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Chemistry

सहसंयोजक कार्बनिक फ़्रेमवर्क (सीओएफ) के माइक्रोफ्लुइडिक-आधारित संश्लेषण: सीओएफ फाइबर्स के सतत उत्पादन और सतह पर डायरेक्ट प्रिंटिंग के लिए एक उपकरण

doi: 10.3791/56020 Published: July 10, 2017

Summary

हम सहसंयोजक कार्बनिक फ़्रेमवर्क (सीओएफ) के संश्लेषण के लिए एक उपन्यास माइक्रोफ्लुइड-आधारित विधि पेश करते हैं। हम यह दर्शाते हैं कि इस दृष्टिकोण का उपयोग सीओएफ फाइबर लगातार सृजन करने के लिए और सतहों पर 2 डी या 3 डी सीओएफ संरचनाओं के लिए भी किया जा सकता है।

Abstract

सहसंयोजक कार्बनिक फ़्रेमवर्क (सीओएफ) झरझरा सहसंयोजक सामग्रियों का एक वर्ग है जो अक्सर बिना असंयदेय क्रिस्टलीय पाउडर के रूप में संश्लेषित होते हैं। 2005 में पहली सीओओफ़ की इसकी तैयारी के लिए नए सिंथेटिक मार्गों की स्थापना पर केन्द्रित बहुत प्रयास किया गया था। तिथि करने के लिए, COF संश्लेषण के लिए सबसे अधिक उपलब्ध सिंथेटिक विधियां सोलवॉथर्मल स्थितियों के तहत थोक मिश्रण पर आधारित हैं। इसलिए, सीओएफ संश्लेषण के लिए व्यवस्थित प्रोटोकॉल विकसित करने में रुचि बढ़ रही है जो प्रतिक्रिया की स्थिति पर बेहतर नियंत्रण प्रदान करती है और सतहों पर सीओओफ़ प्रोसेसिबिलिटी में सुधार करती है, जो व्यावहारिक अनुप्रयोगों में उनके उपयोग के लिए आवश्यक है। इस बीच, हम सीओएफ संश्लेषण के लिए एक उपन्यास माइक्रोफ्ल्युडायलिक-आधारित पद्धति पेश करते हैं, जहां दो घटक निर्माण ब्लॉकों, 1,3,5-बेंजेनेटिकारबैल्डिहाइड (बीटीसीए) और 1,3,5-टीआरआई (4-एमिनोफेनिइल) बेंजीन (टीएपीबी) के बीच प्रतिक्रिया, नियंत्रित प्रसार की स्थिति के तहत होता है और कमरे के तापमान पर। इस तरह के एक दृष्टिकोण का उपयोग स्पंज की तरह, रोता हैसीओएफ सामग्री के लम्बाइन फाइबर, इसके बाद एमएफ-सीओएफ कहा जाता है एमएफ-सीओएफ के यांत्रिक गुणों और दृष्टिकोण की गतिशील प्रकृति, एमएफ-सीओओफ़ फाइबर के निरंतर उत्पादन और सतहों पर उनकी प्रत्यक्ष प्रिंटिंग की अनुमति देते हैं। सामान्य विधि नए संभावित अनुप्रयोगों को लचीला या कठोर सतहों पर 2 डी या 3 डी सीओएफ संरचनाओं के उन्नत मुद्रण की आवश्यकता होती है।

Introduction

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सहसंयोजक कार्बनिक फ़्रेमवर्क (सीओएफ) एक भरोसेमंद और क्रिस्टलीय सामग्री का एक अच्छी तरह से स्थापित वर्ग है जिसमें कार्बनिक निर्माण ब्लॉकों को सहसंयोजक बंध 1 , 2 , 3 , 4 , 5 द्वारा मजबूती से एक साथ रखा जाता है। सीओओफ़ विशेष रूप से सुपरमौलेक्युलर रसायन शास्त्र सिद्धांतों के बाद इकट्ठा होते हैं, जहां घटक आणविक इमारत ब्लॉकों का चयन अंतिम और पूर्वनिश्चित झरझरा विधानसभा को परिभाषित करने के लिए किया जाता है। इस तरह के दृष्टिकोण से सामग्री के संश्लेषण को नियंत्रित और आज्ञाकारी ढांचे ( जैसे , परिभाषित छिद्र आयामों के साथ) और रचना 3 , 6 , 7 , 8 के साथ अनुमति देता है । अन्य झरझरा सामग्री की तुलना में, सीओएफ अद्वितीय हैं क्योंकि वे प्रकाश तत्वों (सी, एच, बी, एन और ओ) के शामिल हैं और ट्यून करने योग्य पोंरो हैं 1 सीटियां , 5 इन अनोखी और आंतरिक विशेषताओं से प्रेरित, सीओएफ का रासायनिक विभेद 9 , गैस भंडारण 10 और उत्प्रेरक 11 , सेंसर 12 , ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक 13 , स्वच्छ ऊर्जा प्रौद्योगिकियों 14 और विद्युत रासायनिक ऊर्जा उपकरणों 15 में संभावित आवेदन के लिए मूल्यांकन किया गया है।

आज तक, सीओएफ सामग्रियों की तैयारी के लिए इस्तेमाल किए जाने वाले बहुमत वाले तरीकों से सल्वोथर्मल आत्म-संघनन और सह-संक्षेपण प्रतिक्रियाओं पर आधारित होते हैं, जहां उच्च तापमान और दबाव मानक होते हैं। हालांकि सीओओफ़ ऊष्माय रूप से मजबूत हैं, वे आमतौर पर सीमित प्रक्रियाक्षमता से पीड़ित हैं, यानी , सीओएफ आम तौर पर अघुलनशील और अनुपयोगी क्रिस्टलीय पाउडर हैं, और यह काफी संभावित और व्यावहारिक अनुप्रयोगों में उनके उपयोग को सीमित करता हैSs = "xref"> 2 , 6 , 8 , 16 , 17 सीओओफ़ संश्लेषण में किए गए उल्लेखनीय प्रगति के बावजूद, क्षेत्र में एक बड़ी चुनौती, उपयुक्त प्रतिक्रिया स्थितियों ( जैसे , तापमान और दबाव) में सीओएफ की तैयारी को सक्षम करने के लिए एक विधि विकसित करना है, जिससे सतहों पर उनकी प्रोसेसिबिलिटी की सुविधा मिल सकती है।

हाल ही में, अध्ययनों से पता चला है कि शिफ-बेस केमिस्ट्री का इस्तेमाल कमरे के तापमान पर आईएमआईएन-आधारित सीओओफ़ को संश्लेषित करने के लिए किया जा सकता है। सीओएफ ने आरटी-सीओओएफ -1 नामित उत्पादन किया, 1,3,5-ट्राइस (4-एमिनोफेनिइल) बेंजीन (टीएपीबी) और 1,3,5-बेंजेनेटिकारबैल्डिहाइड (बीटीसीए) 17 ( चित्रा ) के बीच तेजी से और कुशल प्रतिक्रिया के कारण फॉर्म। 1 ए )। इस सिंथेटिक पद्धति की प्रभावशीलता को लिथोग्राफी का उपयोग करते हुए दोनों कठोर और लचीली सतहों पर माइक्रोन और आरटी-सीओएफ -1 के submicron पैटर्न की प्रत्यक्ष छपाई द्वारा प्रदर्शित किया गया थाइंकजेट प्रिंटिंग तकनीक हाल ही में, और माइक्रोफ्लुइडिक्स का इस्तेमाल करने के लिए हमने एमआईएफ-सीओएफ 6 नामक एक ही आईमैने-आधारित सीओएफ के फाइबर के लगातार संश्लेषण के लिए एक प्रभावी दृष्टिकोण का प्रदर्शन किया है। सीओएफ 18 की पीढ़ी के लिए अन्य रिपोर्ट सिंथेटिक दृष्टिकोण के विपरीत, यह माइक्रोफ़्लुइड-आधारित सिंथेटिक पद्धति कुछ सेकंड के भीतर परिवेश के तापमान और दबावों पर एमएफ-सीओओफ़ फाइबर के तीव्र संश्लेषण को सक्षम करती है। इसके अलावा, और संश्लेषित एमएफ-सीओओफ़ फाइबर की यांत्रिक स्थिरता के कारण, हमने यह दर्शाया है कि इस तरह की माइक्रोफ़्लुइड-आधारित पद्धति सतहों पर 2 डी और 3 डी संरचनाओं के प्रत्यक्ष मुद्रण को कैसे सक्षम कर सकती है। इस प्रकार, हम यह प्रदर्शित करते हैं कि इस पद्धति का उपयोग विभिन्न रासायनिक और भौतिक गुणों वाले विभिन्न सतहों पर COF संरचनाओं को आकर्षित करने के लिए किया जा सकता है। हम मानते हैं कि इस उपन्यास पद्धति ने विभिन्न दिशाओं और विभिन्न सतहों पर सीओएफ की अच्छी तरह से नियंत्रित पैटर्न और सीधी मुद्रण के लिए नए रास्ते खोल दिए हैं।

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Protocol

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1. मास्टर मोल्ड निर्माण

  1. 4 इंच सिलिकॉन मास्टर मोल्ड के फोटोलिथैबोग्राफ़िक निर्माण का वर्णन करें, जैसा कि पूर्व में वर्णित है; इस अध्ययन में इस्तेमाल किए गए मास्टर मोल्ड को एक ही प्रोटोकॉल का उपयोग करके गढ़ा गया है।
    नोट: माइक्रो-फ़्लूइड डिवाइस आमतौर पर एक बहु-चरण प्रक्रिया के माध्यम से गढ़े हुए हैं। पहला कदम एक पारंपरिक ड्राइंग सॉफ्टवेयर का उपयोग करके माइक्रोफ़्लुइडिक चैनल का डिज़ाइन है। फिर, उच्च-रिज़ॉल्यूशन फिल्म फोटोमास्क जिसमें माइक्रोफ़्लुइडिक नेटवर्क होते हैं, लगभग 5 माइक्रोन की फीचर परिशुद्धता के साथ उत्पन्न होते हैं। अगला, मास्टर मोल्ड मानक फोटोलिथोग्राफी तकनीकों के माध्यम से 4-सिलिकॉन वेफर पर गढ़े हैं। एसयू -8, एक नकारात्मक फोटोसेसिस्ट, वर्तमान जांच में मास्टर ढालना के निर्माण के लिए नियोजित है। एसयू -8 संरचनाओं की ऊंचाई को हमारे उपकरणों में 50 माइक्रोन के रूप में परिभाषित किया गया है। अंत में, एक सीधे पारदर्शी बहुलक, सामान्यतया पॉलीडिमेट का निर्वाचन करके माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों का निर्माण किया जाता हैहीलसिलोक्सैन (PDMS), मास्टर मोल्ड के खिलाफ

2. एकल-परत माइक्रोफ़्लुइड डिवाइस का निर्माण

नोट: प्रोटोकॉल 70 डिग्री सेल्सियस पर एक ओवन ऑपरेटिंग की आवश्यकता है निर्माण प्रोटोकॉल की शुरुआत करने से पहले ओवन का तापमान 70 डिग्री सेल्सियस पर स्थिर होना चाहिए। निचले तापमान खराब बंधुआ और गैर-कार्यात्मक उपकरणों के कारण हो सकते हैं।

  1. वैक्यूम पंप से सुसज्जित एक डिसेकेटर में गढ़े हुए मास्टर मोल्ड को रखें। फिर, एक ग्लास शीशी में 100 μL क्लोरोटियमथाइलसिलिन डालें और इसे डिसेकेटर के अंदर रखें।
    नोट: सावधानी! क्लोरोटीमैथाइलसिलिन एक संक्षारक, खतरनाक और जहरीले पदार्थ है। तदनुसार, सभी हैंडलिंग चरणों को एक अच्छी तरह हवादार धूआं हुड के तहत किया जाना चाहिए, और उचित सुरक्षात्मक चश्मे, दस्ताने और प्रयोगशाला कोट पहना जाना चाहिए।
  2. डिसेकेटर को बंद करें और वैक्यूम के नीचे रखें (इस प्रयोग में, 51 एमबार)। वाष्पीकृत क्लोरोटीयमथाइल के बयान सुनिश्चित करने के लिए कम से कम 1 घंटे की प्रतीक्षा करेंमास्टर मोल्ड की सतह पर सिलेन 1 घंटे के बाद, हवादार वायुमंडल के हवा वाल्व को वायुमंडलीय दबाव में संतुलित करने और इसे खोलने के लिए खोलें।
    नोट: सावधानी! जैसे ही desiccator खोला जाता है, क्लोरोटीमैथिलसिइलन वाष्प बाहर निकल जाता है; सांस सीधे desiccator से ऊपर न रखें और हमेशा एक हवादार धूआं हुड में उपरोक्त प्रदर्शन करें।
  3. सावधानी से हाथ से साइलैन किए गए मास्टर मोल्ड को बाहर निकालें और डिसेकेटर बंद करें। इसकी सतह पर कणों के बयान से बचने के लिए एक बंद बक्से (या लामिना का प्रवाह हुड के अंदर) में मास्टर मोल्ड स्टोर करें।
    नोट: सभी कार्यवाही चरण एक समान वायु वेग के साथ चलने वाले लामिना का प्रवाह हुड के तहत किया जाना चाहिए।
  4. डिस्पोजेबल कप में पीडीएमएस पूर्व-पॉलिमर और इलाज एजेंट (वजन में 10: 0.9) के मिश्रण को तैयार करें और प्लास्टिक के रंग के साथ सख्ती से मिश्रण करें। एक गाइड के रूप में, एलएस्टोमर के 20 ग्राम और 1.8 ग्राम इलाज एजेंट को चार डीडीएमएस माइक्रोफ़्लुइडिक उपकरणों के लगभग 5 मिमी मोटी बनाना।
  5. कप को अच्छी तरह मिश्रित पीडी युक्त रखेंडीजेस के लिए वैक्यूम के तहत एक डिसेकेटर में एमएस और हवा के बुलबुले को हटा दें। एक बार PDMS degassed है, desiccator खोलें और कप को दूर।
    नोट: इस प्रयोग में, इसे लगभग 51 मिनट में लगभग 30 मिनट लगते हैं
  6. मास्टर मोल्ड पर धीरे-धीरे चार स्क्वायर फ़्रेम ( जैसे , पॉलीटेटफ्लूरोएथीलीन (पीटीएफई) फ्रेम, 24 मिमी x 24 मिमी के भीतर के आयामों के साथ रखें, जैसे कि प्रत्येक मास्टर ढालना पर एक ही नमूनों की संरचना के चारों ओर दीवार बनाते हैं।
  7. जब तक पूर्ण न हो तो तराजू में degassed PDMS डालें और मास्टर मोल्ड के ऊपर। 2 घंटे के लिए 70 डिग्री सेल्सियस पर ओवन में भरे हुए चौकोर फ़्रेमों के साथ मास्टर मोल्ड रखें।
  8. 2 घंटे के बाद, ओवन से मास्टर मोल्ड को हटा दें और कक्ष के तापमान पर ठंडा करने के लिए विधानसभा को छोड़ दें।
  9. संरचित PDMS स्लैब्स (या पीडीएमएस चिप्स) और स्क्वायर फ़्रेम्स को मैन्युअल रूप से मास्टर मोल्ड से अलग करके और स्क्वायर फ़्रेम के बाहर PDMS चिप्स को स्लाइड करके बंद करें।
  10. पंच पर एक 1.5 मिमी बायोप्सी पंचर का उपयोग करके पंच प्रवेश और आउटलेट छेदडिज़ाइन में थका हुआ स्थान, उदाहरण के लिए , माइक्रोफ्लुइडिक चैनलों के अंत में। PDMS के अतिरिक्त टुकड़े को काटें और चिपकने वाली टेप का उपयोग करके संरचित PDMS चिप्स की सतह से किसी भी मलबे को हटा दें।
  11. PDMS चिप्स रखें (खुले चैनल के साथ सामना करना पड़ रहा है) के साथ ही कांच के कवरलिप्स, एक प्लाज्मा जनरेटर के कक्ष में और कक्ष को बंद करें।
  12. वैक्यूम के तहत प्लाज्मा जनरेटर रखो (1.4 यहाँ mbar); 1 मिनट के लिए प्लाज्मा जनरेटर पर स्विच करें
  13. 1 मिनट के बाद, प्लाज्मा जनरेटर को बंद करें, चैम्बर को हवा दें और इलाज किए गए पीडीएमएस चिप्स और कांच के कवरलाप निकाल दें। चैनलों को बंद करने के लिए PDMS चिप्स (संरचित चैनलों के साथ की तरफ से) और कांच के कवरलापों को बांधाएं; इस बिंदु पर एकल परत microfluidic उपकरणों गढ़े हैं।
  14. अंत में, 70 डिग्री सेल्सियस पर एक ओवन में बॉन्डेड माइक्रॉफ़्लिडिक डिवाइस को कम से कम 4 एच के लिए रखें, जो काफी हद तक पीडीएमएस और ग्लास के बीच के संबंध को बढ़ाते हैं।

3. तैयारीमाइक्रोफ्लुइडिक सेट-अप और प्रिस्कर्स सॉल्यूशन के आयन

  1. एसीटिक एसिड में बीटीसीए का 0.040 एम समाधान तैयार करें।
    नोट: सावधानी! एसिटिक एसिड एक खतरनाक, संक्षारक और ज्वलनशील परिसर है और इसकी वाष्प आंखों और श्वसन प्रणाली से अत्यंत परेशान है। तदनुसार, हैंडलिंग चरणों को एक धूआं हुड में किया जाना चाहिए। इसके अलावा, उपयोगकर्ता को एक सुरक्षात्मक प्रयोगशाला कोट, चश्मे और दस्ताने पहनना चाहिए।
  2. एसीटिक एसिड में टीएपीबी का 0.040 एम समाधान तैयार करें।
    नोट: वर्तमान प्रयोगों में प्रयुक्त माइक्रोफ़्लुइडिक डिवाइस में चार इनलेट चैनल ( चित्रा 1 बी और चित्रा 2 ) हैं।
  3. बीटीसीए और टीएपीबी समाधानों को दो अलग-अलग सिरिंजों में लोड करें (5 मिलीलीटर सिरिंजों को 3 एमएल समाधान से भरा हुआ है), सिरिंज पंप पर सीरिंज को जगह और सुरक्षित करें और उन्हें गढ़े हुए माइक्रोफ़्लुइडिक चिप (एक प्रति अभिकर्मक प्रति इनलेट) के दो माध्यमों में जोड़ दें PTFE ट्यूबिंग (0.8 मिमी भीतरी व्यास)।
  4. शुद्ध के साथ दो अन्य सिरिंजों को लोड करेंएसिटिक एसिड (यहां 5 एमएल सिरिंज पूरी तरह भरी हुई है), सिरिंज पंप पर सिरिंजों को सुरक्षित रखें और उन्हें एक ही प्रकार के पीटीएफ टयूबिंग का उपयोग करके माइक्रोफ्लुइडिक चिप के दो तरफ इनलेटों से जुड़ें।
  5. माइक्रोफ़्लुइडिक चिप के आउटलेट के लिए पर्याप्त रूप से लंबे समय तक PTFE टयूबिंग (वर्तमान प्रयोग में, ~ 15 सेमी) कनेक्ट करें। निम्न चरणों में वर्णित अनुसार द्रव प्रवाह को प्रेरित करने के लिए एक कंप्यूटर नियंत्रित सिरिंज पंप का उपयोग करें।

4. एमएफ-सीओओफ़ फाइबर्स के सतत संश्लेषण

  1. सिरिंज पंप का उपयोग प्रत्येक 100 μL / मिनट की प्रवाह दर पर एसिटिक एसिड के दो आवरण प्रवाह को प्रस्तुत करते हैं; म्यान का प्रवाह अभिकर्मक प्रवाह ( चित्रा 2 ) के बाहरी पक्ष पर स्थित है।
  2. 1 मिनट के लिए प्रतीक्षा करें और दो मध्य अभिसरणों (टीएपीबी और बीटीसीए) को दो िमल इनलेट (एक प्रति अभिकर्मक प्रति प्रवेश) के माध्यम से प्रत्येक 50 μL / मिनट की प्रवाह दर पर इंजेक्ट करें स्थिर प्रवाह स्थापित होने तक 1 मिनट तक प्रतीक्षा करें।
  3. पीले तंतुमय microstruct के गठन का निरीक्षण करेंफ्यूचर ट्रांसफर इंफ्रारेड (एफटी-आईआर) स्पेक्ट्रोस्कोपी, मौलिक विश्लेषण और सॉलिड स्टेट 13 सी सीपी-मास-एनएमआर 6 द्वारा पहले एमएफ-सीओएफ के रूप में चिह्नित किया गया है; इन शर्तों के तहत एमएफ-सीओएफ का निर्माण निरंतर नहीं है।
  4. टीएपीबी और बीटीसीए की प्रवाह दर 200 μL / मिनट तक बढ़ाएं और 100 μL / मिनट में एसिटिक एसिड के दो सीथ प्रवाह को बनाए रखें। अब प्रवाह स्थिर होने तक 1 मिनट तक प्रतीक्षा करें। पीले एमएफ-सीओओफ़ फाइबर के एक अत्यधिक केंद्रित निलंबन के निर्माण का निरीक्षण करें, जो अंततः आउटलेट के अवरोध की ओर ले जाता है।
  5. चूंकि चिप और आउटलेट टयूबिंग अब गैर-कार्यात्मक हैं, एक नए चिप का उपयोग करें और इसे 3.3-3.6 के चरणों के अनुसार प्रयोग के लिए तैयार करें।
  6. 100 μL / मिनट की प्रवाह दर पर प्रत्येक एसिटिक एसिड के दो आवरण प्रवाह का परिचय दें और 1 मिनट की प्रतीक्षा करें। प्रत्येक टीएपीबी और बीटीसीए के प्रवाह को 100 μL / मिनट में सेट करें और निरंतर पीले एमएफ-सीओओफ़ फाइबर के गठन का निरीक्षण करें।
  7. पेट्री डिश युक्त एसीट में टयूबिंग के आउटलेट को रखेंआईसी एसिड उदाहरण के लिए, गोल ग्लास पेट्री डिश (व्यास में 60 मिमी) में 10 एमएल का एसिटिक एसिड रखें। एक बार संश्लेषित फाइबर microfluidic डिवाइस के आउटलेट पर स्थित ट्यूब से बाहर निकलता है, तो निरंतर एमएफ-सीओओफ़ फाइबर के बाहर निकलने की सुविधा के लिए सतह पर ट्यूब को स्थानांतरित करें।

5. 2 डी और 3 डी एमएफ-सीओएफ संरचनाओं की डायरेक्ट प्रिंटिंग

नोट: जैसा कि संश्लेषित फाइबर पूरी तरह सजातीय नहीं हो सकता है, निरंतर मुद्रण सुनिश्चित करने के लिए बयान गति को समायोजित किया जाना चाहिए।

  1. अनुभाग 3 में वर्णित अनुसार माइक्रोफ्लुइडिक सेट-अप तैयार करें और 100 μL / मिनट की प्रवाह दर पर सभी चार समाधान इंजेक्षन करें।
  2. 1 मिनट तक प्रतीक्षा करें जब तक कि प्रवाह स्थिर न हो जाए और संश्लेषित एमएफ़-सीओओफ़ फाइबर माइक्रो-फ्लूइडिक डिवाइस के आउटलेट पर स्थित ट्यूब से बाहर निकलता है। एमएफ-सीओओफ़ फाइबर के प्रत्यक्ष मुद्रण के लिए माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस के आउटलेट पर स्थित ट्यूब के बाहर निकलने के बगल में एक साफ सब्सट्रेट तैयार करें।
    नोट: हमारी जांच में, 24 मिमीसभी मुद्रण प्रयोगों के लिए x 76 मिमी कांच के कवरलाप कार्यरत थे।
  3. माइक्रोफ्लिडिक डिवाइस के आउटलेट से जुड़ी ट्यूब को पकड़ो ताकि इसका कांच कांच के कवरलिप से कुछ मिलीमीटर ऊपर हो। एमएफ-सीओओफ़ फाइबर के बाहर निकलने की सुविधा के लिए और एकत्रीकरण से बचने के लिए धीरे-धीरे कांच के कवर पर ट्यूब को स्थानांतरित करें।
  4. एक बार प्रवाह स्थिर हो जाने पर, धीरे-धीरे, एक फ्रीस्टैंडिंग और स्थिर एमएफ-सीओओफ़ फाइबर का निरीक्षण करने के लिए ग्लास कंसलिप से लगभग 2-3 सेमी दूर microfluidic डिवाइस के आउटलेट पर स्थित ट्यूब को उठाएं।
  5. प्रिंटिंग जारी रखने के लिए, ट्यूब का आउटलेट कांच के कंधे की ओर वापस ले जाएं और वांछित 2 डी या 3 डी एमएफ-सीओएफ संरचना को आकर्षित करने के लिए मैन्युअल रूप से सतह पर ट्यूब को ले जाएं।

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Representative Results

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हमारी जांच में उपयोग किए जाने वाले माइक्रोफ़्लुइडिक डिवाइस को पारंपरिक पीडीएमएस प्रतिकृति मोल्डिंग 20 का उपयोग करके निर्मित किया गया है और इसमें चार माइक्रोफ़्लिडिक इनलेट चैनल शामिल हैं जो मुख्य माइक्रोचनल में विलीन हो जाते हैं। अंतिम माइक्रॉफ़्लिडिक डिवाइस में एक संरचित PDMS परत और एक ग्लास कंसलिप का उपयोग किया जाता है जिसका उपयोग छापे हुए माइक्रोचैनल्स को बंद किया जाता है, जैसा कि चित्रा 1 बी में दिखाया गया है।

आकृति 1
चित्रा 1: आणविक बिल्डिंग ब्लॉकों और एकल-परत माइक्रोफ़्लुइडिक डिवाइस। ( ) टीएपीबी और बीटीसीए के रासायनिक संरचनाएं ( बी ) सीओओफ़ फाइबर के संश्लेषण के लिए उपयोग किए गए माइक्रोफ़्लुइडिक डिवाइस के फोटो कृपया इस का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करेंआंकड़ा।

चार इनलेट माइक्रॉफ़्लिडिक चैनल 50 माइक्रोन ऊंचे और 50 माइक्रोग्राम चौड़े होते हैं और एक मुख्य माइक्रॉफ़्लिडिक चैनल 50 माइक्रोन उच्च और 250 माइक्रोग्राम चौड़े में इकट्ठा होते हैं। दो अभिकर्मक प्रवाह (एटीसी एसिड में दोनों बीटीसीए और टीएपीबी) दो मध्य इनपुट चैनलों में इंजेक्शन होते हैं, जबकि शुद्ध एसिटिक एसिड के दो सीथ प्रवाह बहस वाले चैनलों ( चित्रा 2 , संश्लेषण क्षेत्र) में पेश होते हैं। सभी चार प्रवाह मुख्य microfluidic चैनल में इकट्ठा होते हैं, जहां प्रसार नियंत्रण के तहत प्रतिक्रिया होती है। इस काम में, सभी चार इनपुट प्रवाह को 100 μL / मिनट की प्रवाह दर से समायोजित किया जाता है। यह स्थिति, एक तरफ, लगातार एमएफ-सीओओफ़ फाइबर ( सीए 2 एमजी / मिनट सूखे एमएफ-सीओओफ़ फाइबर के उत्पादन दर के साथ) के निर्माण को सुनिश्चित करती है, और दूसरी तरफ, मुख्य माइक्रो्रोफ्लिडिक चैनल दोनों के रुकावट से बचा जाता है साथ ही साथ माइक्रोफ़्लिडिक डिवाइस के आउटलेट पर स्थित ट्यूब। ऐसे अनुकूलित प्रवाह सीऑर्डिडिशन सतहों पर सीधी छपाई के लिए उपयुक्त यांत्रिक गुणों ( चित्रा 2 , मुद्रण क्षेत्र) के साथ निरंतर पीले एमएफ-सीओओफ़ फाइबर के उत्पादन के लिए अनुमति देते हैं।

चित्र 2
चित्रा 2 चित्रा 2: एमएफ-सीओओफ़ फाइबर के संश्लेषण के लिए इस्तेमाल microfluidic सेट अप के योजनाबद्ध उदाहरण। संश्लेषण और छपाई ज़ोन दर्शाए जाते हैं। इस आंकड़े के एक बड़े संस्करण को देखने के लिए कृपया यहां क्लिक करें

हमारे पिछले अध्ययन 6 में विस्तृत रासायनिक लक्षण वर्णन और साथ ही सिंथेटेड एमएफ-सीओओफ़ फाइबर के थर्मल स्थिरता विश्लेषण शामिल हैं। चित्रा 3 चित्रा 3 एटीनुएटेड कुल प्रतिबिंबता एफटी-आईआर (एटीआर-एफटी-आईआर) डेटा को दर्शाता है डी पाउडर एक्स-रे विवर्तन (पीएक्सआरडी) मोनोमर टीएपीबी और बीटीसीए तथा एमएफ-सीओओफ़ फाइबर के पैटर्न। एटीआर-एफटी-आईआर मापन एमएफ-सीओओफ़ फाइबर में एनएएच के खींचने वाले बैंड (3,300-3,500 सेमी -1 ) के गायब होने और 1 9 68 सीएम -1 में स्थित एक नया बैंड की उपस्थिति को इंगित करता है, जो इमीन बांड फॉर्मेशन से मेल खाती है। इसके अलावा, एमएफ़-सीओएफ फाइबर के पीएक्सआरडी डेटा सिम्युलेटेड पैटर्न से अच्छी तरह से तुलना करते हैं। दिलचस्प बात यह है कि एमएफ-सीओएफ के रूपवाचक लक्षण वर्णन से पता चला है कि एमएफ-सीओएफ आरटी-सीओओफ़ -1 (बल्क स्थितियों के तहत संश्लेषित) से भिन्न होता है, उस एमएफ-सीओएफ में अंतर-जुड़े सूक्ष्म और नैनो फाइबर होते हैं, जबकि 3 डी स्पंज जैसी झरझरा संगठन होते हैं आरटी-सीओओफ़-1 फॉर्मेट्स जिनमें कोई परिभाषित माइक्रोस्ट्रक्चर नहीं हैं 17 । यह आकारिकी अंतर एमएफ-सीओएफ में एन 2 सोखना में उल्लेखनीय वृद्धि बताता है, जैसा कि ब्रूनौअर-एम्मेट-टेलर (बीईटी) द्वारा निर्धारित कुल विशिष्ट सतह क्षेत्रों द्वारा प्रदर्शित किया गया है 6

_content "fo: रख-एक साथ। अंदर-पेज =" 1 "> चित्र तीन
चित्रा 3: अभिकर्मकों और एमएफ-सीओओफ़ फाइबर के रासायनिक और संरचनात्मक विश्लेषण ( ) मोनोमर टीएपीबी और बीटीसीए के एटीआर-एफटी-आईआर स्पेक्ट्रा और एमएफ-सीओओफ़ फाइबर ( बी ) पीएक्सआरडी पैटर्न एमएफ-सीओएफ फाइबर (सिम्युलेटेड पैटर्न के साथ) और टीएपीबी और बीटीसीए इस आंकड़े के एक बड़े संस्करण को देखने के लिए कृपया यहां क्लिक करें

इन परिणामों से पता चलता है कि माइक्रोफ़्लुइडिक प्रतिक्रियाओं का उपयोग करने वाले सीओएफ अद्वितीय हैं और वैकल्पिक सिंथेटिक दृष्टिकोण के माध्यम से एमएफ-सीओओफ़ की विशेषताओं और प्रदर्शन को हासिल नहीं किया जा सकता है। एमएफ़-सीओओफ़ के सूक्ष्म संगठन से प्राप्त यांत्रिक गुण, सतहों पर एमएफ-सीओओफ़ फाइबर के conformal मुद्रण की अनुमति देते हैं। चित्रा 4

चित्रा 4
चित्रा 4: कांच सतहों पर 2 डी और 3 डी एमएफ-सीओओफ़ संरचनाएं ( ) लेखन प्रयोगों ("ईटीएच" और "3 डी सीओएफ" शब्दों के साथ ) के साथ - साथ कांच पर ( बी ) दो-आयामी और ( सी ) त्रि-आयामी एमएफ-सीओएफ संरचनाओं के प्रयोगों को छपाई के प्रयोग के चित्र। स्केल सलाखों = 1 सेमी इस आंकड़े के एक बड़े संस्करण को देखने के लिए कृपया यहां क्लिक करें

इसके अलावा, संश्लेषित एमएफ-सीओओफ़ फाइबर के यांत्रिक गुणों, साथ में मुद्रण दृष्टिकोण के सादगी और लचीलेपन के साथ-साथ, चुनाव के लिए अनुमति देते हैंविभिन्न लचीला और कठोर substrates पर एमएफ-सीओएफ के trolled बयान जैसा कि चित्रा 5 में दिखाया गया है, एमएफ-सीओओफ़ कांच, टिशू पेपर, कार्डबोर्ड, एल्यूमीनियम पन्नी और पॉलीस्टाय्रीन जैसे विभिन्न सतहों पर मुद्रित किया जा सकता है।

चित्रा 5
चित्रा 5: विभिन्न substrates पर एमएफ-सीओओफ़ फाइबर की छपाई ( ) ग्लास, ( बी ) टिशू पेपर, ( सी ) कार्डबोर्ड, ( डी ) एल्यूमीनियम पन्नी और ( ) पॉलीस्टीरीन सतहों पर मुद्रित एमएफ-सीओएफ के फोटो। सभी स्केल बार 1 सेमी हैं इस आंकड़े के एक बड़े संस्करण को देखने के लिए कृपया यहां क्लिक करें

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Discussion

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यहां रिपोर्ट की गई माइक्रोफ़्लुइड-आधारित सिंथेटिक पद्धति सतहों पर सीओएफ सामग्री के प्रत्यक्ष मुद्रण के लिए एक उपन्यास और सरल दृष्टिकोण प्रदान करती है। संश्लेषण एक एकल-परत microfluidic डिवाइस का उपयोग करते हुए किया जाता है, जिसमें एक ग्लास कंसलिप के साथ बंधे माइक्रोफ़्लुइडिक PDMS चिप शामिल होता है। माइक्रोफ़्लुइड डिवाइस का निर्माण एक सीएलआईएन मास्टर ढालना के खिलाफ PDMS के पारंपरिक कास्टिंग के माध्यम से प्राप्त किया जा सकता है और बाद में पीडीएमएस को एक गिलास कसलीप के खिलाफ अंकित माइक्रोचैनल के साथ बाँध सकता है।

माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस के सफल विधानसभा के लिए, फोटोलिथोग्राफी के दौरान प्रदूषण और दोष से बचने के लिए क्लीनरूम परिवेश में मास्टर ढालना तैयार करना महत्वपूर्ण है। अनुपयुक्त स्थितियों के परिणामस्वरूप, दोषपूर्ण मास्टर मोल्ड गैर-कार्यात्मक माइक्रोफ़्लुइडिक डिवाइसों को जन्म देगा। इसके अतिरिक्त, पीडीएमएस पूर्व-पॉलिमर का इलाज करने वाला एजेंट, जो कि PDMS की कठोरता को नियंत्रित करता है, का अनुपात मजबूत PDMS डेवी बनाना हैसीईएस अभी भी पर्याप्त लोच है पीडीएमएस चिप के लोच को माइक्रोफ़्लुइडिक डिवाइस के प्रवेश और आउटलेट छेद में PTFE टयूबिंग के स्थिर सम्मिलन को सुविधाजनक बनाने में महत्वपूर्ण है।

माइक्रोफ़्लुइड उपकरणों में उपस्थित लामिनार प्रवाह की स्थिति सह-बहने वाले अभिकर्मक धाराओं के बीच अंतरफलक पर होने वाली रासायनिक प्रतिक्रियाओं पर ठीक नियंत्रण की अनुमति देती हैं। सूक्ष्म और नैनोस्ट्रक्चर के गठन और अलगाव के लिए माइक्रो -फ्लुइड डिवाइस के अंदर उन्नत बनाने के लिए कारकों का उन्नत मिश्रण योगदान देता है जो कि अन्य सिंथेटिक विधियों 6 , 21 , 22 , 23 के माध्यम से उपलब्ध नहीं हैं। वर्तमान अध्ययन में, हम यह भी दिखाते हैं कि माइक्रोफ्लुइडिक संश्लेषण, 3 डी स्पंज जैसी सीओएफ सामग्री का निर्माण कर सकते हैं, जिसमें परस्पर जुड़े रेशेदार माइक्रोस्ट्रक्चर होते हैं, जो परंपरागत थोक कृत्रिम तरीके से प्राप्त होते हैं।

6 से प्राप्त अपेक्षित सीओओएफ के साथ सहमत है। हालांकि, माइक्रोफ्लिडिक संश्लेषण एक मैक्रोस्कोपिक और झरझरा एमएफ-सीओओफ़ फाइबर के गठन की सुविधा प्रदान करता है जो कि विभिन्न सतहों पर लगातार मुद्रित किया जा सकता है। संश्लेषण और प्रत्यक्ष छपाई के लिए यह उपन्यास विधि सीओएफ अनुसंधान में नए अवसर पैदा करती है।

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Disclosures

लेखकों के पास खुलासे के लिए कुछ भी नहीं है।

Acknowledgments

लेखकों ने परियोजना संख्या के माध्यम से वित्तीय सहायता के लिए स्विस नेशनल साइंस फाउंडेशन (एसएनएफ) को स्वीकार किया है। 200021_160174।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
High resolution film masks Microlitho, UK - Features down to 5um
Silicon wafers Silicon Materials Inc., Germany 4" Silicon Wafers Front surface: polished, back surface: etched
Silicone Elastomer KIT (PDMS) Dow Corning, USA Sylgard 184 -
Chlorotrimethylsilane Sigma-Aldrich, Switzerland 386529 ≥97%, CAUTION: Handle it only under fume hood.
Biopsy puncher Miltex GmBH, Germany 33-31A-P/25 1.5 mm
Glass coverslip Menzel-Glaser, Germany BB024040SC 24 mm × 40 mm, #5
Plasma generator instrument Diener Zepto B Frequency: 40 kHz and plasma generator power: 0-30 W
PTFE tubing PKM SA, Switzerland AWG-TFS-XXX AWG 20TFS, roll of 100 m
neMESYS Syringe Pumps Cetoni GmbH, Germany Low Pressure (290N) -
Disposable Cup Semadeni, Switzerland 8323 PS, 200 ml
Plastic Spatula Semadeni, Switzerland 3340 L × W : 135 mm x 14 mm
Disposable Scalpels B. Braun, Switzerland 233-5320 Nr. 20
Disposable Syringes VWR, Switzerland 613-3951 5 ml, Discardit II
Acetic Acid Sigma-Aldrich, Switzerland 695092-500 >=99.7%, CAUTION: Handle it only under fume hood.
1,3,5-benzenetricarbaldehyde Aldrich-Fine Chemicals 753491 97%
1,3,5-Tris(4-aminophenyl)benzene Tokyo Chemical Industry T2728-5G >93.0%

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References

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सहसंयोजक कार्बनिक फ़्रेमवर्क (सीओएफ) के माइक्रोफ्लुइडिक-आधारित संश्लेषण: सीओएफ फाइबर्स के सतत उत्पादन और सतह पर डायरेक्ट प्रिंटिंग के लिए एक उपकरण
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Abrishamkar, A., Rodríguez-San-Miguel, D., Rodríguez Navarro, J. A., Rodriguez-Trujillo, R., Amabilino, D. B., Mas-Ballesté, R., Zamora, F., deMello, A. J., Puigmarti-Luis, J. Microfluidic-based Synthesis of Covalent Organic Frameworks (COFs): A Tool for Continuous Production of COF Fibers and Direct Printing on a Surface. J. Vis. Exp. (125), e56020, doi:10.3791/56020 (2017).More

Abrishamkar, A., Rodríguez-San-Miguel, D., Rodríguez Navarro, J. A., Rodriguez-Trujillo, R., Amabilino, D. B., Mas-Ballesté, R., Zamora, F., deMello, A. J., Puigmarti-Luis, J. Microfluidic-based Synthesis of Covalent Organic Frameworks (COFs): A Tool for Continuous Production of COF Fibers and Direct Printing on a Surface. J. Vis. Exp. (125), e56020, doi:10.3791/56020 (2017).

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