place işlemleri gerçekleştirmek için kullanılır olmuştur microgrippers olarak gereklidir. Burada açıklanan belirli metodoloji sadece bir kere yakın yeniden konfigüre edilebilir microgrippers yaratmak için kullanılabilmesine rağmen, malzeme ve çift katmanından stres işlemek için yöntemler uygun seçimi aynı zamanda çoklu döngüler 37, 41 üzerinde yeniden olabilir kavrama cihazları oluşturmak için kullanılabilir. Güç, bu cihazlara kalıntı stres kullanımı vurgulamak herhangi tethers veya kablo gerektirmez ve böylece yerlere ulaşmak zor olarak harekete etkinleştirmek için mükemmel manevra kabiliyeti yok olmasıdır. Ayrıca, polimer tetikler uygun bir seçim ile, uyarıya duyarlı davranışı robotik ve cerrahi alaka özerk fonksiyonunu etkinleştirmek için enzimler 42 dahil uyaranlara bir dizi etkin olabilir.

Disclosures

Çıkar çatışması ilan etti.

Acknowledgments

Biz hibe CMMI 0854881 ve CBET 1066898 aracılığıyla NSF finansman onayı alındı. Yazarlar yararlı önerileri için Matthew Mullens ederim.

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

Kimya Sayı 72 Kimya Mühendisliği Biyomoleküler Mühendisliği Malzeme Bilimi Fizik Nanoteknoloji Moleküler Self-assembly Elektrokimya Katlanır üç boyutlu litografi kolloid yamalı parçacıklar parçacıklar nanopartiküller robotik ilaç dağıtım mikroimalat Nanofabrikasyona nano montaj sentez reaksiyon origami
Origami Inspired Desenli ve Reconfigurable Parçacıkların Self-assembly
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