यह आलेख microfluidic प्रक्रिया और पैरामीटर तरल क्रिस्टलीय elastomers से actuating कणों को तैयार करने के लिए वर्णन करता है । इस प्रक्रिया की अनुमति देता है actuating कणों की तैयारी और उनके आकार और आकार की भिन्नता (चिपटा से दृढ़ता से देर से, कोर-शैल, और जानुस् morphologies) के रूप में अच्छी तरह के रूप में actuation की भयावहता.
इस कागज microfluidic प्रक्रिया पर केंद्रित है (और इसके मापदंडों) तरल क्रिस्टलीय elastomers से actuating कणों को तैयार करने के लिए । तैयारी आमतौर पर ऊंचा तापमान पर कम दाढ़ जन तरल क्रिस्टल युक्त बूंदों के गठन में होते हैं । बाद में, इन कण अग्रदूतों केशिका के प्रवाह क्षेत्र में उंमुख और एक crosslinking बहुलकीकरण, जो अंतिम actuating कणों का उत्पादन द्वारा जम रहे हैं । इस प्रक्रिया का अनुकूलन actuating कणों और प्रक्रिया मापदंडों (तापमान और प्रवाह की दर) का उचित परिवर्तन प्राप्त करने के लिए आवश्यक है और आकार और आकार के रूपांतरों की अनुमति देता है (चिपटा से दृढ़ता से morphologies से संबंधित) के रूप में अच्छी तरह के रूप में actuation की भयावहता । इसके अलावा, यह संकुचन करने के लिए बढ़ाव से actuation के प्रकार भिन्न होना संभव है कि केशिका में प्रवाह के दौरान बूंदों को प्रेरित निदेशक प्रोफ़ाइल पर निर्भर करता है, जो फिर से microfluidic प्रक्रिया और उसके मापदंडों पर निर्भर करता है । इसके अलावा, और अधिक जटिल आकार के कणों, कोर-शैल संरचनाओं या जानुस् कणों की तरह, सेटअप का समायोजन करके तैयार किया जा सकता है । रासायनिक संरचना और तरल क्रिस्टलीय elastomer के crosslinking (solidification) के मोड की भिन्नता से, यह भी गर्मी या यूवी की तुलना विकिरण द्वारा ट्रिगर actuating कणों को तैयार करने के लिए संभव है.
Microfluidic syntheses तरल क्रिस्टलीय elastomer के निर्माण के लिए एक प्रसिद्ध विधि बन गए हैं (लचे) पिछले कुछ वर्षों में प्रेरक1,2,3. यह दृष्टिकोण न केवल अच्छी तरह से actuating कणों की एक बड़ी संख्या के उत्पादन में सक्षम बनाता है, लेकिन यह भी आकार और morphologies जो अंय तरीकों से पहुंच नहीं कर रहे है के निर्माण की अनुमति देता है । चूंकि लचे प्रेरक माइक्रो-रोबोटिक्स में कृत्रिम मांसपेशियों के रूप में एक आवेदन के लिए उंमीदवारों का वादा कर रहे हैं, इस तरह के कणों को संश्लेषित करने के लिए नए तरीके इस भविष्य प्रौद्योगिकी के लिए बहुत महत्व के है4।
LCEs में, एक तरल क्रिस्टल (LC) के mesogens एक elastomeric नेटवर्क के बहुलक श्रृंखला के लिए संलग्न है5,6,7,8। बहुलक श्रृंखला के लिए mesogens के संबंध जिससे एक पक्ष के रूप में हो सकता है श्रृंखला, एक मुख्य श्रृंखला, या एक संयुक्त नियंत्रण रेखा-बहुलक9,10,11। crosslinking अंक के बीच की दूरी अभी तक के बीच में बहुलक श्रृंखला के एक मुक्त reउंमुखीकरण की अनुमति पर्याप्त होना चाहिए (वास्तव में, यह किसी भी elastomer, जो उंहें “thermosets” से अंतर के लिए सच है) । इस प्रकार, crosslinking स्थाई या मजबूत गैर आबंध बातचीत12,13,14के कारण प्रतिवर्ती हो सकता है । सामग्री के इस तरह दोनों के गुणों को जोड़ती है, एक तरल क्रिस्टल के अनिसोट्रोपिक व्यवहार एक elastomer के entropic लोच के साथ । अपने तरल क्रिस्टलीय चरण के तापमान रेंज में, बहुलक जंजीरों एक (कम या ज्यादा) को अपनाने तरल क्रिस्टलीय चरण है, जो nematic आदेश पैरामीटर द्वारा quantified है की anisotropy की वजह से बढ़ाया अनुरूपता । जब नमूना nematic से ऊपर लाया जाता है-आइसोट्रोपिक चरण संक्रमण तापमान, anisotropy गायब हो जाता है, और नेटवर्क ऊर्जावान इष्ट यादृच्छिक कुंडल अनुरूप करने के लिए आराम । यह एक macroscopic विकृति की ओर जाता है और इस तरह के actuation5,15। नमूना के हीटिंग के अलावा, इस चरण संक्रमण भी LCEs16,17,18,19में प्रकाश या विलायक प्रसार के रूप में अंय उत्तेजनाओं द्वारा प्रेरित किया जा सकता है ।
आदेश में एक मजबूत विकृति प्राप्त करने के लिए, यह आवश्यक है कि नमूना या तो एक monodomain रूपों या सुविधाओं में कम से crosslinking चरण20के दौरान एकल डोमेन के निर्देशकों की एक पसंदीदा अभिविंयास. लचे फिल्मों के उत्पादन के लिए, यह अक्सर एक बिजली या चुंबकीय क्षेत्र में डोमेन के उन्मुखीकरण के माध्यम से, एक पूर्व पॉलिमर नमूने की खींच द्वारा प्राप्त की है, फोटो-संरेखण परतों की सहायता से या 3 डी मुद्रण के माध्यम से21 ,22,23,24,25,26.
एक अलग दृष्टिकोण केशिका आधारित microfluidic छोटी बूंद जनरेटर के साथ लचे कणों की सतत तैयारी है । तरल क्रिस्टलीय मोनोमर बूंदों एक अत्यधिक चिपचिपा निरंतर चरण में फैलाया, जो बूंदों के आसपास बहती है और ‘ बूंदों की सतह पर एक कतरनी दर लागू होता है । इसलिए, मोनोमर छोटी बूंद के अंदर एक संचलन मनाया जाता है, जो तरल क्रिस्टलीय चरण27के एक समग्र संरेखण का कारण बनता है । इस प्रकार, कतरनी दर पर अभिनय के परिमाण की भयावहता दोनों छोटी बूंद के आकार और आकार पर एक मजबूत प्रभाव है, साथ ही तरल क्रिस्टलीय निदेशक क्षेत्र के उंमुखीकरण पर । ये अच्छी तरह उंमुख बूंदों तो microfluidic सेटअप में आगे बहाव बहुलक हो सकता है । इस प्रकार, अलग आकार के साथ प्रेरक की तैयारी (जैसे, कणों और फाइबर) और कोर-शेल और जानुस् कणों की तरह अधिक जटिल morphologies संभव है28,29,30,31. यह भी चिपटा कणों, जो उनके समरूपता धुरी के साथ विस्तार और उच्च देर से, फाइबर की तरह कणों, जो चरण संक्रमण पर हटना तैयार करने के लिए संभव है । दोनों प्रकार के कणों microfluidic सेटअप की एक ही तरह के साथ बनाया जा सकता है, बस कतरनी दर27अलग से । यहाँ, हम स्वयं निर्मित केशिका-आधारित microfluidic उपकरणों में विभिन्न morphologies के ऐसे लचे प्रेरकों का उत्पादन करने के लिए कैसे का प्रोटोकॉल प्रस्तुत करते हैं ।
लचे बूंदों में mesogen संरेखण और अलग आकार के साथ पॉलिमर की पहुंच के प्रभाव के अलावा, microfluidic दृष्टिकोण आगे लाभ है । एक गैर विलायक या निलंबन बहुलकीकरण३२ में वर्षण की तरह अंय कण निर्माण विधियों की तुलना में (जो एक व्यापक आकार-वितरण के साथ कणों की ओर जाता है), monodisperse कणों (कण आकार की भिंनता का गुणांक < 5%) microfluidics३३,३४का उपयोग कर संश्लेषित किया जा सकता है । इसके अलावा, यह एक प्रवाह द्वारा बूंदों के क्षेत्र समरूपता को तोड़ने के लिए आसान है । इस प्रकार, एक बेलनाकार समरूपता के साथ बड़े कणों सुलभ हैं, जो प्रेरक के लिए आवश्यक है । यह निलंबन बहुलकीकरण३२द्वारा किए गए LC-कणों से अलग है । इसके अलावा, कण आकार अच्छी तरह से कई micrometers से एक सीमा में माइक्रोन के सैकड़ों के लिए microfluidics द्वारा समायोज्य है, और additives आसानी से कणों में या उनकी सतह पर लाया जा सकता है । यही कारण है कि microfluidic कण तैयारी अक्सर दवा वितरण३५ या सौंदर्य प्रसाधनों के विनिर्माण३६जैसे विषयों में प्रयोग किया जाता है ।
इस लेख में प्रयुक्त microfluidic setups सेरा एट अल द्वारा पेश किया गया । ३३ , ३७ , ३८ . ये स्वयं निर्मित कर रहे है और उच्च प्रदर्शन तरल क्रोमैटोग्राफी (HPLC) polytetrafluorethylene (PTFE) ट्यूब और टी जंक्शनों से मिलकर बनता है, साथ ही साथ जुड़े सिलिका केशिकाओं कि एकल चरणों प्रदान करते हैं । इस प्रकार, सेटअप आसानी से संशोधित किया जा सकता है, और एक भागों बस के रूप में वे व्यावसायिक रूप से उपलब्ध है विमर्श किया जा सकता है । एक photoinitiator मोनोमर मिश्रण है, जो एक उपयुक्त प्रकाश स्रोत के उपयोग के लिए-the-मक्खी पर बूंदों की बहुलकीकरण प्रेरित करने के लिए सक्षम बनाता है के लिए जोड़ा जाता है, के बाद वे केशिका छोड़ दिया है । एक तरफ केशिकाओं से विकिरण सेटअप के एक कॉलेस्ट्रॉल को रोकने के लिए आवश्यक है । बहुलकीकरण के अंय प्रकार के बाद ही बहुलकीकरण शुरू छोटी बूंद की केशिका (जैसे, redox प्रक्रियाओं के आधार पर दीक्षा के साथ छोड़ दिया है)३९। हालांकि, फोटो प्रेरित crosslinking बहुलकीकरण और दूर से नियंत्रित करने की क्षमता की त्वरितता के कारण, photoinitiation सबसे लाभप्रद एक है ।
के बाद से है लचे मोनोमर मिश्रण कमरे के तापमान पर क्रिस्टलीय है, पूरे microfluidic सेटअप के एक सावधान तापमान नियंत्रण आवश्यक है । इसलिए, सेटअप जिसमें छोटी बूंद गठन होता है का हिस्सा एक पानी स्नान में रखा जाता है । यहां, बूंदें मिश्रण के आइसोट्रोपिक पिघल में उच्च तापमान पर बनते हैं । अभिविंयास के लिए, बूंदों तरल क्रिस्टलीय चरण में ठंडा किया जाना चाहिए । इसलिए, बहुलकीकरण ट्यूब एक गर्म प्लेट जो नियंत्रण रेखा के निचले तापमान रेंज के लिए सेट किया गया है पर रखा गया है-चरण (चित्र 1) ।
यहां, हम एक प्रवाह में लचे के निर्माण के लिए एक लचीला और सरल विधि का वर्णन । इस प्रोटोकॉल एक कुछ ही मिनटों में जानुस् और कोर-खोल कणों के रूप में के रूप में अच्छी तरह से एकल कणों के संश्लेषण के लिए microfluidic सेटअप बनाने के लिए आवश्यक कदम प्रदान करता है. अगला, हम वर्णन कैसे एक संश्लेषण चलाने के लिए और ठेठ परिणाम दिखाने के साथ ही actuating कणों के गुण. अंत में, हम इस विधि के लाभों पर चर्चा और क्यों हमें लगता है कि यह लचे के क्षेत्र में प्रगति लाने के लिए हो सकता है ।
हम लचे microactuators का उत्पादन करने के लिए एक microfluidic दृष्टिकोण के माध्यम से अलग morphologies के साथ कणों के निर्माण का वर्णन किया है । इस प्रयोजन के लिए, केशिका आधारित microfluidic setups बनाया गया था जो छोटी बूंद गठन परिभाषित तापमान पर photopolymerization द्वारा पीछा अनुमति देते हैं ।
यहां, एक सफल संश्लेषण की एक महत्वपूर्ण पहलू सेटअप के बढ़ते सही है । एकल भागों के बीच सभी कनेक्शन ठीक से तरल पदार्थ के किसी भी लीक को रोकने के लिए ठीक किया जाना चाहिए, और डिवाइस कॉलेस्ट्रॉल को रोकने के लिए हर संश्लेषण से पहले साफ होना चाहिए. यह भी महत्वपूर्ण है कि प्रयोग यूवी मुक्त शर्तों के तहत किया जाता है, के बाद से, अंयथा, मोनोमर मिश्रण के समय से पहले बहुलकीकरण और इस तरह फिर से सेटअप के कॉलेस्ट्रॉल परिणाम होगा ।
इस दिन के लिए, microfluidic दृष्टिकोण यहां वर्णित केवल actuating लचे कणों का उत्पादन करने में सक्षम तरीका है । इसके द्वारा, microfluidic प्रक्रिया एक ही समय में दो आवश्यकताओं को पूरा करती है । समान आकार की एक भीड़ के निर्माण के अलावा सूक्ष्म वस्तुओं, तरल क्रिस्टलीय निदेशक के एक अभिविंयास इन कणों में प्रेरित है । इसके अलावा, यह एक काफी सरल प्रक्रिया है के बाद से एक ही कदम में संश्लेषित किया जा सकता है की एक बड़ी संख्या । अंय तरीकों को लागू करने, mesogens के उंमुखीकरण आमतौर पर नमूने की खींच या फोटो संरेखण परतों के आवेदन की तरह एक अतिरिक्त कदम की आवश्यकता है । इसके अतिरिक्त, इन प्रक्रियाओं मैनुअल, जो कई प्रेरक के उत्पादन का मतलब है बहुत समय लेने वाली है । इसके अलावा, लचे आकृति विज्ञान है-ज्यादातर मामलों में-बहुलक फिल्मों तक ही सीमित है । microfluidic दृष्टिकोण की कमियां कण के आकार की सीमा है (व्यास के रूप में २०० और ४०० µm के बीच मूल्यों के लिए प्रतिबंधित है), जोखिम केशिका कॉलेस्ट्रॉल करने के लिए, और यूवी मुक्त शर्तों में कण की तैयारी के दौरान की आवश्यकता सेटअप ।
पर चिप सिस्टम अक्सर microfluidic कण कपड़े के लिए इस्तेमाल कर रहे है क्योंकि वे आसानी से उत्पादन किया जा सकता है और सिर्फ एक टुकड़ा से बना रहे हैं । इन setups, तथापि, न केवल प्रवाह के दौरान विभिंन तापमान के आवश्यक समायोजित करने की कमी है, लेकिन यह भी काफी लचीला आसानी से भरा या microreactor के टूटे भागों विनिमय नहीं कर रहे हैं । वे महत्वपूर्ण आवश्यकताओं को पूरा करने के रूप में इसलिए, केशिका आधारित setups हम का उपयोग लचे के संश्लेषण के लिए और अधिक उपयुक्त हैं ।
actuating जानुस् के हमारे प्रस्तुत परिणामों से अलग-कणों और कोर-शैल micropumps, और अधिक जटिल actuating नए गुणों की विशेषता कणों भविष्य में संश्लेषित किया जा सकता है और नरम गति अनुप्रयोगों के लिए नई संभावनाओं को खोलने. बहु-उत्तरदायी कणों के लिए जानुस् कणों के आगे संशोधन पहले से ही प्रगति में है । इसलिए, हम actuating लचे के अलावा एक दूसरे तापमान उत्तरदायी बहुलक की शुरूआत के लिए लक्ष्य कर रहे हैं । नए कण डिजाइन के लिए आगे की संभावनाएं भी तरल क्रिस्टलीय डाइज-मोनोमर, जो प्रकाश में परिणाम लचे के actuation-कणों17,18के उपयोग से पैदा कर सकते हैं । उस मामले में, हम दोनों एक तापमान उत्तरदायी के रूप में अच्छी तरह से एक तस्वीर actuating हिस्सा युक्त जानुस् कणों के बारे में सोच सकते हैं । प्रकाश चालित कोर-शैल कणों या पाइप की तरह संरचनाओं के संश्लेषण एक और संभव कण डिजाइन प्रदान करता है, जो फोटो उत्तरदायी micropumps के लिए नेतृत्व करेंगे. सिद्धांत microfluidic प्रक्रियाओं जो हम ऊपर प्रस्तुत नए प्रेरक की एक किस्म की अनुमति चाहिए के संशोधन ।
The authors have nothing to disclose.
लेखक इस काम (Ze 230/24-1) के वित्तपोषण के लिए जर्मन विज्ञान फाउंडेशन धंयवाद ।
NanoTight fitting for 1/16'' OD tubings | Postnova_IDEX | F-333N | |
NanoTight ferrule for 1/16'' OD tubings | Postnova_IDEX | F-142N | |
PEEK Tee for 1/16” OD Tubing | Postnova_IDEX | P-728 | T-junction |
Female Fitting for 1/16” OD Tubing | Postnova_IDEX | P-835 | female luer-lock |
Male Fitting for 1/8” OD Tubing | Postnova_IDEX | P-831 | male luer-lock |
Female Luer Connectors for use with 3/32” ID tubings | Postnova_IDEX | P-858 | for the syrringe's tip |
NanoTight FEP tubing sleeve ID: 395 µm OD: 1/16'' | Postnova_IDEX | F-185 | |
Fused Silica Capillary Tubing ID: 100 µm OD: 165 µm | Postnova | Z-FSS-100165 | glass capillary |
Fused Silica Capillary Tubing ID: 280 µm OD: 360 µm | Postnova | Z-FSS-280360 | glass capillary |
‘‘Pump 33’’ DDS | Harvard Apparatus | 70-3333 | syringe pump |
Precision hot plate | Harry Gestigkeit GmbH | PZ 28-2 | |
Stereomicroscope stemi 2000-C | Carl Zeiss Microscopy GmbH | 455106-9010-000 | |
Mercury vapor lamp Oriel LSH302 | LOT | Intensity: 500 W | |
Teflon Kapillare, 1/16'' x 0,75mm | WICOM | WIC 33104 | teflon tube |
Teflon Kapillare, 1/16'' x 0,50mm | WICOM | WIC 33102 | teflon tube |
Teflon Kapillare, 1/16'' x 0,17mm | WICOM | WIC 33101 | teflon tube |
Silicion oil 1.000 cSt | Sigma Aldrich | 378399 | |
Silicion oil 100 cSt | Sigma Aldrich | 378364 | |
1,6-hexanediol dimethacrylate | Sigma Aldrich | 246816 | Crosslinker |
Lucirin TPO | Sigma Aldrich | 415952 | Initiator |
Polarized optical microscope BX51 | Olympus | For analysis | |
Hotstage TMS 94 | Linkam | For analysis | |
Imaging software Cell^D | Olympus | For analysis |