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 inspirerade självorganisering av Mönstrade och omkonfigurerbara partiklar

Published: February 4, 2013 doi: 10.3791/50022
Automatic Translation
1, 1, 1,2
1Department of Chemical and Biomolecular Engineering, The Johns Hopkins University, 2Department of Chemistry, The Johns Hopkins University

Summary

Vi beskriver experimentella detaljer om syntesen av mönstrade och omkonfigurerbara partiklar från tvådimensionella (2D) prekursorer. Denna metod kan användas för att skapa partiklar i en mängd olika former, inklusive Polyhedra och gripande enheter på längdskalor från mikro till centimeter skala.

Abstract

Det finns många tekniker såsom fotolitografi, elektron-stråle litografi och mjuk-litografi som kan användas för att exakt mönster tvådimensionell (2D) strukturer. Dessa tekniker är mogna, erbjuda hög precision och många av dem kan implementeras i en hög genomströmning sätt. Vi utnyttjar fördelarna med plana litografi och kombinera dem med egen fällbara metoder 1-20 där fysiska krafter som härrör från ytspänning eller restspänningar, används för att kurvan eller vika plana strukturer i tre dimensioner (3D) strukturer. På så sätt gör vi det möjligt att massproducera exakt mönstrad statiska och omkonfigurerbara partiklar som utmanar att syntetisera.

I detta dokument, visualiseras vi detalj experimentella protokoll för att skapa mönstrade partiklar, framför allt (a) permanent bundna, ihålig, Polyhedra att själv montera och självtätande grund av minimering av ytenergi för flytande gångjärn 21-23och (b) gripdon som själv-faldig grund restspänningar drivna gångjärn 24,25. Den specifika protokoll som beskrivs kan användas för att skapa partiklar med totala storleken sträcker sig från mikrometer till centimeter längdskalor. Vidare, kan godtyckliga mönster definieras på ytorna av partiklarna av betydelse i kolloidal vetenskap, elektronik, optik och medicin. Mer allmänt är begreppet självorganiserande mekaniskt styva partiklar med självtätande gångjärn tillämpliga, med vissa process ändringar, till skapandet av partiklar vid ännu mindre, 100 nm längdskalor 22, 26 och med en rad olika material, inklusive metaller 21 , halvledare 9 och polymerer 27. När det gäller restspänningar drivna aktivering av omkonfigurerbara gripande enheter, använder vår specifikt protokoll krom gångjärn av betydelse för enheter med storlekar från 100 nm till 2,5 mm. Men mer allmänt begreppet sådan tjuder utan restspänningardriven påverkan kan användas med alternativa hög stress material såsom heteroepitaxially avsatta halvledarfilmer 5,7 till eventuellt skapa ännu mindre nanoskala greppande anordningar.

Protocol

Vi beskriver först en allmän protokoll som kan användas för att tillverka mönstrade, förseglade partiklar och rekonfigurerbara greppande anordningar. Tillsammans med det allmänna protokollet, tillhandahåller vi en specifikt, visualiseras exempel för både tillverkning av förseglade dodekaedriska partiklar och omkonfigurerbara microgrippers.

1. Mask Förberedelser och Regler Design

  1. Vanligen minst två mask set behövs en för regioner som inte böjer eller kurva (styva paneler) och den andra för regioner som böj, kurva eller tätning (gångjärn). Ytterligare masker kan användas för att definiera ytan mönster av porer, molekylära plåster, optiska eller elektroniska element. Masker kan utformas med hjälp av olika tvådimensionella vektorgrafik program som AutoCAD, Adobe Illustrator, FreeHand MX eller Layout Editor.
  2. Empiriska studier tyder på följande optimala konstruktionsregler för generering masker som kan användas för den drivna ytspänningen vikning av en polyhedron av sidans längd L.
    1. För en viss geometri polyedrisk, måste det antal paneler först bestämmas. Till exempel har en kub sex fyrkantiga paneler medan en dodekaeder har tolv pentagonal paneler.
    2. Den högavkastande tvådimensionell arrangemang av paneler, även kallad en nät måste räknat ut. Nät som har den lägsta tröghetsradie och största antal sekundära vertex anslutningar vanligtvis montera med den högsta avkastningen. De optimala nät för olika Polyhedra som kuber, oktaedrar, dodecahedra, trunkerade oktaedrar, icosahedra, publiceras 23, 28.
    3. I panelen masken bör panelerna enligt Polyhedra dras som nät och de närliggande panelerna bör vara placerade med ett mellanrum av bredd som är ungefär 0.1L. Registry märken behövs för efterföljande anpassning gångjärnet masken.
    4. I gångjärnet masken, båda vikbara gångjärn (mellan panelerna) och låsande eller tätning gångjärn (vid kanterna av panelerna)måste definieras. Folding gångjärn ska ha längder 0,8 L och bredd av 0,2 L, medan täta gångjärn i utkanten av panelerna bör ha längder 0,8 L och bredder 0.1L med ett överhäng på 0.05L (figur 1 ac). Särskild försiktighet måste vidtas för att säkerställa att panelen och gångjärn masker överlägg med registret. Med denna design regel, har vi kunnat syntetisera partiklar med storlekar från 15 pm till 2,5 cm.
    5. Volymen av ett gångjärn som styr de fällbara vinklar, och för en given bredd gångjärn, är finita element modellering krävs för att bestämma den nödvändiga tjockleken för gångjärnet. Läsaren hänvisas till publicerade modeller 29-32 för att uppskatta denna tjocklek. Dock är den attraktiva inslag i vår strategi att använda låsa eller tätning gångjärn som ger betydande fel-tolerans vid själva vikning. Därför, när tätnings gångjärn används, är monteringsprocessen tolerant mot avvikelser i gångjärn volymer, så att de endast ungefär targeted. På grund av betydande kooperativitet vid montering, har även dodecahedra med vikning vinklar av 116,57 ° har massproducerade. Vidare, stympad oktaedrar har två olika dihedrala vinklar av 125,27 ° och 109,47 ° men kan monteras med samma gångjärn volymer. En annan fördel med de tätande gångjärnen är att gångjärnen intill varandra smälter samman vid upphettning under vikningsprocessen, skapar tättslutande, sömlösa och stela partiklar vid kylning.
  3. Empiriska studier tyder följande optimala konstruktionsregler för masker microgrippers som fälls på grund av restspänningar drivna gångjärn. För en microgripper av spets-till-spets längd (D) av 600-900 um, är gångjärnet spalten (g) typiskt runt 50 | im (figur 1 df), medan för mindre microgrippers med en D av 300 um, en mindre g cirka 25 | im bör utnyttjas. Gångjärnens spaltmåtten beror på stress, tjocklek och elastisk conteNTS de underliggande filmer och flerskiktade analytiska lösningar kan användas för att grovt uppskatta omfattningen av fällbara 25,33. Exakt mätning av spänningar och finita element modellering krävs för att exakt simulera vikning. Empiriska studier tyder på att cirka 100 | im är den nedre gränsen för partiklarna med stressade krom gångjärn.
  4. Efter att utforma layouten bör maskerna skrivas ut på OH-film med hög upplösning skrivare antingen i egen regi eller genom olika kommersiella butiker (Figur 2a). Normalt bör OH-film endast användas med minsta karaktäristisk storlek 6 pm, medan krom masker behövs för konstruktioner med mindre gångjärn luckor eller funktioner. Den typiska filformat som krävs för att beställa kommersiella masker är ". Dxf".

2. Substrat Förberedelser

  1. Plana substrat såsom glasskivor eller rån kisel behöver användas.
  2. För god vidhäftning är det important att rengöra och torka substraten. Det är i allmänhet tillräcklig för att rengöra substraten med metanol, aceton och isopropylalkohol (IPA), torka dem med kväve (N 2) och sedan värma dem på en värmeplatta eller i en ugn vid 150 ° C under 5-10 min.

3. Avsättning av offerskiktet

För att frigöra mallar från substratet efter mönstring, är ett offerskikt krävs. En mängd olika filmer sammansatta av antingen metall (t.ex. koppar), dielektrika (t.ex. aluminiumoxid) eller polymerer (t.ex. PMMA, PVA, CYTOP etc) kan utnyttjas. När man väljer en uppoffrande film viktiga överväganden är enkel avsättning och upplösning av materialet och etsselektivitet.

4. Mönstring panelerna

  1. Panelerna av partiklarna kan avsättas genom en rad olika sätt. För polymera partiklar, är filmerna avsattes genom spinnbeläggning eller släpp gjutning. Förmetalliska partiklar, elektrolytisk eller termisk avdunstning kan utnyttjas.
  2. För tillverkning av metalliska partiklar, är det nödvändigt att tillsätta ett ledande skikt på offerskiktet substratet för att underlätta elektroavsättning av panelerna och gångjärn.
  3. Panelerna kan mönstras med användning av någon litografisk process, såsom fotolitografi, gjutning, nanoimprintlitografi eller elektronstrålelitografi. En typisk fotolitografi involverar beläggning av ett fotoresistskikt på substratet, då bakning, exponering och framkallning enligt tillverkarens rekommendation. Fotoresister som SPR, AZ eller SC-serien kan användas, alternativt kan panelerna definieras med hjälp fototvärbindbar polymerer såsom SU8, PEGDA eller fototvärbindbar PDMS. Beroende på valet av fotoresist, tjocklek och därmed centrifugeringshastighet, exponeringstid och utveckling tid kommer att behöva justeras.
  4. Efter fotolitografi, beroende på storleken av metalliskt partilarna, kan tjocka paneler bildas genom elektroavsättning, medan tunna paneler kan definieras genom förångning eller förstoftning.
    1. För elektroavsättning av paneler, bör Faradays lagar elektrodeposition och effektiviteten av badet kan användas för att beräkna elektroplätering strömmen baserat på den exponerade totala ytan av panelerna. Typiska strömtätheter för nickel (Ni) och lod (Pb-Sn) plätering är mellan 1-10 mA / cm 2 och 20-50 mA / cm 2 respektive.

5. Mönstring av Gångjärn

Liknande till mönstring av panelerna, så att mönster gångjärn, måste en andra runda av fotolitografi göras med gångjärnet masken (figur 2b-c). Registret märken på panelen och masker gångjärn måste överlagras för att säkerställa korrekt inriktning.

  1. För yta driven spännanordningen, bör materialen för panelerna och gångjärn väljas så att gångjärnet materialet har en lågre smältpunkt än panelerna och därmed panelerna förblir styv medan gångjärnen smälts. Montering sker när mallarna upphettas över smältpunkten hos gångjärnet materialet. Till exempel, i fallet av metalliska partiklar med Ni paneler, vi elektrolytiska Pb-Sn lod på de gångjärn som smälter vid ~ 200 ° C och uppmanar vikningen. Även i fallet med polymera partiklar med SU8 paneler, vi insättning polykaprolakton gångjärn som monterar vid ~ 58 ° C. 27 Processen fungerar bäst när gångjärnet materialet fästs inuti gångjärnet regionen under reflow, dvs inte sprids över hela paneler och inte helt dewet från panelen. Denna nålning kan åstadkommas genom val av material med lämpliga vätningsegenskaper och viskositet.
  2. I fallet med tunna filmens spänning driven själv vikning, bör gångjärnen mönstras innan panelen mönstring. Typiskt måste gångjärnet vara sammansatt av ett differentiellt stressad dubbelskikt,sammansatt av en stressad metall såsom krom (Cr) eller zirkonium (Zr) och en relativt obelastat metall såsom guld (Au) eller koppar (Cu). Till exempel, för microgrippers med ett gångjärn gap av 50 um, använder vi ett dubbelskikt bestående av 50 nm Cr och 100 nm Au. Förutom att differentiellt stressade metalliska dubbelskikt, differentiellt betonade polymerer 34-37, kan SIOX skikt 38 eller epitaxiella halvledare 5 skikt också utnyttjas.
  3. För tunn film stressen driven själv vikning, bör en värmekänsliga polymera trigger lager användas för att begränsa enheterna så att strukturerna inte vika spontant vid frisättning från underlaget. Lämpligt val av trigger material och tjocklek kan förse enheterna med olika stimuli lyhörda egenskaper. Till exempel, mönstring 1,5 im tjock fotoresist (S1800-serien) i gångjärnsregionen är tillräckligt för att hålla anordningarna platt tills de upphettas till ~ 37 ° C för att utlösa vikningen.

  1. För att frigöra de mönstrade 2D mallar måste offerskiktet att upplösas genom lämpliga etsmedel (figur 2d).
  2. För ytspänning driven montering, de frigjorda plana prekursorer måste upphettas över smältpunkten för gångjärnet materialet. Vid upphettning, blir gångjärnen flytande och prekursorerna montera in lämpligt formade ihåliga partiklar (figur 2e-i).
  3. För tunn film driven stressen vikning, kan vikningen utlösas efter strukturerna frigörs från underlaget och om exponering till rätt stimulans, t.ex. vid uppvärmning, så att avtryckaren mjuknar och inte längre begränsar uppluckring av de stressade tvåskikts gångjärn. Eftersom greppande anordningarna är ferromagnetiska de kan styras och positioneras nära lämplig last och triggas att vika runt den (Figur 2j-n). Det är anmärkningsvärt att vävnad spänsionen kan uppnås med användning av sådana utlöst veckning 25.

Exempel 1. Protokoll för tillverkning av ytspänningen driven själv monterade, permanent bundna, 300 nm storlek ihålig dodecahedra (schematisk i figur 3):

  1. Förbered maskerna som förklaras i steg 1. Vid tillverkning av dodecahedra med 300 fim panelkanten längd, rita en panel mask så att det pentagonala paneler dodekaedern är åtskilda med 30 pm. Rita ett gångjärn mask där vikning och tätning gångjärn har dimensioner av 240 nm x 60 nm och 240 nm x 30 nm respektive.
  2. Förbered ett substrat kiselskiva som förklaras i steg 2.
  3. Spin coat ~ 5,5 nm tjockt skikt av 950 PMMA A11 vid 1.000 rpm, på kiselskivor. Vänta på 3 min och sedan baka den vid 180 ° C under 60 sek.
  4. Användning av en termisk indunstare, deposition 30 nm krom (Cr) som en vidhäftningspromotor och 150 nm koppar (Cu) som than ledande skikt.
  5. Spin coat ~ 10 um tjock SPR220 vid 1.700 rpm på de skivorna. Vänta på 3 minuter.
  6. Utför en upprampning softbake genom att placera skivan på en värmeplatta vid 60 ° C under 30 sekunder. Sedan överföra skivan till ett annat värmeplatta vid 115 ° C under 90 sekunder och sedan tillbaka till 60 ° C under 30 sekunder.
  7. Kyl skivorna vid rumstemperatur och vänta 3 timmar.
  8. Exponera skivorna till panelen masken med ~ 460 mJ / cm 2 UV-ljus (365 nm) och en kvicksilver baserad mask Aligner.
  9. Utveckla i MF-26A utvecklare under 2 min och ändra framkallningslösningen och utvecklas under ytterligare 2 minuter.
  10. Beräkna den totala panelen området och använda den för att beräkna den ström som krävs för att elektrolytiska Ni från en kommersiell nickelsulfamat lösning med en hastighet av ungefär 1-10 mA / cm 2 upp till en tjocklek av 8 um.
  11. Lös fotoresisten med aceton. Skölj skivan med IPA och torka med N 2-gas.
  12. Spin coat ~ 10 fim tjock SPR220 vid 1.700 varv per minut på skivorna. Vänta på 3 minuter.
  13. Utför en upprampning softbake genom att placera skivan på en värmeplatta vid 60 ° C under 30 sekunder. Sedan överföra skivan till en annan värmeplatta vid 115 ° C under 90 sekunder och sedan tillbaka till 60 ° C under 30 sekunder.
  14. Kyl skivorna vid rumstemperatur och vänta 3 timmar.
  15. Exponera skivorna till gångjärnet masken med ~ 460 mJ / cm 2 UV-ljus (365 nm) och en kvicksilver baserad mask Aligner. Se till att registret markeringarna ligger i linje så att gångjärnen är i linje med panelerna.
  16. Utveckla i MF-26A utvecklare under 2 min och ändra framkallningslösningen och utvecklas under ytterligare 2 minuter.
  17. Med hjälp av en diamant fräs, skär skivan i små bitar så att en bit av skivan innehåller ~ 50-60 nät. Coat kanterna av styckena med nagellack.
  18. Beräkna den totala exponerade ledområdet och använda den för att beräkna den ström som krävs för elektrolytiska Pb-Sn lod från en kommersiell lödning pläteringslösning vid en hastighet av lämpligaximately 20-50 mA / cm 2 upp till en tjocklek av 15 | im.
  19. Lös fotoresisten i aceton. Skölj Skivan bitar med IPA och torka med N 2-gas.
  20. Sänk rånet bit i etsmedel APS 100 för 25-40 sekunder att upplösa den omgivande Cu-lagret. Skölj med avjoniserat vatten och torka med N 2-gas.
  21. Sänk rånet bit i etsmedel CRE-473 för 30-50 sekunder att upplösa den omgivande Cr-skiktet. Skölj med avjoniserat vatten och torka med N 2-gas.
  22. Doppa skivan biten i ~ 2-3 ml 1-metyl-2-Pyrollidinone (NMP) och värm vid 100 ° C i 3-5 min tills mallarna frigörs från substratet.
  23. Överföring ~ 20-30 mallar i en liten petriskål och distribuera dem jämnt.
  24. Lägg ~ 3-5 ml NMP och ~ 5-7 droppar Indalloy 5RMA flytande flussmedel.
  25. Värm vid 100 ° C under 5 minuter. I detta steg, rensar Indalloy 5RMA flytande flussmedel och löser eventuellt oxidskikt bildat på lodet och därmed säkerställer god lödning reflow vid upphettning över smältpunkten.
  26. Öka värmeplattan temperaturen till 150 ° C under 5 min och sedan sakta öka den till 200 ° C tills veckning inträffar. När temperaturen höjs till 200 ° C vikning startar efter 5-8 min. Blandningen kan vända brunaktig det börjar brinna.
  27. När dodecahedra har lagt sig, låta skålen svalna. Lägg aceton till skålen, pipett ut vätskan och skölj dodecahedra i aceton och sedan etanol.
  28. Förvara dodekaedriska partiklar i etanol.

Exempel 2. Protokoll för framställning av omställbara, tunn film spänning driven själv fällbara värmekänsliga microgrippers (schematiskt i figur 4):

  1. Förbered maskerna som förklaras i steg 1. Utforma masker så att spets-till-spets längd griporganen är 980 um, med den centrala panelen sidolängd 111 um och gångjärnet gap av 50 um. Typiska gångjärn och panel masker kan utformas similar till figur 1 de.
  2. Förbered kiselskivor som förklaras i steg 2.
  3. Deposition 15 nm Cr vidhäftning och 50-100 nm Cu offer skikt med hjälp av en termisk förångare.
  4. Spin-coat ~ 3 um tjocka S1827 med spinnbeläggare, vid 3000 rpm. Vänta på 3 min och sedan baka skivan vid 115 ° C under 1 min på en värmeplatta.
  5. Exponera ~ 180 mJ / cm 2 UV-ljus (365 nm) med användning av en mask Aligner och gångjärnet masken.
  6. Utveckla för 40-60 sekunder i 5:1 utspätt 351 utvecklare. Skölj med avjoniserat vatten och torka med N 2-gas.
  7. Deposition 50 nm Cr och 100 nm Au med en termisk indunstare. CR-Au fungerar som gångjärn dubbelskiktet med restspänning i Cr-filmen, medan Au filmen är ett bioinert stödskikt.
  8. Lättning fotoresisten i aceton. Använd en sonikator under 3-5 minuter för att fullständigt lättning av överskott metall. Tvätta skivan med aceton och IPA, torka med N 2-gas.
  9. Spin coat ~ 10 ^ m tjock SPR220 vid1.700 rpm på skivorna. Vänta på 3 minuter.
  10. Utför en upprampning softbake genom att placera skivan på en värmeplatta vid 60 ° C under 30 sekunder. Sedan överföra skivan till en annan värmeplatta vid 115 ° C under 90 sekunder och sedan tillbaka till 60 ° C under 30 sekunder. Vänta under 3 timmar.
  11. Exponera fotoresisten vid ~ 460 mJ / cm 2 UV-ljus (365 nm) med användning av en mask Aligner genom panelen masken.
  12. Utveckla i MF-26A utvecklare under 2 min och ändra framkallningslösningen och utvecklas under ytterligare 2 minuter.
  13. Beräkna den totala panelen området och använda den för att beräkna den ström som krävs för att elektrolytiska Ni från en kommersiell nickelsulfamat lösning med en hastighet av ungefär 1-10 mA / cm 2 upp till en tjocklek av 5 pm. Skölj med DI vatten grundligt.
  14. Elektrolytiska eller avdunsta 100 nm Au. Detta skikt hjälper till att skydda Ni från etsmedel används för att avlägsna det skyddande skiktet.
  15. Skala fotoresist med aceton. Skölj skivan med IPA och torka med N 2-gas. Blanda S1813 och S1805 photoresits på 01:05 volymförhållande. Spin belägga blandningen vid 1.800 varv per minut. Vänta på 3 minuter, sedan baka på en värmeplatta vid 115 ° C under 1 minut. Denna fotoresistskiktet fungerar som avtryckaren skiktet.
  16. Exponera ~ 120 mJ / cm 2 UV-ljus (365 nm) på en mask Aligner med gångjärnet masken.
  17. Utveckla för 30-50 sekunder i 5:1 utspätt 351 utvecklare. Skölj med avjoniserat vatten och torka med N 2-gas.
  18. Klipp en bit av skivan med användning av en diamant fräs.
  19. Sänk rånet bit i APS 100 att etsa det underliggande Cu offerskikt. Vänta tills microgrippers är helt frigörs från substratet.
  20. Skölj microgrippers med avjoniserat vatten och förvara i kallt vatten.
  21. Utlösa vikningen genom att placera microgrippers i 37 ° C vatten.

7. Representativa resultat

Representativa resultat i figur 5 visar self-assembled polyedriska partiklar i en mängd shapor samt fällbara microgrippers. Tillverkning och manövrering är starkt parallellt och 3D-strukturer kan tillverkas och utlösas samtidigt. Dessutom kan exakta mönster som exemplifieras av kvadratiska eller triangulära porer definieras i alla tre dimensioner, och på utvalda ansikten om det behövs. De microgrippers kan stängas enligt biologiskt godartade förhållanden så att de kan användas för att skära vävnad eller lastad med biologisk last. Dessutom, eftersom de microgrippers kan göras med ett ferromagnetiskt material, kan de flyttas på avstånd med användning av magnetiska fält.

Figur 1
Figur 1. Konstruktionsregler för syntes av mönstrade partiklar (AC) maskdesign regler för montering av mönstrade polyedriska partiklar,. (A) Schematisk av panelen mask för en polyeder med sidlängd L, (b) schematiskt gångjärnet masken med vikning(0,2 L x 0,8 L) och låsning eller försegling (0,1 L x 0,8 L) gångjärn, och (c) schematiskt den överlagrade 2D prekursor eller netto. (DF) maskdesign regler för egen fällbara microgripper, (d) schematiska av gångjärnet mask för en microgripper med spets till spets längd D, (e) schematiska av panelen masken med gångjärn gap g, och (f) schematiska av den överlagrade 2D föregångaren. Klicka här för att se större bild .

Figur 2
Figur 2. Experimentella bilder och konceptuella animationer av viktiga steg i tillverkning och montering process. (A) Skärmdump av en AutoCAD panel mask för dodekaedriska prekursorer. (Bc) Optiska bilder av 2D prekursorer för, (b) dodecahedra, och (c) microgrippers på ett kiselsubstrat. (D) Utgiven dodekaedriska nät. Skala staplar: 200 um. (Sv) Conceptual ennimation av, (El) ytspänningen driven montering av en dodecahedron, och (JN) tunn film stressen driven vikning av en microgripper runt en pärla (Animation av David Filipiak).

Figur 3
Figur 3. Schematisk illustration av de viktiga tillverkningssteg för ytspänningen drivna montering av en kubisk partikel.

Figur 4
Figur 4. Schematisk illustration av de viktiga tillverkningssteg för restspänning driven vikning av en sexsiffrig greppa enheten.

Figur 5
Figur 5. Bilder på origami inspirerade själv monterade mönstrade och omkonfigurerbara partiklar.

Discussion

Vår origami-inspirerade monteringen är mångsidig och kan användas för att syntetisera en mängd olika 3D statiska och omkonfigurerbara partiklar med ett brett utbud av material, former och storlekar. Vidare, är förmågan att exakt mönster sensorer och elektroniska moduler på dessa partiklar viktiga för optik och elektronik. I motsats till ojämn partiklar som bildas genom alternativa metoder, där mönster är relativt oprecisa, ger denna metod ett sätt att syntetisera exakt mönstrad partiklar. I ytspänning baserad montering, säkerställer användningen av smältning tätande gångjärn att partiklarna är väl förseglade och mekaniskt styv efter monteringen (vid kylning). Tidigare har vi observerat att sömmarna är läckagesäker även för små molekyler 39,40. Elektroavsättning av ett tunt skikt av Au efter montering kan ge ytterligare styrka och förbättra den täta naturen hos sömmarna. Den tunna filmen stressen baserad vikning är användbar för applikationer där stimuli lyhörda vikning krävs, såsom i microgrippers som har använts för att utföra in vitro och in vivo biologisk provtagning och pick-and-place verksamhet i robotik. Medan den specifika metod som beskrivs här kan användas för att skapa omkonfigurerbara microgrippers som bara stänga en gång, kan ett lämpligt val av material och metoder för att manipulera stress i dubbelskikt användas för att också skapa gripande enheter som kan konfigureras över flera-cykler 37, 41. Höjdpunkten av användningen av restspänningar att driva dessa enheter är att de inte kräver några tjuder eller trådar och så har utmärkt manövrerbarhet för att möjliggöra aktivering på svåråtkomliga ställen. Vidare, genom ett lämpligt val av polymera triggers kan stimuli lyhörda beteende aktiveras med en rad stimuli inbegripet enzymer 42 för att möjliggöra självständig funktion av betydelse för robotteknik och kirurgi.

Disclosures

Inga intressekonflikter deklareras.

Acknowledgments

Vi erkänner finansiering från NSF genom bidrag CMMI 0854881 och CBET 1.066.898. Författarna tackar Matthew Mullens för användbara förslag.

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

Kemi kemiteknik biomolekylär teknik materialvetenskap fysik nanoteknik Molecular självorganisering elektrokemi falsning tredimensionell litografi kolloid ojämn partiklar partiklar nanopartiklar robotteknik drug delivery mikrofabrikation nanofabrikation nano montering syntes reaktion origami
Origami inspirerade självorganisering av Mönstrade och omkonfigurerbara partiklar
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