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 Zelf-assemblage van Patterned en Herconfigureerbare Deeltjes

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

We beschrijven experimentele details van de synthese van patronen en herconfigureerbare deeltjes van tweedimensionale (2D) precursors. Deze methodologie kan worden gebruikt om deeltjes te maken in een verscheidenheid van vormen zoals veelvlakken en grijpinrichtingen bij lengteschalen variërend van micro tot centimeter schaal.

Abstract

Er zijn tal van technieken zoals fotolithografie, electron-beam lithografie en zachte lithografie die kunnen worden gebruikt om nauwkeurig patroon tweedimensionale (2D) structuren. Deze technologieën zijn volwassen, bieden een hoge precisie en veel van hen kunnen worden uitgevoerd in een high-throughput manier. We maken gebruik van de voordelen van vlakke lithografie en combineer ze met zichzelf vouwmethoden 1 tot 20, waarin fysieke krachten afgeleid van de oppervlaktespanning en restspanning, zijn te buigen of vouwen vlakke structuren gebruikt in drie dimensionale (3D) structuren. Daarbij maken we het mogelijk om de massa te produceren nauwkeurig patroon statische en herconfigureerbare deeltjes die zijn uitdagend te synthetiseren.

In deze paper wordt detail gevisualiseerd experimentele protocollen patroon deeltjes te creëren, met name, (a) permanent gebonden, holle, veelvlakken die zichzelf assembleren en zelf-seal te wijten aan de minimalisering van oppervlakte-energie van vloeibaar scharnieren éénentwintig-drieëntwintigen (b) grijpers die self-voudig door restspanning aangedreven scharnieren 24,25. De beschreven specifieke protocol kan worden gebruikt om deeltjes met totale afmetingen die variëren van de micrometer op de centimeter lengteschalen maken. Verder kan willekeurige patronen worden gedefinieerd op de oppervlakken van de deeltjes van belang in colloïdale, elektronica, optica en geneeskunde. Meer in het algemeen, het concept van zelf-assemblage mechanisch stijve deeltjes met zelfdichtende scharnieren van toepassing is, met enkele wijzigingen in het proces, tot de oprichting van deeltjes op nog kleinere, 100 nm lengteschalen 22, 26 en met een scala aan materialen, waaronder metalen 21 , halfgeleiders 9 en polymeren 27. Met betrekking tot de restspanning aangedreven aandrijving van herconfigureerbare grijpinrichtingen, onze specifieke protocol gebruikt chroom scharnieren van belang voor apparaten met een formaat van 100 urn tot 2,5 mm. Echter, meer in het algemeen het idee van deze ketting zonder restspanningaangedreven bediening kan worden gebruikt met afwisselend hoge stress materialen zoals gedeponeerd heteroepitaxially halfgeleiderfilms 5,7 to mogelijk maken nog kleinere nanoschaal grijpinrichtingen.

Protocol

We beschrijven eerst een algemeen protocol dat kan worden gebruikt om een ​​patroon, afgesloten deeltjes en herconfigureerbare grijpinrichtingen fabriceren. Samen met de algemeen protocol, bieden wij een specifiek, gevisualiseerd voorbeeld voor zowel de fabricage van verzegelde dodecaëdervorm deeltjes en herconfigureerbare microgrippers.

1. Masker Voorbereiding en Design Rules

  1. Typisch worden ten minste twee sets masker nodig, voor regio's die niet buigt of curve (stijve panelen) en de andere voor regio bocht, curve of afdichting (scharnieren). Extra maskers kunnen worden gebruikt om oppervlaktepatronen van poriën, moleculaire patches, optische of elektronische elementen te definiëren. Maskers kunnen worden ontworpen met behulp van een verscheidenheid van twee dimensionale vector graphics software programma's zoals AutoCAD, Adobe Illustrator, Freehand MX of Layout Editor.
  2. Empirische studies suggereren de volgende optimale ontwerpregels voor het genereren van maskers die worden gebruikt voor de oppervlaktespanning gedreven vouwen van een polyhedron van zijde lengte L.
    1. Voor een bepaalde polyhedral geometrie, het aantal panelen moet eerst worden vastgesteld. Bijvoorbeeld, een kubus zes vierkante panelen terwijl een dodecaëder heeft twaalf vijfhoekige panelen.
    2. De hoge opbrengst tweedimensionale opstelling van panelen, ook wel net moet worden bedacht. Netten die de laagste gyratiestraal en grootste aantal secundaire vertex verbindingen hebben zal doorgaans monteren met de hoogste opbrengst. De optimale netten voor verschillende veelvlakken zoals kubussen, octaeders, dodecaëders, afgeknot octaeders, icosahedra, gepubliceerd 23, 28.
    3. In het paneel masker, moet de panelen van de veelvlakken worden getrokken netten en de aangrenzende panelen worden gescheiden door een spleet met een breedte die ongeveer 0.1L. Register tekens zijn vereist voor verdere aanpassing aan de scharnier masker.
    4. In het scharnier masker beide vouwen scharnieren (tussen de panelen) en vergrendelen of afdichten scharnieren (aan de randen van de panelen)moeten worden bepaald. Folding scharnieren hebben een lengte van 0.8L en breedte van 0,2 l scharnieren de afdichting aan de omtrek van de panelen lengtes en breedtes van 0.8L 0.1L hebben met een overstek van 0,05 L (figuur 1 ac). Speciale zorg moet worden genomen om ervoor te zorgen dat het paneel en scharnier maskers overlay, met register. Met dit ontwerp regel, zijn we in staat om deeltjes met afmetingen variërend van 15 micrometer tot 2,5 cm te synthetiseren.
    5. Het volume van het scharnier controleert de plooihoeken, en voor een gegeven scharnierbreedte, eindige elementen modellering de noodzakelijke dikte van het scharnier te bepalen. De lezer wordt verwezen naar gepubliceerde modellen 29-32 deze dikte schatten. Echter, de aantrekkelijke eigenschap van onze aanpak is het gebruik van de vergrendeling of het verzegelen van scharnieren die aanzienlijke fout-tolerantie te verlenen tijdens zelf-vouwen. Dus als afdichting scharnieren worden gebruikt, het assemblageproces kan verdragen afwijkingen in volumes scharnier, waardoor ze slechts ongeveer targeted. Door aanzienlijke coöperativiteit tijdens de montage, zelfs dodecaëders met uitklapbare hoeken van 116,57 ° zijn massa geproduceerd. Verder afgeknotte octaeders twee verschillende tweevlakshoeken van 125,27 ° en 109,47 ° maar kan worden geassembleerd met dezelfde scharnier volumes. Een ander voordeel van de afdichting scharnieren dat de scharnieren naast elkaar versmelten bij verhitting tijdens vouwproces, goed gesloten en naadloos en stijf bij afkoeling deeltjes creëren.
  3. Empirische studies suggereren de volgende optimaal ontwerp regels voor de maskers van microgrippers die vouwen als gevolg van restspanningen aangedreven scharnieren. Een microgripper van tip tot tip-lengte (D) van 600-900 um, de scharnier gap (g) is typisch ongeveer 50 urn (figuur 1 df), terwijl voor kleinere microgrippers met D van 300 urn, een kleinere g van ongeveer 25 pm worden gebruikt. Het scharnier kloof afmetingen zijn afhankelijk van de stress, dikte en elastische contegen van de onderliggende films en meerlaagse analytische oplossingen kunnen worden gebruikt tot ongeveer schatten mate van vouwen 25,33. Nauwkeurige meting van spanningen en eindige elementen modellering moet nauwkeurig simuleren vouwen. Empirische studies wijzen erop dat ongeveer 100 micrometer is de ondergrens voor de deeltjes met gestreste chroom scharnieren.
  4. Na ontwerpen van de inrichting, dient de maskers worden afgedrukt op transparantie films met een hoge resolutie printers hetzij zelf of via verschillende afzetmogelijkheden (figuur 2a). Gewoonlijk moeten transparanten alleen worden gebruikt met minimale functie maten van 6 urn, terwijl chroom maskers zijn nodig voor constructies met kleinere openingen scharnier of functies. De typische bestandsformaat nodig voor het bestellen van commerciële maskers is ". Dxf".

2. Voorbereiding van de ondergrond

  1. Vlakke substraten zoals glas of silicium wafers slides moeten worden gebruikt.
  2. Voor een goede hechting is het important te reinigen en drogen van de substraten. Het is meestal voldoende om de substraten te reinigen met methanol, aceton en isopropyl alcohol (IPA), drogen met stikstof (N 2) en verwarm ze op een hete plaat of in een oven bij 150 ° C gedurende 5-10 minuten.

3. Afzetting van de Sacrificial Layer

Om de templates van het substraat na patroon loslaat, wordt een te offeren laag nodig. Een verscheidenheid van films uit beide metalen (bijvoorbeeld koper), diëlektrica (bijvoorbeeld aluminiumoxide) of polymeren (bijvoorbeeld PMMA, PVA, CYTOP etc.) kunnen gebruikt worden. Bij het kiezen van een wegbrandfolie belangrijke overwegingen het gemak van afzetting en oplossen van het materiaal en de etsselectiviteit.

4. Patroonvorming van de panelen

  1. De panelen van de deeltjes kan worden afgezet door een verscheidenheid aan middelen. Voor polymere deeltjes, worden de films afgezet door spinbekleding of drop casting. Voormetaaldeeltjes, elektrodepositie of thermische verdamping kan worden gebruikt.
  2. Voor de vervaardiging van metalen deeltjes, moet een geleidende laag toe te voegen aan de te offeren laag beklede substraat aan elektrodepositie van de panelen en scharnieren vergemakkelijken.
  3. De panelen kunnen worden met elke patroon lithografisch proces zoals fotolithografie, vormen, nanoimprint lithografie of elektronenstraal lithografie. Een typische fotolithografie proces omvat het bekleden van een fotolaklaag op het substraat, dan bakken, belichten en ontwikkelen als aanbeveling van de fabrikant. Lichtgevoelige zoals SPR, AZ of SC serie kunnen worden uitgevoerd, als alternatief, kunnen de panelen worden gedefinieerd met fotoverknoopbare polymeren zoals SU8, PEGDA of fotoverknoopbare PDMS. Afhankelijk van de keuze van fotolak, dikte en dus centrifugetoerental, belichtingstijd en ontwikkelingstijd zal moeten dienovereenkomstig worden aangepast.
  4. Na fotolithografie, afhankelijk van de grootte van metallisch partikelen kan dikke panelen worden gevormd door elektrodepositie, waarbij dunne platen kan door verdamping of sputteren.
    1. Voor elektroafzetting van panelen moet Faraday wetten van elektrodepositie en de efficiëntie van het bad worden gebruikt om de galvanische stroom gebaseerd op het totale blootgestelde oppervlak van de panelen berekenen. Typische stroomdichtheden voor nikkel (Ni) en soldeer (Pb-Sn) plating zijn tussen 1-10 mA / cm 2 en 20-50 mA / cm 2 respectievelijk.

5. Patroonvorming van de Scharnieren

Vergelijkbaar met de patronen van de panelen, om scharnieren patroon, een tweede fotolithografie moet gebeuren via het scharnier masker (figuur 2b-c). Het register merktekens op het paneel en scharnier maskers moeten worden bedekt om een ​​goede uitlijning te garanderen.

  1. Voor oppervlaktespanning gedreven montage moeten de materialen voor de panelen en scharnieren worden gekozen zodat het scharnier materiaal een laag iser smeltpunt dan de panelen en dus de panelen stijf blijven terwijl de scharnieren gesmolten. Assemblage gebeurt wanneer de templates worden verwarmd tot boven het smeltpunt van het scharnier materiaal. Bijvoorbeeld in geval van metalen deeltjes met Ni panelen we galvanische Pb-Sn soldeer op de scharnieren die smelt bij ~ 200 ° C en vraagt ​​de vouwen. Ook in het geval van polymere deeltjes met SU8 panelen aagegeven polycaprolacton scharnieren die verzamelen op ~ 58 ° C. 27 De werkwijze werkt het beste wanneer de scharnier materiaal vastgemaakt in het scharniergebied tijdens reflow, die geen extra verspreid over de panelen en niet volledig Dewet van het paneel. Dit pinning kan worden bereikt door de keuze van materialen met geschikte eigenschappen bevochtiging en viscositeit.
  2. In het geval van dunne film stress aangedreven zichzelf vouwen moet de scharnieren voorafgaand patroon om het paneel patronen. Gewoonlijk moet het scharnier bestaat uit een differentieel benadrukt dubbellaag,uit een gespannen metalen zoals chroom (Cr) of zirkonium (Zr) en een relatief onbelast metaal zoals goud (Au) of koper (Cu). Bijvoorbeeld voor microgrippers een scharnier afstand van 50 urn, gebruiken we een dubbellaag bestaande uit 50 nm en 100 nm Cr Au. Naast differentieel benadrukt metallic dubbellagen en differentieel polymeren 34-37 benadrukt, kunnen SiOx lagen 38 of epitaxiale lagen halfgeleider 5 ook worden gebruikt.
  3. Voor dunne film stress aangedreven zichzelf vouwen moet een thermo-gevoelige polymère laag trekker gebruikt worden om de apparaten met de structuren niet spontaan vouwen bij het loslaten van het substraat te beperken. De juiste keuze van materiaal en dikte trekker kan begiftigen de apparaten met verschillende stimuli-responsieve eigenschappen. Bijvoorbeeld, patronen 1,5 pm dikke fotoresistlaag (S1800 series) in het scharniergebied voldoende om de apparaten vlakke totdat zij verwarmd tot ~ 37 ° C om het vouwen activeren.

  1. Om kort op de patroon 2D sjablonen, het offer laag moet worden opgelost door middel van passende etsmiddelen (figuur 2d).
  2. Voor oppervlaktespanning aangedreven samenstel, het model vlakke precursors moeten worden verwarmd tot boven het smeltpunt van het scharnier materiaal. Bij verhitting, krijgen de scharnieren vloeibaar en de voorlopers assembleren tot het juiste type holle deeltjes (figuur 2e-i).
  3. Voor dunne film stress aangedreven vouwen, kunnen de vouwen plaats na de structuren vrijkomen van het substraat en de blootstelling de juiste stimulus, bijvoorbeeld bij verhitting, zodat de trekker verzacht en niet langer beperkt de ontspanning van de gestresste bilaag scharnieren. Aangezien de grijpinrichtingen zijn ferromagnetische kunnen worden geleid en geplaatst nabij passende lading en geactiveerd te vouwen rond (figuur 2j-n). Opmerkelijk is dat weefsel excisie kan worden bereikt met deze geactiveerd vouwen 25.

Voorbeeld 1. Protocol voor de vervaardiging van oppervlaktespanning gedreven zelf-geassembleerde, permanent gebonden, 300 pm maat holle dodecaëders (schema in figuur 3):

  1. Bereid de maskers zoals beschreven in Stap 1. Voor fabricage van de dodecaëders met 300 urn paneelrand lengte, een panel masker zodanig dat de vijfhoekige panelen van de dodecaëder elkaar zijn geplaatst op 30 urn trekken. Teken een scharnier masker waar vouwen en afdichten scharnieren hebben afmetingen van 240 um x 60 urn en 240 urn x 30 urn respectievelijk.
  2. Bereid een silicium wafer zoals beschreven in stap 2.
  3. Spin coat ~ 5,5 pm dikke laag van 950 PMMA A11 bij 1.000 rpm op silicium wafers. Wacht 3 min en daarna bakken bij 180 ° C gedurende 60 sec.
  4. Met een thermische verdamper Borg 30 nm chroom (Cr) als adhesiepromotor en 150 nm koper (Cu) als thij geleidende laag.
  5. Spin jas ~ 10 micrometer dik SPR220 op 1.700 toeren per minuut op de wafers. Wacht 3 min.
  6. Voer de aanlooptijd softbake door het plaatsen van de wafer op een verwarmingsplaat bij 60 ° C gedurende 30 sec. Vervolgens over de wafer op een kookplaat bij 115 ° C gedurende 90 sec en daarna naar 60 ° C gedurende 30 sec.
  7. Koel de wafers bij kamertemperatuur en wacht gedurende 3 uur.
  8. Bloot de wafers aan het paneel masker met ~ 460 mJ / cm 2 van UV licht (365 nm) en een kwikverbinding masker aligner.
  9. Ontwikkelen MF-26A ontwikkelaar voor 2 min en wijzigen de ontwikkelaar ontwikkelen nog 2 min.
  10. Bereken de totale paneelgebied en gebruiken de huidige vereist Ni galvanische een commerciële nikkel sulfamaat oplossing met een snelheid van ongeveer 1-10 mA / cm 2 met een dikte van 8 urn berekenen.
  11. Los de fotoresist met aceton. Spoel de wafer met IPA, en droog met N2 gas.
  12. Spin jas ~ 10 micrometer dik SPR220 bij 1700 rpm op de wafers. Wacht 3 min.
  13. Voer de aanlooptijd softbake door het plaatsen van de wafer op een verwarmingsplaat bij 60 ° C gedurende 30 sec. Breng het wafer een andere kookplaat bij 115 ° C gedurende 90 sec en daarna naar 60 ° C gedurende 30 sec.
  14. Koel de wafers bij kamertemperatuur en wacht gedurende 3 uur.
  15. Bloot wafers het scharnier masker met ~ 460 mJ / cm 2 van UV licht (365 nm) en een kwikverbinding masker aligner. Zorg ervoor dat het register merktekens zijn zo opgesteld dat de scharnieren zijn uitgelijnd met de panelen.
  16. Ontwikkelen MF-26A ontwikkelaar voor 2 min en wijzigen de ontwikkelaar ontwikkelen nog 2 min.
  17. Met behulp van een diamantslijper, snijd de wafel in kleine stukjes, zodat een stuk van wafer bevat ~ 50-60 netten. Smeer de randen van de stukken met nagellak.
  18. Bereken de totale blootgestelde scharnierzone en gebruiken de huidige vereist galvanische Pb-Sn soldeer berekenen van een commerciële soldeer beplatingsoplossing met een snelheid van gebatterijvak ongeveer 20-50 mA / cm 2 tot een dikte van 15 pm.
  19. Los de fotoresist in aceton. Spoel de wafer stukken met IPA, en droog met N2 gas.
  20. Dompel de wafer stuk in etsmiddel APS 100 voor 25 tot 40 seconden om de omgeving Cu laag te ontbinden. Afspoelen met DI-water en droog met N2 gas.
  21. Dompel de wafer stuk in etsmiddel CRE-473 voor 30-50 seconden naar de omliggende Cr-laag te ontbinden. Afspoelen met DI-water en droog met N2 gas.
  22. Dompel de wafer stuk ~ 2-3 ml 1-methyl-2-Pyrollidinone (NMP), verwarm tot 100 ° C gedurende 3-5 min tot de templates worden vrijgegeven van het substraat.
  23. Transfer ~ 20-30 sjablonen in een kleine petrischaal en gelijkmatig verdelen.
  24. Voeg ~ 3-5 ml van NMP en ~ 5 tot 7 druppels van Indalloy 5RMA vloeibare flux.
  25. Warmte bij 100 ° C gedurende 5 minuten. In deze stap Indalloy 5RMA vloeibare flux reinigt en lost elke oxidelaag op het soldeer en aldus zorgt voor een goede soldeer reflow bij verhitting boven het smeltpunt.
  26. Verhoog de kookplaat temperatuur tot 150 ° C gedurende 5 min en vervolgens langzaam te verhogen tot 200 ° C tot vouwen optreedt. Wanneer de temperatuur wordt verhoogd tot 200 ° C vouwen begint na 5-8 minuten. Het mengsel kan blijken bruin als het begint te branden.
  27. Wanneer de dodecaëders zijn gevouwen, zodat de schotel afkoelen. Voeg aceton om de schotel en pipetteer de vloeistof en spoel de dodecaëders in aceton en ethanol.
  28. Bewaar de dodecaëdervorm deeltjes in ethanol.

Voorbeeld 2. Protocol voor vervaardiging van herconfigureerbare, dunne film stress aangedreven zichzelf vouwen thermisch gevoelige microgrippers (schema in figuur 4):

  1. Bereid de maskers zoals beschreven in Stap 1. Ontwerp de maskers zodat tip to tip lengte van de grijpers is 980 urn, met het middenpaneel zijlengte van 111 urn en het scharnier afstand van 50 urn. Typische scharnier en paneel maskers kunnen worden ontworpen similar 1 de figuur.
  2. Bereid silicium wafers, zoals uitgelegd in stap 2.
  3. Borg 15 nm Cr hechting en 50-100 nm Cu offer lagen met behulp van een thermische verdamper.
  4. Spin-coat ~ 3 urn dik S1827 met spin coater, bij 3.000 rpm. Wacht 3 min en de wafel bakken bij 115 ° C gedurende 1 minuut op een verwarmingsplaat.
  5. Blootstellen aan ~ 180 mJ / cm 2 UV licht (365 nm) met een masker aligner en het scharnier masker.
  6. Ontwikkel voor 40-60 sec in 5:01 verdunde 351 Developer. Afspoelen met DI-water en droog met N2 gas.
  7. Deposit 50 nm en 100 nm Cr Au met een thermische verdamper. De Cr-Au fungeert als scharnier dubbellaag met een restspanning in de Cr film, terwijl de film een ​​Au bioinert steunlaag.
  8. Lift-off van de fotolak in aceton. Gebruik een sonicator gedurende 3-5 minuten om volledig op te heffen-het overtollige metaal. Was de wafer met aceton en IPA, droog met N2 gas.
  9. Spin jas ~ 10 micrometer dik SPR220 op1700 rpm op de wafers. Wacht 3 min.
  10. Voer de aanlooptijd softbake door het plaatsen van de wafer op een verwarmingsplaat bij 60 ° C gedurende 30 sec. Breng het wafer een andere kookplaat bij 115 ° C gedurende 90 sec en daarna naar 60 ° C gedurende 30 sec. Wachten gedurende 3 uur.
  11. Bloot fotolak op ~ 460 mJ / cm 2 UV licht (365 nm) met een masker aligner door het paneel masker.
  12. Ontwikkelen MF-26A ontwikkelaar voor 2 min en wijzigen de ontwikkelaar ontwikkelen nog 2 min.
  13. Bereken de totale paneelgebied en gebruiken de huidige vereist Ni galvanische een commerciële nikkel sulfamaat oplossing met een snelheid van ongeveer 1-10 mA / cm 2 tot een dikte van 5 urn berekenen. Spoel grondig af met DI-water.
  14. Galvanische of verdampen 100 nm Au. Deze laag helpt Ni beschermen tegen de etsmiddelen gebruikt om de offerlaag verwijderen.
  15. Strip de fotolak met aceton. Spoel de wafer met IPA, en droog met N2 gas. Meng S1813 en S1805 photoresits bij 1:5 volume-verhouding. Spin laag het mengsel bij 1.800 rpm. Wacht 3 min bakken op een hete plaat bij 115 ° C gedurende 1 minuut. Deze fotolaklaag werkt als trigger laag.
  16. Blootstellen aan ~ 120 mJ / cm 2 UV licht (365 nm) op een masker aligner met het scharnier masker.
  17. Ontwikkel voor 30-50 sec in 5:01 verdunde 351 ontwikkelaar. Afspoelen met DI-water en droog met N2 gas.
  18. Snijd een stuk van de wafer met een diamantslijper.
  19. Dompel de wafer stuk in APS 100 tot etsen van de onderliggende Cu offer laag. Wacht tot de microgrippers volledig ontladen van het substraat.
  20. Spoel de microgrippers met DI-water en op te slaan in koud water.
  21. Activeer de vouwen Door de microgrippers in 37 ° C water.

7. Representatieve resultaten

Representatieve resultaten in figuur 5 tonen zelf-geassembleerde polyhedral deeltjes in verschillende shapen en vouwen microgrippers. De fabricage en bediening proces is zeer parallel en 3D-structuren kunnen worden vervaardigd en gelijktijdig geactiveerd. Bovendien kan nauwkeurige patronen zoals bijvoorbeeld vierkant of driehoekig poriën worden gedefinieerd in drie dimensies, en geselecteerde vlakken indien nodig. De microgrippers kan worden gesloten onder biologisch goedaardige voorwaarden zodat zij kunnen worden gebruikt om weefsel of accijns geladen met biologische lading. Bovendien, aangezien de microgrippers kan met een ferromagnetisch materiaal, kunnen ze verplaatst van verre met magneetvelden.

Figuur 1
Figuur 1. Praktisch ontwerp van de synthese van patroon deeltjes (ac) Mask ontwerpregels voor de montage van patroon polyhedrale deeltjes;. (A) Schematische voorstelling van het paneel masker voor een veelvlak van side lengte L, (b) schematische weergave van het scharnier masker met vouwen(0,2 L x 0,8 L) en vergrendeling of afdichting (0,1 L x 0,8 L) scharnieren, en (c) schematische voorstelling van de overlappende 2D precursor of net. (Df) Mask praktisch ontwerp van de zelf-vouwen microgripper, (d) schematische weergave van het scharnier masker voor een microgripper met punt tot punt D lengte, (e) schema van het paneel masker met scharnier gap g, en (f) schematische weergave van de overlay 2D voorloper. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken .

Figuur 2
Figuur 2. Experimentele beelden en conceptuele animaties van belangrijke stappen in de fabricage en assemblage proces. (A) Screenshot van een AutoCAD-panel masker voor dodecaëdervorm voorlopers. (Bc) Optische beelden van 2D precursors, (b) dodecaëders, en (c) microgrippers op een siliciumsubstraat. (D) Uitgebracht dodecaëdervorm netten. Schaal van de balk: 200 pm. (Nl) Conceptuele eennimation van, (ei) de oppervlaktespanning gedreven montage van een dodecaëder, en (JN) dunne film stress gedreven vouwen van een microgripper rond een kraal (Animatie door David Filipiak).

Figuur 3
Figuur 3. Schematische weergave van de belangrijkste fabricagestappen voor de oppervlaktespanning aangedreven samenstel van een kubieke deeltje.

Figuur 4
Figuur 4. Schematische weergave van de belangrijkste fabricage stappen voor de restspanning gedreven vouwen van een zes-cijferige grijpinrichting.

Figuur 5
Figuur 5. Afbeeldingen van origami geïnspireerde zelf-geassembleerde patroon en herconfigureerbare deeltjes.

Discussion

Onze origami geïnspireerde assemblageproces is veelzijdig en kan worden gebruikt voor het synthetiseren van diverse 3D statische en herconfigureerbare deeltjes met uiteenlopende materialen, vormen en afmetingen. Verder is de mogelijkheid om precies patroon sensoren en elektronische modules op deze deeltjes is belangrijk voor optiek en elektronica. In tegenstelling tot fragmentarisch deeltjes gevormd door andere methoden, waar patronen betrekkelijk onnauwkeurig Deze werkwijze biedt de mogelijkheid om precies gevormde deeltjes te synthetiseren. In oppervlaktespanning gebaseerde montage, het gebruik van vloeibaar afdichting scharnieren zodat de deeltjes goed afgesloten en mechanisch star na montage (bij afkoeling). Eerder hebben we geconstateerd dat de naden zijn lekdicht, zelfs voor kleine moleculen 39,40. Elektrodepositie van een dunne laag Au na montage kunnen aanvullende sterkte en verbeteren de lekvrije aard van de naden. De dunne film stress based vouwen is nuttig voor toepassingen waarbij stimuli responsieve vouwen vereist zoals in microgrippers die zijn gebruikt voor het uitvoeren in vitro en in vivo biologische bemonstering en in pick-and-place operaties in robotica. De specifieke methode beschreven kan worden gebruikt om herconfigureerbare microgrippers dat eenmaal dicht maken, kan de juiste keuze van materialen en methoden spanning manipuleren bilagen worden gebruikt om ook grijpinrichtingen die kunnen worden omgevormd over meerdere cycli 37, 41. Het hoogtepunt van het gebruik van de restspanning op de macht van deze apparaten is dat ze geen tuiers of draden nodig en hebben dus een uitstekende manoeuvreerbaarheid aan activering in te schakelen in moeilijk bereikbare plaatsen. Verder kan door een geschikte keuze van polymère triggers kan stimuli-responsieve gedrag ingeschakeld met verschillende stimuli waaronder enzymen 42 tot autonome functie van belang zijn robotica en chirurgie mogelijk.

Disclosures

Geen belangenconflicten verklaard.

Acknowledgments

Wij erkennen de financiering van de NSF door middel van subsidies CMMI 0854881 en CBET 1066898. De auteurs danken Matthew Mullens voor nuttige suggesties.

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

Chemie Chemische Technologie cel-en gentechnologie Materiaalkunde Natuurkunde nanotechnologie moleculaire zelf-assemblage elektrochemie vouwen drie dimensionale lithografie colloïde fragmentarisch deeltjes deeltjes nanodeeltjes robotica drug delivery microfabricage nanofabricage nano- montage- synthese reactie origami
Origami Inspired Zelf-assemblage van Patterned en Herconfigureerbare Deeltjes
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