Waiting
Login processing...

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

Chemistry

اوريغامي الملهمة التجميع الذاتي للجزيئات منقوشة واعادة التشكيل

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

وصفنا تفاصيل التجريبية من تركيب جزيئات منقوشة وإعادة التشكيل من اثنين السلائف (2D) الأبعاد. ويمكن استخدام هذه المنهجية لخلق الجسيمات في مجموعة متنوعة من الأشكال بما في ذلك الأشكال المتعددة السطوح والأجهزة استيعاب بمقاييس طول بدءا من الدقيقة لحجم سنتيمتر.

Abstract

هناك العديد من التقنيات مثل الطباعة الحجرية ضوئيه شعاع الإلكترون، والطباعة الحجرية الناعمة التي يمكن استخدامها لنمط بالضبط ثنائية الأبعاد (2D) الهياكل. هذه التكنولوجيات ناضجة، وتقديم دقة عالية ويمكن تنفيذ الكثير منها بطريقة عالية الإنتاجية. نحن الاستفادة من مزايا الطباعة الحجرية المستوية والجمع بينها وبين الذاتي للطي تستخدم أساليب 1-20 قوات البدنية حيث المستمدة من التوتر السطحي أو التوتر المتبقية، لمنحنى أو هياكل مستو أضعاف إلى ثلاثة هياكل (3D) ثلاثية الأبعاد. في القيام بذلك، ونحن تجعل من الممكن لكتلة الجسيمات تنتج منقوشة بدقة الثابتة وإعادة التشكيل التي تتحدى لتجميع.

في هذه الورقة، ونحن تصور بالتفصيل البروتوكولات التجريبية لخلق نمط الجسيمات، ولا سيما: (أ) المستعبدين بشكل دائم، أجوف، متعددات الوجوه التي الذاتي تجميع والختم الذاتي نظرا لتقليل الطاقة سطح يتوقف المسال 21-23و (ب) أن القابضون النفس أضعاف بسبب الإجهاد المتبقية بالطاقة يتوقف 24،25. يمكن استخدام بروتوكول معين وصف لخلق جسيمات ذات أحجام تتراوح عموما من ميكرومتر إلى مقاييس الطول سنتيمتر. مزيد، يمكن تعريف أنماط التعسفي على أسطح جزيئات من أهمية في العلوم الغروية، والالكترونيات والبصريات والطب. بصورة أعم، فإن مفهوم الذاتي تجميع الجزيئات الصلبة ميكانيكيا مع الختم الذاتي يتوقف ينطبق، مع بعض التعديلات العملية، إلى خلق جزيئات أصغر في، 100 نانومتر جداول الطول 22 و 26 ومع مجموعة من المواد بما في ذلك المعادن 21 وأشباه الموصلات 9 و البوليمرات 27. فيما يتعلق بالطاقة يشتغل الإجهاد المتبقية من الأجهزة إعادة التشكيل استيعاب، بروتوكول يستخدم لدينا محددة يتوقف الكروم ذات الصلة الأجهزة ذات أحجام تتراوح ما بين 100 ميكرون حتى 2.5 ملم. ومع ذلك، بشكل عام، فإن مفهوم الإجهاد خالية من الحبل مثل المتبقيةويمكن استخدام يشتغل بالطاقة مع المواد عالية الإجهاد بديلة مثل أشباه الموصلات الأفلام أودعت heteroepitaxially 5،7 ربما لخلق أصغر أجهزة النانو استيعاب.

Protocol

وصفنا أولا بروتوكول العامة التي يمكن استخدامها لصنع نمط، والجسيمات مختومة وإعادة التشكيل الأجهزة استيعاب. جنبا إلى جنب مع بروتوكول عام، ونحن نقدم واحدة محددة، على سبيل المثال تصور لتصنيع كل من الجسيمات dodecahedral مختومة وmicrogrippers إعادة التشكيل.

1. إعداد قناع وقواعد التصميم

  1. عادة، هناك حاجة إلى قناع مجموعات على الأقل اثنين، واحد للمناطق التي لا ينحني أو منحنى (لوحات جامدة) وغيرها من المناطق التي لمنحنى، منحنى أو الختم (يتوقف). ويمكن استخدام أقنعة إضافية لتحديد أنماط سطح المسام، والبقع الجزيئية، العناصر البصرية أو الإلكترونية. ويمكن تصميم أقنعة باستخدام مجموعة متنوعة من برنامجين ناقلات برامج الرسومات ثلاثية الأبعاد مثل أوتوكاد، أدوبي المصور، حر أو محرر MX تخطيط.
  2. الدراسات التجريبية تشير إلى ما يلي قواعد التصميم الأمثل لتوليد الأقنعة التي يمكن استخدامها لدفع التوتر السطحي للطي من POLyhedron من الجانب طول L.
    1. لهندسة ومتعددة السطوح خاصة، وعدد من لوحات يجب أولا أن تحدد. على سبيل المثال، لديها ستة ألواح مكعب مربع في حين أن لديها 12 الثنعشري وحات خماسية.
    2. وذات العائد المرتفع 2 الترتيب الأبعاد لوحات، وتسمى أيضا شبكة يجب حظيت بها. سوف الشباك التي لديها أدنى نصف قطر الدوران من وأكبر عدد من قمة الرأس اتصالات الثانوي تجميع عادة وفقا لأعلى العوائد. شباك الأمثل لمجموعة متنوعة من الأشكال المتعددة السطوح مثل المكعبات، octahedra، dodecahedra، اقتطاع octahedra، العشرينية الوجوه، وتنشر 23 و 28.
    3. في لوحة قناع، ينبغي رسم لوحات من متعددات الوجوه والشباك وينبغي لوحات متباعدة المجاورة من خلال فجوة العرض الذي هو 0.1L تقريبا. وهناك حاجة إلى علامات التسجيل لمحاذاة لاحقة مع قناع المفصلي.
    4. في قناع المفصلي، يتوقف كل من للطي (في الألواح بين) وقفل أو ختم يتوقف (عند حواف الألواح)يجب تعريف. يجب أن يتوقف للطي لها أطوال 0.8L 0.2L وعرض لحين ختم يتوقف على هامش لوحات يجب أن يكون أطوال 0.8L 0.1L وعرض لمع فائض من 0.05L (الشكل 1 AC). ويجب اتخاذ عناية خاصة لضمان أن تراكب أقنعة الفريق والمفصلي، مع التسجيل. مع تصميم هذه القاعدة، وكنا قادرين على تجميع جزيئات ذات أحجام تتراوح بين 15 ميكرون حتى 2.5 سم.
    5. حجم المفصلي تسيطر على الزوايا للطي، وعرض مفصل لمعين، مطلوب محدود النمذجة عنصر لتحديد سمك اللازمة للالمفصلي. وعلى القارئ الرجوع إلى النماذج المنشورة 29-32 لتقدير سمك هذا. ومع ذلك، فإن ميزة جذابة وجهة نظرنا هو استخدام قفل أو ختم يتوقف التي توفر كبير من الأخطاء خلال التسامح لطي المصير. وبالتالي، عندما تستخدم يتوقف الختم، وعملية التجميع متسامح إلى انحرافات في حجم المفصلي، مما يسمح لها أن تكون فقط حوالي تاrgeted. بسبب cooperativity كبيرة خلال الجمعية، وقد تم حتى dodecahedra مع زوايا حظيرة 116،57 ° إنتاجها بكميات كبيرة. مزيد من اقتطاع octahedra يكون زاويتين ثنائي السطح مختلفة من 125،27 109،47 ° ° ولكن يمكن تجميعها باستخدام وحدات التخزين المفصلي نفسه. ومن المزايا الأخرى ليتوقف الختم هو أن يتوقف المجاورة لبعضها الصمامات الأخرى معا على التدفئة خلال عملية للطي، وخلق جزيئات مغلقة بإحكام، سلس وجامدة على التبريد.
  3. الدراسات التجريبية تشير إلى ما يلي قواعد التصميم الأمثل للأقنعة التي microgrippers أضعاف بسبب الإجهاد المتبقية يتوقف بالطاقة. لmicrogripper نصيحة إلى تلميح طول (D) من 600-900 ميكرون، والفجوة المفصلي (ز) هو عادة حوالي 50 ميكرون (الشكل 1 DF)، في حين لأصغر microgrippers مع D من 300 ميكرون، أصغر ز ينبغي الاستفادة من حوالي 25 ميكرومتر. أبعاد الفجوة المفصلي تعتمد على سمك، والإجهاد ومرنة كونتيويمكن استخدام اليلة من الأفلام الأساسية والحلول التحليلية متعدد الطبقات لتقدير مدى ما يقرب من 25،33 للطي. مطلوب القياس الدقيق من الضغوط والنمذجة محدود لمحاكاة عنصر على وجه التحديد للطي. الدراسات التجريبية تشير إلى أن ما يقرب من 100 ميكرون هو الحد الأدنى للجسيمات مع الكروم وشدد يتوقف.
  4. بعد تصميم تخطيط، يجب أن تكون مطبوعة على أقنعة الأفلام الشفافية باستخدام الطابعات عالية الدقة سواء في المنزل أو من خلال مجموعة متنوعة من المنافذ التجارية (الشكل 2A). عادة، يجب استخدام الشفافية الأفلام فقط مع ميزة الأحجام تقل عن 6 ميكرون، بينما هناك حاجة إلى أقنعة للهياكل الكروم مع وجود ثغرات أو أصغر تتوقف الميزات. تنسيق الملف نموذجية اللازمة لترتيب أقنعة التجارية ". DXF".

2. الركيزة إعداد

  1. ركائز ثابتة مثل الشرائح الزجاجية أو رقائق السليكون تحتاج لاستخدامه.
  2. لالتصاق جيدة، فمن عفريتortant لتنظيف وتجفيف ركائز. ومن المسلم به عموما كافية لتنظيف ركائز مع الأسيتون والميثانول والكحول الآيزوبروبيل (IPA)، وتجفيفها مع النيتروجين (N 2) ثم تسخين لهم على طبق ساخن أو في الفرن على 150 درجة مئوية لمدة 5-10 دقيقة.

3. ترسب طبقة الهدى

من أجل الإفراج عن القوالب من الركيزة بعد الزخرفة، لا بد من طبقة فداء. ويمكن استخدام مجموعة متنوعة من الأفلام تتألف من المعادن إما (مثل النحاس)، العوازل (مثل الألومينا) أو البوليمرات (على سبيل المثال، PMMA، PVA، CYTOP الخ). عند اختيار فيلم الهدى، اعتبارات هامة هي سهولة ترسب وذوبان للمواد والانتقائية حفر.

4. الزخرفة على ألواح

  1. يمكن أن تودع لوحات من الجسيمات من جانب مجموعة متنوعة من الوسائل. لجزيئات البوليمر، وتودع هذه الأفلام تدور طلاء أو الصب الهبوط. إلىويمكن استخدام الجزيئات المعدنية، أو التبخر الحراري الكهربي.
  2. لتصنيع الجزيئات المعدنية، فمن الضروري إضافة طبقة موصلة على الركيزة طبقة الذبيحه المغلفة لتسهيل الكهربي من لوحات والمفصلات.
  3. يمكن استخدام لوحات منقوشة أي عملية الطباعة الحجرية مثل صب ضوئيه الطباعة الحجرية nanoimprint، أو الطباعة الحجرية شعاع الإلكترون. عملية نموذجية تشمل طلاء ضوئيه طبقة مقاومة للضوء على الركيزة، ثم الخبز، وفضح وتطوير وتصنيع توصية في ل. ويمكن استخدام مثل مقاومات الضوء SPR، AZ أو سلسلة SC؛ بدلا من ذلك، يمكن تعريف لوحات باستخدام البوليمرات مثل photocrosslinkable SU8، PEGDA، أو PDMS photocrosslinkable. واعتمادا على اختيار سمك، مقاومة للضوء وبالتالي سرعة الدوران، زمن التعرض والوقت اللازم لتطوير تحتاج إلى تعديل وفقا لذلك.
  4. بعد ضوئيه، اعتمادا على حجم الجسيمات المعدنيةالجسيمات، يمكن أن تتكون ألواح سميكة من الكهربي، في حين يمكن تعريف لوحات رقيقة عن طريق التبخر أو الاخرق.
    1. لوحات من الكهربي، يجب استخدام قوانين فاراداي من الكهربي وكفاءة حمام لحساب التيار الكهربائي على أساس المساحة الكلية السطح المعرض لوحات. الكثافة الحالية نموذجية لالنيكل (ني) والطلاء لحام (الرصاص-SN) هي ما بين 2 مللي أمبير / سم 2 1-10 و20-50 أمبير / سم على التوالي.

5. الزخرفة يتوقف

على غرار لوحات الزخرفة، من أجل يتوقف نمط، جولة ثانية من ضوئيه يجب القيام به باستخدام قناع المفصلي (الشكل 2B-C). علامات التسجيل على لوحة الأقنعة ويتوقف تحتاج إلى مضافين لضمان التوافق السليم.

  1. لتجميع التوتر السطحي مدفوعة، ينبغي اختيار المواد لوحات والمفصلات بحيث يتوقف مواد تحتوي على نسبة منخفضةإيه نقطة انصهار من لوحات، وبالتالي تبقى جامدة لوحات بينما ذاب يتوقف. الجمعية يحدث عندما يتم تسخين القوالب فوق درجة انصهار المواد المفصلي. على سبيل المثال، في حالة الجزيئات المعدنية مع لوحات ني، ونحن electrodeposit الرصاص-SN جندى على المفصلات التي تذوب في ~ 200 ° C ويطالب للطي. وبالمثل، في حالة الجزيئات البوليمرية مع SU8 لوحات، ونحن ودائع يتوقف polycaprolactone التي التجمع في 58 ° C. ~ (27) عملية يعمل بشكل أفضل عندما يتم شبك المواد المفصلي في المنطقة يتوقف خلال إنحسر؛ لا ينتشر أي أنه في جميع أنحاء لوحات ولا dewet تماما من لوحة. ويمكن تحقيق هذا عن طريق تعلق اختيار المواد ذات الخصائص ترطيب مناسب واللزوجة.
  2. في حالة من التوتر رقيقة مدفوعة الذاتي للطي، ينبغي منقوشة يتوقف قبل الزخرفة الفريق. بشكل عام، يجب أن تتوقف تتألف من طبقة ثنائية شدد تفاضلي، تتألف من معدن الكروم وشدد مثل (الكروم) أو الزركونيوم (عنصر الزركون) ومعدن بهيج نسبيا مثل الذهب (الاتحاد الافريقي) أو النحاس (النحاس). على سبيل المثال، لmicrogrippers مع وجود فجوة المفصلي من 50 ميكرومتر، ونحن نستخدم طبقة ثنائية مؤلفة من الكروم نانومتر 50 و 100 نانومتر الاتحاد الافريقي. بالإضافة إلى طبقات ثنائية معدنية وشدد تفاضلي، أكد تفاضلي البوليمرات 34-37، ويمكن أيضا طبقات SiOx 38 أو 5 طبقات الفوقي أشباه الموصلات يمكن استخدامها.
  3. للإجهاد رقيقة مدفوعة الذاتي للطي، ينبغي استغلال والحرارية الحساسة طبقة البوليمر الزناد لتقييد الأجهزة بحيث لا هياكل أضعاف تلقائيا عند الإفراج عنهم من الركيزة. يمكن اختيار المناسب من المواد وسمك الزناد منح الأجهزة مع خصائص محفزات مختلفة استجابة. على سبيل المثال، الزخرفة 1.5 ميكرومتر سميكة مقاومة للضوء (S1800 سلسلة) في المنطقة يتوقف ما يكفي للحفاظ على الأجهزة المسطحة حتى يتم تسخينها لهم ~ 37 درجة مئوية لتشغيل للطي.

= "jove_title"> 6. الافراج عن قوالب من الركيزة وقابلة للطي

  1. للافراج عن قوالب منقوشة 2D، وطبقة الذبيحه يحتاج إلى حل من قبل المنمشات المناسب (الشكل 2D).
  2. التوتر السطحي للدفع الجمعية، والسلائف مستو صدر بحاجة إلى أن يكون ساخنا فوق درجة انصهار المواد المفصلي. على التدفئة، والحصول على مسالة يتوقف والسلائف التجمع في شكل جسيمات جوفاء مناسب (الشكل 2E-I).
  3. للطي رقيقة فيلم الإجهاد مدفوعة، يمكن أن تسبب للطي بعد إطلاق الهياكل من الركيزة وعلى التعرض لحافز الحق، على سبيل المثال، على التدفئة، بحيث يخفف على الزناد والتي لم تعد تقيد تخفيف من طبقة ثنائية شدد يتوقف. يمكن استيعاب الأجهزة منذ المغناطيسية هي أن يسترشد بها والمتمركزة بالقرب من البضائع المناسبة وأثار حوله إلى أضعاف (الشكل 2J-N). من الجدير بالذكر أن الأنسجة exciويمكن تحقيق سيون استخدام مثل لطي أثار 25.

مثال 1. بروتوكول لصنع التوتر السطحي مدفوعة الذاتي تجميعها، المستعبدين بشكل دائم، وحجم ميكرون 300 ألف جوفاء dodecahedra (التمثيل التخطيطي في الشكل 3):

  1. إعداد الأقنعة كما هو موضح في الخطوة 1. لتصنيع وdodecahedra مع 300 ميكرون طول الحافة لوحة، لوحة رسم قناع بحيث متباعدة لوحات خماسية للالثنعشري بصرف النظر بنسبة 30 ميكرومتر. وضع قناع المفصلي حيث للطي وختم يتوقف لها أبعاد ميكرون من 240 ميكرومتر ميكرومتر و60 × 240 × 30 ميكرون على التوالي.
  2. إعداد ركيزة رقاقة السيليكون كما هو موضح في الخطوة 2.
  3. معطف تدور ~ 5،5 ميكرون طبقة سميكة من 950 PMMA A11 في 1،000 دورة في الدقيقة، على رقائق السليكون. انتظر لمدة 3 دقائق وبعد ذلك خبز في 180 ° C لمدة 60 ثانية.
  4. باستخدام المبخر الحراري، إيداع 30 نانومتر الكروم (الكروم) بوصفها المروج التصاق و 150 نانومتر النحاس (النحاس) كما رانه إجراء طبقة.
  5. معطف تدور ~ 10 ميكرون سميكة SPR220 في 1700 دورة في الدقيقة على رقائق. انتظر لمدة 3 دقائق.
  6. إجراء softbake منحدر المتابعة عن طريق وضع رقاقة على موقد في 60 درجة مئوية لمدة 30 ثانية. ثم نقل الرقاقة على آخر موقد في C ° 115 لمدة 90 ثانية ثم العودة إلى 60 درجة مئوية لمدة 30 ثانية.
  7. تبريد رقائق في درجة حرارة الغرفة وانتظر 3 ساعة.
  8. كشف القناع رقائق لوحة باستخدام 460 ميغا جول ~ / سم 2 من ضوء الأشعة فوق البنفسجية (365 نانومتر) وقناع اليجنر الزئبق القائمة.
  9. تطوير MF-26A في مطور لمدة 2 دقيقة وتغيير الحل المطور وتطوير لمدة 2 دقيقة.
  10. حساب مساحة لوحة مجموع واستخدامها لحساب التيار المطلوب لelectrodeposit ني من حل النيكل sulfamate التجارية بمعدل حوالي 1-10 مللي أمبير / سم 2 حتى سمك من 8 ميكرون.
  11. حل مقاومة للضوء مع الأسيتون. شطف مع رقاقة IPA، وتجفيف الغاز مع 2 N.
  12. معطف تدور ~ 10 ميكرون سميكة SPR220 دورة في الدقيقة في 1700 على رقائق. انتظر لمدة 3 دقائق.
  13. إجراء softbake منحدر المتابعة عن طريق وضع رقاقة على موقد في 60 درجة مئوية لمدة 30 ثانية. ثم نقل إلى أخرى رقاقة موقد في C ° 115 لمدة 90 ثانية ثم العودة إلى 60 درجة مئوية لمدة 30 ثانية.
  14. تبريد رقائق في درجة حرارة الغرفة وانتظر 3 ساعة.
  15. كشف القناع لرقائق المفصلي باستخدام 460 ميغا جول ~ / سم 2 من ضوء الأشعة فوق البنفسجية (365 نانومتر) وقناع اليجنر الزئبق القائمة. ضمان أن يتم محاذاة علامات التسجيل بحيث يتم محاذاة يتوقف مع لوحات.
  16. تطوير MF-26A في مطور لمدة 2 دقيقة وتغيير الحل المطور وتطوير لمدة 2 دقيقة.
  17. قطع باستخدام الماس، قطع ويفر إلى قطع صغيرة بحيث قطعة واحدة من رقاقة تحتوي على شبكات ~ 50-60. معطف حواف القطع مع طلاء الأظافر.
  18. حساب المساحة الكلية المفصلي يتعرض واستخدامها لحساب التيار المطلوب لelectrodeposit الرصاص جندى-SN من حل جندى الطلاء التجارية بمعدل APPROximately 20-50 أمبير / سم 2 حتى بسمك 15 ميكرون.
  19. حل مقاومة للضوء في الأسيتون. شطف القطع مع رقاقة IPA، وتجفيف الغاز مع 2 N.
  20. تزج في رقاقة قطعة APS etchant 100 ل25-40 ثانية بحل طبقة المحيطة النحاس. شطف مع الماء وتجفيف DI بالغاز 2 N.
  21. تزج قطعة رقاقة في etchant CRE-473 ل 30-50 ثانية بحل طبقة الكروم المحيطة بها. شطف مع الماء وتجفيف DI بالغاز 2 N.
  22. تزج في رقاقة قطعة مل من 2-3 ~ 1-ميثيل Pyrollidinone-2 (NMP) والحرارة عند 100 ° C لمدة 3-5 دقيقة حتى يتم الإفراج عن قوالب من الركيزة.
  23. نقل ~ 20-30 القوالب في طبق بتري الصغيرة وتوزيعها بشكل موحد.
  24. إضافة ~ 3-5 مل من قطرات NMP و~ 5-7 من تدفق 5RMA Indalloy السائل.
  25. الحرارة عند 100 درجة مئوية لمدة 5 دقائق. في هذه الخطوة، وتدفق السائل Indalloy 5RMA ينظف ويذوب أي طبقة أكسيد تشكلت على جندى ويضمن بالتالي refl جيدة لحامآه على التدفئة فوق نقطة انصهار.
  26. زيادة درجة حرارة موقد إلى 150 درجة مئوية لمدة 5 دقائق ثم زيادة ببطء إلى 200 درجة مئوية حتى للطي يحدث. عند زيادة درجة الحرارة إلى 200 درجة مئوية للطي يبدأ بعد 5-8 دقائق. قد يتحول الخليط البني لأنه يبدأ لحرق.
  27. عندما dodecahedra قد افلست، والسماح للطبق حتى يبرد. إضافة إلى صحن الأسيتون، ماصة من السائل، وشطف dodecahedra في الأسيتون والإيثانول ثم.
  28. تخزين جزيئات dodecahedral في الايثانول.

مثال 2. بروتوكول لتصنيع إعادة التشكيل، رقيقة فيلم الإجهاد مدفوعة الذاتي للطي الحرارية الحساسة microgrippers (التمثيل التخطيطي في الشكل 4):

  1. إعداد الأقنعة كما هو موضح في الخطوة 1. تصميم الأقنعة بحيث طول الحافة إلى الحافة من القابضون هو 980 ميكرون، مع طول اللوحة الجانبية المركزية من 111 ميكرون والفجوة المفصلي من 50 ميكرومتر. ويمكن تصميم نموذجي المفصلي وأقنعة لوحة similع لدي الشكل 1.
  2. إعداد رقائق السليكون كما هو موضح في الخطوة 2.
  3. إيداع 15 نانومتر والتصاق الكروم نانومتر 50-100 طبقات النحاس الهدى باستخدام المبخر الحراري.
  4. تدور معطف سميك ~ 3 ميكرومتر S1827 باستخدام المغطي تدور، عند 3،000 دورة في الدقيقة. انتظر لمدة 3 دقائق ثم خبز والرقاقة في C ° 115 ل1 دقيقة على موقد.
  5. فضح في 180 ميغا جول ~ ضوء سم / 2 UV (365 نانومتر) باستخدام قناع اليجنر وقناع المفصلي.
  6. ل 40-60 ثانية وضع في 5:1 المطور 351 المخفف. شطف مع الماء وتجفيف DI بالغاز 2 N.
  7. إيداع 50 نانومتر و 100 ريال برازيلي الاتحاد الافريقي نانومتر باستخدام المبخر الحراري. وظائف الكروم، والاتحاد الافريقي طبقة ثنائية مفصلة مع الإجهاد المتبقية في الفيلم الكروم، في حين أن الفيلم الاتحاد الافريقي هي طبقة الدعم bioinert.
  8. الإقلاع مقاوم الضوء في الأسيتون. استخدام لمدة 3-5 دقيقة sonicator إلى الإقلاع تماما المعدن الزائد. غسل رقاقة مع الأسيتون وIPA وجافة مع الغاز 2 N.
  9. تدور معطف ~ 10 ميكرون سميكة في SPR2201700 دورة في الدقيقة على رقائق. انتظر لمدة 3 دقائق.
  10. إجراء softbake منحدر المتابعة عن طريق وضع رقاقة على موقد في 60 درجة مئوية لمدة 30 ثانية. ثم نقل إلى أخرى رقاقة موقد في C ° 115 لمدة 90 ثانية ثم العودة إلى 60 درجة مئوية لمدة 30 ثانية. الانتظار لمدة 3 ساعة.
  11. كشف مقاومة للضوء في ضوء ~ 460 ميغا جول / سم 2 UV (365 نانومتر) باستخدام قناع اليجنر من خلال قناع لوحة.
  12. تطوير MF-26A في مطور لمدة 2 دقيقة وتغيير الحل المطور وتطوير لمدة 2 دقيقة.
  13. حساب مساحة لوحة مجموع واستخدامها لحساب التيار المطلوب لelectrodeposit ني من حل النيكل sulfamate التجارية بمعدل حوالي 1-10 مللي أمبير / سم 2 حتى بسمك 5 ميكرون. شطف مع المياه DI بدقة.
  14. Electrodeposit أو تتبخر 100 نانومتر الاتحاد الافريقي. هذه الطبقة على حماية ني من المنمشات تستخدم لإزالة طبقة فداء.
  15. تجريد مقاومة للضوء مع الأسيتون. شطف مع رقاقة IPA، وتجفيف الغاز مع 2 N. مزيج S1813 S1805 وphotoresits في نسبة حجم 01:05. تدور معطف الخليط عند 1،800 دورة في الدقيقة. انتظر لمدة 3 دقائق، ثم يخبز على موقد في C ° 115 ل1 دقيقة. هذه الطبقة بمثابة مقاومة للضوء طبقة الزناد.
  16. كشف ب 120 ميغا جول ~ ضوء سم / 2 UV (365 نانومتر) على اليجنر قناع باستخدام قناع المفصلي.
  17. ل 30-50 ثانية وضع في 5:1 مطور 351 المخفف. شطف مع الماء وتجفيف DI بالغاز 2 N.
  18. قطع قطعة من الرقاقة باستخدام قطع الماس.
  19. تزج في رقاقة قطعة APS 100 إلى حفر طبقة الأساسية الذبيحه النحاس. الانتظار حتى يتم الافراج تماما من microgrippers الركيزة.
  20. شطف مع المياه DI microgrippers وتخزينها في الماء البارد.
  21. تحريك للطي عن طريق وضع microgrippers في 37 ° C المياه.

7. ممثل النتائج

نتائج ممثلة في الشكل 5 شاهد الذاتي تجميعها جزيئات متعددة السطوح في مجموعة متنوعة من شالقردة وكذلك microgrippers للطي. عملية تصنيع ويشتغل موازية للغاية ويمكن أن يصنع هياكل 3D وأثار في نفس الوقت. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تعريف أنماط دقيقة كما يتضح من المسام مربعة أو مثلثة في جميع الأبعاد الثلاثة، وعلى وجوه محددة إذا لزم الأمر. يمكن إغلاق microgrippers في ظل ظروف حميدة بيولوجيا بحيث يمكن استخدامها لأنسجة الإنتاج أو البضائع محملة البيولوجية. بالإضافة إلى ذلك، حيث يمكن جعل microgrippers بمادة المغناطيسية، يمكن نقلها من بعيد باستخدام المجالات المغناطيسية.

الشكل 1
الشكل 1. قواعد التصميم لتركيب الجزيئات منقوشة (AC) قواعد التصميم قناع لتجميع جزيئات متعددة السطوح منقوشة؛ (أ) رسم تخطيطي لوحة قناع لمن الشكل المتعدد السطوح L طول الجانب، (ب) التخطيطي للقناع المفصلي يضم للطي(0.2 × 0.8 L L) وقفل أو الختم (0.1 × 0.8 L L) يتوقف، و (ج) من السلائف التخطيطي للمضافين 2D أو صافي. (DF) قواعد التصميم قناع لmicrogripper الذاتي للطي، (د) التخطيطي للقناع تتوقف عن microgripper مع تلميح تلميح لطول D، (ه) من القناع التخطيطي لوحة ز الفجوة مع المفصلي، و (و) من التخطيطي مقدمة مضافين 2D. اضغط هنا لمشاهدتها بشكل اكبر شخصية .

الشكل 2
الشكل 2. الصور والرسوم المتحركة التجريبية المفاهيمية من الخطوات الهامة في تصنيع وعملية التجميع (أ) لقطة من قناع لوحة أوتوكاد لdodecahedral السلائف. (قبل الميلاد) الصور البصرية السلائف 2D ل، dodecahedra (ب) و (ج) على ركيزة microgrippers السيليكون. (د) الاصدار شبكات dodecahedral. على نطاق والحانات: 200 ميكرومتر. (EN) المفاهيمي لnimation من (EI) التوتر السطحي مدفوعة من الجمعية الثنعشري، و(يو) الإجهاد رقيقة مدفوعة قابلة للطي لmicrogripper حول حبة (الرسوم المتحركة بواسطة Filipiak ديفيد).

الشكل 3
الشكل 3. توضيح تخطيطي لخطوات مهمة لتصنيع السطح التوتر القائم الجمعية من الجسيمات مكعب.

الشكل 4
الشكل 4. توضيح تخطيطي لخطوات مهمة لتصنيع الضغط المتبقية مدفوعة قابلة للطي لجهاز المكون من ستة أرقام استيعاب.

الشكل 5
الشكل 5. صور من الجسيمات اوريغامي مستوحاة الذاتي تجميعها وإعادة التشكيل منقوشة.

Discussion

عمليتنا الجمعية اوريغامي مستوحاة هي متعددة ويمكن استخدامها لتجميع مجموعة متنوعة من الجسيمات 3D الثابتة وإعادة التشكيل مع مجموعة واسعة من الأشكال والمواد والأحجام. علاوة على ذلك، القدرة على استشعار نمط بدقة وحدات إلكترونية على هذه الجسيمات من المهم للبصريات والالكترونيات. وعلى النقيض من الجسيمات غير مكتمل يتكون من الطرق البديلة، حيث أنماط غير دقيقة نسبيا، وهذا يوفر وسيلة منهجية لتجميع الجزيئات منقوشة على وجه التحديد. في الجمعية التوتر السطحي القائمة على استخدام تسييل يتوقف الختم يضمن ختم جيدا جسيمات صلبة ميكانيكيا وبعد التجميع (على التبريد). في السابق، لاحظنا أن طبقات هي مانعة للتسرب جزيئات صغيرة حتى ل39،40. يمكن الكهربي من طبقة رقيقة من الاتحاد الافريقي بعد تقديم الجمعية قوة إضافية وتعزيز الطابع مانعة للتسرب من اللحامات. الضغط الفيلم قابلة للطي على أساس رقيقة مفيد للتطبيقات التي سانتمطلوب imuli لطي تستجيب كما هو الحال في microgrippers التي استخدمت لتنفيذ في التجارب المختبرية وأخذ العينات البيولوجية والمجراة في انتقاء ومكان العمليات في مجال الروبوتات. في حين يمكن استخدام المنهجية المحددة الموصوفة هنا لإنشاء microgrippers إعادة التشكيل التي تغلق مرة واحدة فقط، ويمكن الاستفادة من الاختيار المناسب للمواد وأساليب للتلاعب في الضغط لخلق طبقات ثنائية أيضا أجهزة استيعاب التي يمكن أن تكون أكثر من إعادة تكوين دورات متعددة، 37، 41. تسليط الضوء على استخدام الضغط المتبقية للسلطة هذه الأجهزة هو أنها لا تحتاج إلى أي أسلاك أو حبال وبحيث يكون المناورة ممتازة لتمكين يشتغل في الأماكن التي يصعب الوصول إليها. علاوة على ذلك، من قبل الاختيار المناسب للمشغلات البوليمرية، يمكن تمكين محفزات السلوك استجابة مع مجموعة من المحفزات بما في ذلك الإنزيمات 42 إلى تمكين وظيفة مستقلة ذات الصلة الروبوتات والجراحة.

Disclosures

الإعلان عن أي تضارب في المصالح.

Acknowledgments

ونحن نعترف التمويل من NSF من خلال المنح CMMI 0854881 1066898 وCBET. الكتاب أشكر Mullens ماثيو لاقتراحات مفيدة.

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

الكيمياء، العدد 72، الهندسة الكيميائية، والهندسة البيولوجية، علوم المواد، الفيزياء، تقنية النانو، التجميع الذاتي الجزيئي الكيمياء الكهربائية،، قابلة للطي، وثلاثة الأبعاد الطباعة الحجرية،، الغروانية، والجسيمات غير مكتمل، والجسيمات، جزيئات، والروبوتات، والتسليم المخدرات، الدقيق microfabrication، nanofabrication، و نانو، والتجمع، والتوليف، رد فعل، اوريغامي
اوريغامي الملهمة التجميع الذاتي للجزيئات منقوشة واعادة التشكيل
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