Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Microfluidic utarbeidelse av flytende krystallinsk Elastomer aktuatorer

Published: May 20, 2018 doi: 10.3791/57715
Automatic Translation
*1, *1, 2, 1
1Department of Organic Chemistry, Johannes Gutenberg University, 2CNRS, ICS UPR 22, Université de Strasbourg
* These authors contributed equally

Summary

Denne artikkelen beskriver microfluidic prosessen og parametere for å forberede ventilen partikler fra flytende krystallinsk elastomerer. Denne prosessen gjør at utarbeidelsen av actuating partikler og variasjonen av deres størrelse og form (fra oblate til sterkt spheroid, core-skall og Janus morphologies) og omfanget av aktivering.

Abstract

Denne artikkelen fokuserer på microfluidic prosessen og parametrene forberede ventilen partikler fra flytende krystallinsk elastomerer. Utarbeidelse består vanligvis i dannelsen av dråpestørrelse inneholder lav molar masse flytende krystaller på høye temperaturer. Deretter er disse partikkel prekursorer orientert innen flyt av kapillær og styrket ved en crosslinking polymerisering, som produserer den endelige ventilen partikler. Optimalisering av prosessen er nødvendig for å oppnå de ventilen partiklene og riktig variasjonen av parameterne prosessen (temperatur og flow rate) og tillater varianter av størrelse og form (fra oblate til sterkt spheroid morphologies) samt omfanget av aktivering. I tillegg er det mulig å variere typen actuation fra forlengelse til sammentrekning avhengig av direktør profilen indusert til dråpene under flyten i kapillær, som igjen avhenger microfluidic prosessen og parameterne. Videre kan partikler av mer komplekse former som kjernen-shell strukturer eller Janus partikler, tilberedes ved å justere oppsettet. Variasjonen av den kjemiske strukturen og modus for crosslinking (størkning) av den flytende krystallinsk elastomer er det også mulig å forberede ventilen partikler utløst av varme eller UV-vis bestråling.

Introduction

Microfluidic synteser har blitt godt kjent metode for fabrikasjon av flytende krystallinsk elastomer (LCE) aktuatorer de siste par år1,2,3. Denne tilnærmingen ikke bare kan en rekke godt ventilen partikler, men kan også fabrikasjon av figurer og morphologies som ikke er tilgjengelig med andre metoder. Siden LCE aktuatorer er lovende kandidater for et program bruker kunstig musklene i mikro-robotikk, er nye metoder for å syntetisere slik partikler av stor betydning for denne fremtidige teknologiske4.

I LCEs, er mesogens med flytende krystall (Langbane) knyttet til polymer kjeder av cellegummi nettverk5,6,7,8. Koblingen av mesogens i polymer kjeden kan dermed skje i form av en side-kjede, en hoved-kjede eller en kombinert LC-polymer9,10,11. Avstanden mellom crosslinking punkter bør være langt nok til å tillate en gratis nyorientering av polymer kjeden innimellom (faktisk dette er sant for noen elastomer, som skiller dem fra "thermosets"). Dermed kan crosslinking være faste eller reversibel på grunn av sterk ikke-kovalente interaksjoner12,13,14. Denne type materiale kombinerer egenskapene til begge, Anisotrop virkemåten til flytende krystall med entropic elastisiteten av en elastomer. I temperaturområdet på sin flytende krystallinsk fase vedta polymer kjedene en (mer eller mindre) strukket konformasjon forårsaket av anisotropy av flytende krystallinsk fase, som er kvantifisert ved ordreparameteren nematic. Når prøven er brakt over nematic-til-isotropic fase overgang temperaturen, anisotropy forsvinner, og nettverket slapper til energisk favoriserte tilfeldig coil konformasjon. Dette fører til en makroskopisk deformasjon og dermed aktivering5,15. Foruten oppvarming av prøven, kan denne fasen overgangen også bli indusert av andre stimuli som lys eller solvent spredning i de LCEs16,17,18,19.

For å få en sterk deformasjon, er det nødvendig at prøven enten danner en monodomain eller funksjoner minst en foretrukket retning enkelt domenets styret under den crosslinking trinn-20. For produksjon av LCE filmer oppnås dette ofte ved strekking av et pre polymerized utvalg, via retningen domenene i en elektrisk eller magnetiske felt, ved hjelp av foto-justering lag eller via 3D-utskrift21 ,22,23,24,25,26.

En annen tilnærming er kontinuerlig utarbeidelse av LCE partikler med kapillær-baserte microfluidic slippverktøy generatorer. Flytende krystallinsk monomer dråper er spredt i en svært tyktflytende kontinuerlig fase, som flyter rundt dråpene og bruker et skjær på dråpene overflate. Derfor er en sirkulasjon inne monomer slippverktøyet observert, noe som fører til en generell justering av de flytende krystallinske fase27. Dermed har omfanget av den skjær prisen opptrer på dråpene en sterk innflytelse på både slippverktøyets formen og størrelsen samt retningen på feltet flytende krystallinsk direktør. Disse godt orientert dråper kan deretter bli polymerized videre nedstrøms i oppsettet av microfluidic. Dermed utarbeidelsen av aktuatorer med varierende former (f.eks, partikler og fiber) og mer komplekse morphologies som kjernen-shell og Janus partikler er mulig28,29,30,31. Det er også mulig å forberede oblate partikler, som strekker seg langs deres symmetri aksen og svært spheroid, fiber-lignende partikler, som reduserer på fase overgangen. Begge typer partikler kan gjøres med samme type microfluidic oppsett, bare ved å variere de skjær rate27. Her presenterer vi protokollen av hvordan å produsere slike LCE aktuatorer av forskjellige morphologies i selvtillit produseres kapillær-baserte microfluidic enheter.

Dessuten effekten av mesogen justering i LCE dråper og tilgjengelighet av polymerer med ulike former har microfluidic tilnærminger ytterligere fordeler. Sammenlignet med andre partikkel fabrikasjon metoder som nedbør i en ikke-løsemiddel eller suspensjon polymerisasjon32 (som fører til partikler med en bred størrelsesDistribusjon), monodisperse partikler (variasjonskoeffisienten av partikkel er < 5%) kan syntetiseres bruker microfluidics33,34. Dessuten, er det lett å bryte den sfære symmetrien i dråpene av en flyt. Dermed er store partikler med en sylindrisk symmetrien tilgjengelig, som er nødvendig for aktuatorer. Dette er forskjellig fra LC-partikler laget av suspensjon polymerisasjon32. Videre partikkel er også justerbar av microfluidics i området fra flere micrometers til hundrevis av mikron, og tilsetningsstoffer kan lett bli brakt inn partikler eller på overflaten deres. Dette er grunnen microfluidic partikkel forberedelse brukes ofte i emner som stoffet levering35 eller produksjon av kosmetikk36.

Microfluidic oppsett brukes i denne artikkelen ble introdusert av Serra et al. 33 , 37 , 38 . Disse er selv produseres og består av høy ytelse flytende kromatografi (HPLC) polytetrafluorethylene (PTFE) rør og t-kryss, i tillegg til smeltet silica kapillærene som gir enkelt fasene. Dermed oppsettet kan enkelt endres, og enkelt deler kan bare utveksles som de er kommersielt tilgjengelige. En photoinitiator legges til monomer blandinger, som muliggjør bruk av en passende lyskilde å indusere polymerisasjon av dråper på-the-fly, etter at de forlot av kapillær. Bestråling bortsett fra kapillærene er nødvendig for å hindre en tilstopping av oppsettet. Andre typer polymerisasjon bare starte polymerisasjon etter slippverktøyet har forlatt av kapillær (f.eksmed initiativtakerne basert på redoks prosesser)39. Men på grunn av hurtighet i Foto-indusert crosslinking polymerisasjon og kan fjernstyres, er photoinitiation den mest fordelaktige.

Siden den LCE monomer blandingen er krystallinsk ved romtemperatur, er en forsiktig temperaturkontroll for hele microfluidic nødvendig. Derfor, delen av oppsettet som slippverktøy dannelsen oppstår er plassert i et vannbad. Her, dannes dråpene ved høye temperaturer i isotropic smelte av blandingen. Papirretningen, må dråpene være avkjølt i flytende krystallinsk fase. Derfor er polymerisasjon røret plassert på en varm plate som er satt til lavere temperaturområdet av LC-fase (figur 1).

Her beskriver vi en fleksibel og enkel metode for fabrikasjon av LCE aktuatorer i en strøm. Denne protokollen gir trinn kreves for å bygge microfluidic oppsettet for syntese av enkelt partikler som Janus og kjerne-shell partikler i noen minutter. Deretter beskriver vi hvordan du kjører en syntese og viser typisk utfallet samt egenskapene til ventilen partikler. Til slutt, vi diskutere fordelene med denne metoden og hvorfor vi tror det kan bringe fremdriften til innen LCE aktuatorer.

Protocol

1. syntese av enkelt Actuating LCE partikler

  1. Før du monterer enheten
    Merk: Alle materialer som brukes for microfluidic setup er HPLC forsyning og kommersielt tilgjengelig.
    1. Utstyre et glass vann bad rett [diameter (D): 190 mm, forbindelser: to 29/24 jord glass ledd flensmontering] med to septa. Broach begge septa med en syl å passe en rør med en ytre diameter (OD) på 1/16 tommers gjennom åpne hullet.
    2. Knytte en passende for 1/16 tommers OD rør og den tilsvarende ferrule til slutten av en PTFE tube (rør 1.1. OD: 1/16 tommers, indre diameter (ID): 0,17 mm lengde (L): 5 cm) og stikke tuppen (ca. 1 cm) av en polyimid (pi)-belagt silisium kapillær (ID: 100 µm, OD: 165 µm, L: 7 cm) inn i den.
    3. Skru røret på en av motstanderlaget armene på en polyether Eter keton (kikk) t-kryss for 1/16 tommers OD-rør som er montert på en liten metall tabell. Nå bør av kapillær stikker noen centemeters av t-krysset.
      Merk: PTFE rør kuttes best ved hjelp av et rør cutter. Kapillærene er cleaving stein best å bruke.
    4. Knytte en egnet montering og ferrule til slutten av en andre PTFE tube (rør 1,2. OD: 1/16 tommers, ID: 0,75 mm), som er lang nok til å nå en sprøytepumpe utenfor vannbad, og skru den på den laterale arm av t-krysset.
    5. Stikke en tredje PTFE tube (rør 1.3; OD: 1/16 tommers, ID: 0,17 mm) gjennom en av septa. Rør 1.3 skal være lang nok til å koble en andre sprøytepumpe med rør 1.1 i vannbad. Legge til to kvinnelige luer låser for 1/16 tommers OD rør til ekstra slutten av rør 1.1 og 1.3, henholdsvis.
    6. Forberede en fjerde PTFE tube (polymerisasjon tube 1.4; OD: 1/16 tommers, ID: 0,75 mm) med en passende pluss ferrule og stikke den gjennom den andre septum. Rør 1.4 skal være lang nok til å forlate vannbad og passere en presisjon oppvarming plate. Koble til rør 1.4 via montering til t-krysset gjenværende arm og sted på slutten av glasset kapillær inne i røret.
    7. Sette vannbad på en varm plate utstyrt med et termometer, bruke teip fikse tube 1.4 over presisjonen oppvarming plate og fest en 5 mL hetteglass til slutten av rør 1.4. Koble enden av rør 1.2 en sprøyte fylt med kontinuerlig fase (silikonolje; viskositet: 1.000 m2/s), kobler rør 1.3 til en sprøyte fylt med hydraulikkoljen for monomer fase (silikonolje; viskositet: 100 m2/s) og koble begge sprøyter i en sprøytepumpe.
      Merk: For å koble rørene til sprøyter, barb-til-hunn-luer-lock koblinger for bruk med 3/32 tommers ID rør er best å bruke.
    8. Installere en stereomicroscope med fokus blir satt på av kapillær tips aktivere observasjon av slippverktøy dannelse og montere en UV-lyskilde (f.eks., en 500 W-kvikksølv damp lampe) med lys membran fokusert på tube 1.4.
  2. Utarbeidelse av monomer blandingen
    1. For å forberede monomer blanding40, legge 200 mg (4-acryloyloxybutyl) - 2,5 - di(4-butyloxybenzoyloxy) benzoate til en 50 mL pæreformet kolbe.
    2. Legge til 7,2 mg til 1,6-hexanediol dimetakrylat (10 mol %) og 6.2 mg ethyl(2,4,6-trimethylbenzoyl) phenylphosphinate (photoinitiator, 3 w %) kolbe. Oppløse blandingen i ca 1 mL av diklormetan.
      Merk: Fra trinn 1.2.2., alle trinnene bør utføres under UV lys-gratis forhold (f.eksunder gult lys).
    3. Fjern løsemiddelet fullstendig under vakuum på 313 K og smelte gjenværende solid på 383 K i et bad av olje.
    4. Forberede en sprøyte med barb-til-hunn-luer-lock-kontakt for bruk med 3/32 tommers ID rør og fest en PTFE tube (rør 1,5; OD: 1/8 tommer, ID: 1.65 mm) via en kontakt rør (OD: 1/16 tommers, ID: 0,75 mm). Utarbeide monomer blandingen inn i røret 1.5 ved hjelp av sprøyten.
      Merk: Mengden monomer bør ikke være mindre enn 70 mg. ellers, det blir svært vanskelig å trekke nok monomer blandingen inn i røret 1.5. Protokollen kan pauses her. Eventuelt lagre røret i kjøleskap.
  3. Utarbeidelse av partikler
    1. Knytte en mannlig luer Lås av 1/8 tommer OD rør til begge ender av 1.5 inneholder monomer blandingen. Etterpå koble begge ender av 1.5 med kvinnelige luer låser på endene av rør 1.1 og 1.3.
      Merk: Rør skal være skylles med væsker som sprøyte pumpene før syntese.
    2. Angi vannbads temperaturen til 363 K og angi presisjon oppvarming plate's temperatur til 338 K.
    3. Kontroller av kapillær tips er i midten av polymerisasjon røret 1.5 og ikke touch veggen.
      Merk: Temperaturene gitt her er optimalisert for denne monomer blandingen. Generelt vannbads temperaturen skal være høy nok til å smelte monomer blandingen og varmeplatens temperaturen skal være i temperaturområdet på flytende krystallinsk fase.
    4. Når monomer blandingen er smeltet, sette flow rate av kontinuerlig fase (Qc) til en verdi mellom 1.5 og 2.0 mL/t og velger flow rate prosenter av Qc/qd (Qd = flow rate av hydraulisk olje/monomer fasen) mellom 20 og 200.
      Merk: For strømningshastigheter Qc = 1,75 mL/t og Qd = 0,35 mL/t, godt ventilen partikler med en D på 270 µm er observert, for eksempel.
    5. Etter slippverktøy dannelsen begynner, vent til dråpene er alle samme størrelse før du slår på UV-lyset. For beskrevet monomer blandingen, plasser UV-kilde 1 cm over polymerisasjon tube 1.4 på høyre side av presisjon oppvarming plate. Samle ulike fraksjoner av polymerized partikler i 5-mL hetteglass på slutten av røret 1.4. Mens strømmer under UV-lys, bør den dråpestørrelse fargen endre fra gjennomsiktig hvit.
      Forsiktig: Bruk UV-beskyttelse briller å beskytte øynene.
    6. Legg et skjold (f.eks en papir-boks) mellom lyskilden og vannbad, for å hindre eventuelle tilstopping av av kapillær.
      Merk: Hvis en tilstopping polymerisasjon tube, kan det hjelpe for å varme den tette delen med varmepistol.
    7. Etter alle monomer er fortært, rengjør oppsettet ved å injisere aceton inn røret 1.3.

2. syntese av Core-shell LCE partikler

  1. Montere enheten
    1. Følg trinn 1.1.1. men i stedet bruke en vann bad rett med en D 190 mm.
    2. Knytte en passende og ferrule til begge ender av en fluorholdige etylen propylen (FEP) rør ermet (ID: 395 µm, OD: 1/16 tommers, L: 1,55 tommers), henholdsvis. Først feste en smeltet silica kapillær (ID: 280 µm, OD: 360 µm, L: 8 cm) gjennom ermet, slik at det stikker ca 3 mm av en side. Deretter stikke en tynnere kapillær (ID: 100 µm, OD: 165 µm, L: 11 cm) gjennom større, så at det stikker noen millimeter av lengre siden.
    3. Skru fast på en av motstanderens armene til en titt t-kryss for 1/16 tommers OD rør (t-kryss 1) som er montert på en liten metall tabell, med kortere slutten av den større kapillær nå til t-krysset.
    4. Stikke en PTFE tube (rør 2.1; OD: 1/16 tommers, ID: 0,17 mm) det er lenge nok til å koble en sprøytepumpe med t-kryss 1 gjennom en av vannbads septa. Knytte en passende og ferrule til tuben slutten i vannbad, koble den til t-krysset 1 gratis laterale arm og stikke av tynnere kapillær inne røret 2.1.
    5. Forberede en andre PTFE tube (rør 2.2; OD: 1/16 tommers, ID: 0,5 mm) med en passende og en ferrule og koble den til t-krysset 1 ekstra arm. Holde en annen PTFE tube (rør 2.3; OD: 1/16 tommers, ID: 0,5 mm) gjennom andre hull i septum ved siden av røret 2.1. Rør 2.3 skal være lang nok til å koble en sprøytepumpe med rør 2.2.
    6. Legge til to kvinnelige luer låser for 1/16 tommers OD rør til de ledige endene av rør 2.2 og 2.3 i vannbad, henholdsvis.
    7. Koble gratis slutten av ermet til en av motstanderens armene til en andre titt t-kryss (t-kryss 2) som er også montert på små metall bordet. Forberede en fjerde PTFE tube (rør 2.4; OD: 1/16 tommers, ID: 0,75 mm) med en passende pluss ferrule. Tube 2.4 er lenge nok til å nå en tredje sprøytepumpe utenfor vannbad og koble den til den laterale arm av t-kryss 2.
    8. Forberede en femte PTFE tube (polymerisasjon tube 2.5; OD: 1/16 tommers, ID: 0,75 mm) med en passende pluss ferrule og stikke den gjennom den andre septum. Rør 2.5 bør være lang nok å forlate vannbad og passere høy presisjon oppvarming plate. Koble montering av 2.5 med gjenværende arm t-krysset. Nå finnes glass kapillærene tips inne røret 2.5.
    9. Sette vannbad på en varm plate utstyrt med et termometer, bruke teip fikse tube 2.5 på en presisjon oppvarming plate og fest en 5 mL hetteglass tuben slutten. Koble enden av røret 2.1 å sprøyte fylt med glyserol (indre fase), kobler rør 2.3 å sprøyte fylt med hydraulikkoljen for monomer fase (silikonolje; viskositet: 100 m2/s), koble tube 2.4 å sprøyte fylt med kontinuerlig fase ( silikonolje; viskositet: 1.000 m2/s) og koble alle sprøyter i sprøyten pumper.
    10. Følg trinn 1.1.7., men lese rør 2.5 i stedet for rør 1.4.
  2. Utarbeidelse av monomer blandingen
    1. Følg alle trinnene 1.2.
  3. Utarbeidelse av kjerne-shell partikler
    1. Knytte en mannlig luer lås for 1/8 tommer OD rør til begge ender av rør som inneholder monomer blandingen, henholdsvis. Etterpå koble begge ender av denne tube med kvinnelige luer låser på endene av rør 2.2 og 2.3.
    2. Følg trinn 1.3.2-1.3.4.
    3. Observere den slippverktøy formasjon via stereo mikroskop.

3. syntese av Janus LCE partikler

  1. Montere enheten
    1. Følg trinn 1.1.1.
    2. Knytte en passende og ferrule til begge ender av en FEP rør ermet (ID: 395 µm, OD: 1/16 tommers, L: 1,55 tommers), henholdsvis. Holde to parallellkoblet justert smeltet silica kapillærene (ID: 100 µm, OD: 165 µm, L1: 8 cm, L2: 11 cm) gjennom ermet. Av kort kapillær stikker ca 3 mm av en side på ermet. På den andre siden av ermet har begge kapillærene samme lengde.
    3. Super-lim kapillærene ved å sette noen lim på den ene enden av ermet og vente til det er herdet.
    4. Koble to titt t-kryss Drei ermet på en av motstanderens armene, henholdsvis, og montere både på en liten metall tabell.
    5. Følg trinn 2.1.4-2.1.7.
    6. Forberede en femte PTFE tube (rør 3.5; OD: 1/16 tommers, ID: 0,75 mm, L: 5 cm) med en passende pluss ferrule og koble den med t-kryss 2 gjenværende arm. Begge tips av glass kapillærene er lokalisert inne tube 3.5.
    7. Holde en annen PTFE tube (rør 3.6; OD: 1/16 tommers, ID: 0,5 mm) gjennom den andre septum. Rør 2.6 skal være lang nok til å forlate vannbad og passere en presisjon oppvarming plate. Koble rør 3.5 og 3.6 via montering systemer for 1/16 tommers OD rør.
    8. Sette vannbad på en varm plate utstyrt med et termometer, bruke teip fikse tube 3.6 over en presisjon oppvarming plate og fest en 5 mL hetteglass tuben slutten. Koble enden av røret 3.1 å sprøyte fylt med en vandig monomer blanding (a monomer fase), kobler rør 3.3 å sprøyte fylt med hydraulikkoljen for LC-monomer fase (silikonolje; viskositet: 100 m2/s), koble tube 3.4 å sprøyte fylt med kontinuerlig fase (silikonolje; viskositet: 1.000 m2/s) og koble alle sprøyter i sprøyten pumper.
    9. Følg trinn 1.1.8, men lese rør 3.6 i stedet for rør 1.4.
  2. Utarbeidelse av flytende krystallinsk (Langbane) monomer blandingen
    1. Følg alle trinnene 1.2.
  3. Utarbeidelse av vandig monomer blandingen
    1. Forberede en løsning av 40 wt % akrylamid i destillert vann. Legge 10 mol % av crosslinking agent N, N'-methylenebis(acrylamide) og 2 wt % av den initiatoren 2-hydroxy-2-methylpropiophenone til løsningen. (Begge beløp er forhold til akrylamid.)
      Merk: For å øke viskositeten av vandig monomer blandingen, polyakrylamid kan legges.
    2. Rør blandingen for 24 h på RT og fylle den 1 mL sprøyter, til etterpå.
  4. Utarbeidelse av Janus partikler
    1. Knytte en mannlig luer lås for 1/8 tommer OD rør til begge ender av rør som inneholder LC monomer blandingen, henholdsvis. Etterpå koble begge ender av denne tube med kvinnelige luer låser på endene av rør 3.2 og 3.3.
    2. Følg trinn 1.3.2-1.3.4.
    3. Observere den slippverktøy formasjon via stereo mikroskop.

4. analyse av partikler

  1. Sette partikler på en hot-scenen under en optisk mikroskop koblet til en datamaskin med programvare. Analysere partikler aktivering, ta bilder ved temperaturer over og under fase overgang temperaturen, og måle deres D.
    Merk: En dråpe silikon olje hindrer partikler stikker på objektet lysbildet.
  2. For å beregne partikler clearing temperatur, Bestem temperaturen der partikler mister sin birefringence under et mikroskop med polarisert optisk (POM).

Representative Results

I denne protokollen presenterer vi syntesen av LCE partikler med forskjellige morphologies via en microfluidic tilnærming. Microfluidic oppsett til fabrikasjon av enkelt, core-skall og Janus partikler er vist i figur 129,38,41. En fordel med kontinuerlig produksjon er veldig god kontroll over både størrelsen og formen på partikler. Figur 2 en illustrerer fordelen av enkelt dråpe: en svært smale størrelsesDistribusjon med alle partikler har samme form41. Herved kan størrelsen av kulene enkelt justeres ved å endre forholdet mellom strømningshastigheter av de forskjellige fasene. Etter den protokollen, partikkel diameter mellom 200 og 400 µm kan produseres i en godt kontrollert måte ved å velge flyten rate prosenter, som vist i figur 2b1. Best resultater er oppnådd for strømningshastigheter av kontinuerlig fase (Qc) mellom 1.5 og 2.0 mL/t og flow rate prosenter av QC/qd (Qd = inntakets monomer fasen) mellom 20 og 200. For strømningshastigheter Qc = 1,75 mL/t og Qd = 0,35 mL/t, godt ventilen partikler med en diameter på 270 µm er observert, for eksempel. Hvis høyere prosenter Qc/qd velges, er slippverktøy dannelsen mindre kontrollert og partikler størrelsesDistribusjon blir mye bredere. Lavere prosenter er partiklene ikke sfærisk lenger. I tillegg til flow rate justeringene, avstanden mellom UV-lampen polymerisasjon røret som plasseringen mellom venstre og høyre side av presisjon kokeplate kan endre egenskapene aktivering av LCE partikler som skjer, for eksempel hvis den polymerisasjon kinetics endre grunn velge monomer blanding komposisjoner eller anvendt polymerisering temperaturer forskjellige fra verdiene beskrevet her.

Figur 3 en viser en ventilen partikkel som elongates opptil 70% når det varmes over sin fase overgang temperatur, som beviser at behovet for å indusere en orientering av flytende krystallinsk direktør før polymerisasjon er oppfylt. Denne justeringen av mesogens resultatene fra skjær mellom den svært tyktflytende kontinuerlig fasen og monomer dråpene overflate. Om silikon oljer av lavere viskositet brukes, reduseres den partikkelen aktivering.

Videre får microfluidic enheten du kontroll over ulike typer actuation mønstre, som forlengelse eller sammentrekning overgangsperioden fase av varierende skjær prisen handler på dråpene under polymerisasjon. Dette kan behandles enkelt konstant flyt priser av kontinuerlig fase ved hjelp av ulike indre diameter av polymerisasjon røret. Figur 3 en viser en spheroid formet partikkelen, som elongates langs dens rotasjonsaksen og ble syntetisert til lavere skjær priser i en bredere polymerisasjon tube (ID: 0,75 mm). Den flytende krystallinske molekyler (mesogens) er justert langs en konsentrisk direktør-feltet i dette tilfellet. På den andre siden har rod-lignende partikler (som vist i Figur 3b) en sammentrekning under fase overgangen og en bipolar justeringen av mesogens' direktør feltet. Denne partikkelen ble produsert på høyere skjær priser i et tynnere polymerisasjon rør (ID: 0,5 mm).

Protokollen beskriver en annen fordel av microfluidic prosessen. Foruten single partikler, kan prøver av mer komplekse morphologies også syntetiseres. Figur 3 viser en ventilen core-shell partikkel og Figur 3d en Janus partikkel som begge ble produsert følgende del 2 og 3 av protokollen29,30.

Hvis alle trinn av protokollen er gjort riktig, bør partikler har egenskaper som vist i Figur 4 oppnås3,41. I Figur 4en, er oppvarming og kjøling kurver plottet for enkelt partikler ved ulike strømningshastigheter. Ved oppvarming partikkel fra rom temperatur, flytende krystallinsk rekkefølgen - først - reduseres for litt, noe som resulterer i en liten deformasjon av partikkel. Men i nærheten av fase overgang temperaturen, alle orientering er plutselig mistet og partikkel viser en sterk forlengelse bare ved å varme den opp for et par grader. Avkjøling partikkelen, en hysteresis observert og den opprinnelige figuren er oppnådd. Denne prosessen er reversibel over mange actuation sykluser, som vist i Figur 4b.

Figure 1
Figur 1 : Microfluidic oppsett. (en) generelt oppsett inneholder tre sprøyter, som inneholder hydraulisk silikonolje (1), vandig monomer blandingen (3) og kontinuerlig fase silikonolje (4). Flytende krystallinsk monomer blandingen (2) er plassert i vannbad (5) på 363 K, som varmer opp flytende krystallet isotropic tilstanden. Slippverktøyets polymerisasjon startes på kokeplate (6) på 338 K i nematic delstaten flytende krystaller av UV-bestråling (7). (Enkelt partikkel oppsettet tilsvarer det generelle oppsettet, men mangler den andre kapillær, sprøyter (3) og andre t-krysset). (b) dette panelet viser et oppsett som inneholder to kapillærene side ved side, som gjør det mulig Janus slippverktøy. (c) kjerne-skallet oppsett består av en kapillær som er telescoped i en bredere andre kapillær. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2: representant partikler innhentet i microfluidic enkelt partikkel oppsettet. (en) dette panelet viser et mikroskopi bilde av monodisperse LCE partikler i microfluidic enkelt partikkel oppsettet. Skala bar = 200 µm. (b) dette panelet viser avhengigheten av partikler diameter med hensyn til forholdet mellom oljen strømningshastighet (Qc) til monomer blandingens strømningshastighet (Qd). Innhentet partiklene er bare avhengig hastighet forholdet mellom begge faser og ikke på deres absolutte verdier. (Dette tallet er endret fra Ohm, Fleischmann, Kraus, Serra og Zentel1 og Ohm og Serra Zentel41.) Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3 : Optisk mikroskopi bilder av fire ulike partikkelstørrelse morphologies i nematic staten (på 353 K) og etter fase overgang i den isotropic tilstand (i 413 K). Disse skjermbildene viser (en) forlengelse av en oblate-formet LCE partikkel (konsentriske direktør felt), (b) sammentrekning av en stang som formet LCE-partikkel (bipolar direktør felt), (c) forlengelse av en oblate-formet kjernen-skall partikkel og (d) sammentrekning av en spheroid-formet Janus partikkel (venstre delen: LCE, høyre del: akrylamid hydrogel). Skalere barer = 100 µm. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet. 

Figure 4
Figur 4 : Aktivering egenskaper representant enkelt partikler. (en) dette panelet viser oppvarming og kjøling kurver LCE partikler forberedt i én partikkel microfluidic oppsettet på ulike strømningshastigheter for kontinuerlig fase. Partiklene forberedt på høyeste infusjonshastigheten viser den sterkeste aktivering (ca 70%) og begge kurver danner en hysteresis, henholdsvis. (b) Dette er et plott av 10 aktivering av LCE partikler viser ingen reduksjon av deres aktivering over hvor syklus. Dette beviser at partiklene er krysskoblet, og aktivering er fullstendig reversibel. Merk: Dette diagrammet ble trukket til en partikkel av en hoved-kjeden LCE system men ser det samme for LCE systemet brukes i denne artikkelen. (Dette tallet har blitt endret fra Ohm og Serra Zentel41.) Klikk her for å se en større versjon av dette tallet. 

Discussion

Vi har beskrevet fabrikasjon av partikler med forskjellige morphologies via en microfluidic tilnærming til å produsere LCE microactuators. For dette formålet, ble kapillær-baserte microfluidic oppsett bygget som at slippverktøy etterfulgt av photopolymerization ved definerte temperaturer.

Her er en kritisk del av en vellykket syntese riktig montering av oppsettet. Alle tilkoblinger mellom enkelt deler må rettes riktig å hindre alle lekkasje av væske, og enheten må være før hver syntese å hindre tilstopping. Det er også avgjørende at eksperimentet utføres under UV-gratis forhold, siden, ellers tidlig polymerisering av monomer blandingen og dermed igjen tilstopping av setup ville være resultatet.

Til denne dag, er microfluidic-tilnærming som er beskrevet her den eneste metoden kunne produsere ventilen LCE partikler. Herved oppfyller microfluidic prosessen to krav samtidig. Foruten fabrikasjon av mange like store mikro-objekter, er en orientering av flytende krystallinsk direktør indusert i disse partiklene. Dessuten, er det en ganske enkel prosedyre siden et stort antall aktuatorer kan syntetiseres i ett enkelt trinn. Bruke andre metoder, krever retningen for mesogens vanligvis et ekstra trinn som strekking av prøven eller søknaden av foto-justering lag. I tillegg er disse prosessene manuell, som betyr produksjon av mange aktuatorer er svært tidkrevende. Videre LCE morfologi er i mest tilfeller-begrenset til polymer filmer. Ulempene av microfluidic tilnærming er begrensning av partikkel størrelse (som diameteren er begrenset til verdier mellom 200 og 400 µm), sårbarheten til tilstopping av kapillær og nødvendigheten av UV-gratis forhold under partikkel utarbeidelsen i oppsettet.

På prosessoren systemer brukes ofte til microfluidic partikkel fabrikasjoner siden de kan lett bli produsert og er laget av ett stykke. Disse oppsettene, ikke bare mangler den nødvendige justering av forskjellige temperaturer under flyten men også er ikke fleksible nok til å enkelt bytte tette eller ødelagte deler av microreactor. Derfor er kapillær-basert oppsett vi bruker mer egnet for syntese av LCE aktuatorer, som de oppfylle kravene avgjørende.

Bortsett fra våre presenterte resultatene av actuating Janus-partikler og kjerne-shell micropumps, mer komplekse actuating partikler med nye egenskaper kan bli syntetisert i fremtiden og åpner nye muligheter for myk aktuator programmer. Ytterligere endring av Janus partikler til flere forståelsesfull partikler pågår allerede. Derfor er vi sikte for innføring av en andre temperatur forståelsesfull polymer foruten den ventilen LCE. Ytterligere muligheter for nye partikkel design kan også oppstå fra bruk av flytende krystallinsk azo-monomerer, som resulterer i lys-drevet actuation LCE-partikler17,18. I dette tilfellet kan vi tenke på Janus partikler som inneholder både en temperatur-responsive samt en foto-actuating del. Syntese av lys-drevet core-shell partikler eller rør-lignende strukturer gir en annen mulig partikkel design, som ville føre til Foto svarer micropumps. Endring av prinsippet microfluidic prosedyrer som vi presentert ovenfor bør tillate en rekke nye aktuatorer.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre.

Acknowledgments

Forfatterne takker tysk Science Foundation for finansiering dette arbeidet (Ze 230/24-1).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Ohm, C., Fleischmann, E. K., Kraus, I., Serra, C., Zentel, R. Control of the properties of micrometer-sized actuators from liquid crystalline elastomers prepared in a microfluidic setup. Advanced Functional Materials. 20 (24), 4314-4322 (2010).
  2. Urbanski, M., et al. Liquid crystals in micron-scale droplets, shells and fibers. Journal of Physics: Condensed Matter. 29 (13), 133003 (2017).
  3. Hessberger, T., Braun, L., Zentel, R. Microfluidic synthesis of actuating microparticles from a thiol-ene based main-chain liquid crystalline elastomer. Polymers (Basel). 8 (12), (2016).
  4. Palagi, S., et al. Structured light enables biomimetic swimming and versatile locomotion of photoresponsive soft microrobots. Nature Materials. , (February) 1-8 (2016).
  5. Ohm, C., Brehmer, M., Zentel, R. Liquid crystalline elastomers as actuators and sensors. Advanced Materials. 22, 3366-3387 (2010).
  6. White, T. J., Broer, D. J. Programmable and adaptive mechanics with liquid crystal polymer networks and elastomers. Nature Materials. 14 (11), 1087-1098 (2015).
  7. Liu, D., Broer, D. J. Liquid crystal polymer networks: preparation, properties, and applications of films with patterned molecular alignment. Langmuir. 30 (45), 13499-13509 (2014).
  8. Ube, T., Ikeda, T. Photomobile polymer materials with crosslinked liquid-crystalline structures: molecular design, fabrication, and functions. Angewandte Chemie International Edition in English. 53 (39), 10290-10299 (2014).
  9. Zentel, R., Schmidt, G. F., Meyer, J., Benalia, M. X-ray investigations of linear and cross-linked liquid-crystalline main chain and combined polymers. Liquid Crystals. 2 (5), 651-664 (1987).
  10. Kapitza, H., Zentel, R. Combined liquid-crystalline polymers with chiral phases, 2 Lateral substituents. Macromolecular Chemistry and Physics. 189, 1793 (1988).
  11. Li, M. -H., Keller, P. Artificial muscles based on liquid crystal elastomers. Philosophical Transactions of the Royal Society A. Mathematical, Physical, and Engineering Sciences. 364 (1847), 2763-2777 (2006).
  12. Wiesemann, A., Zentel, R., Pakula, T. Redox-active liquid-crystalline ionomers: 1. Synthesis and rheology. Polymer (Guildford). 33 (24), 5315-5320 (1992).
  13. Pei, Z., Yang, Y., Chen, Q., Terentjev, E. M., Wei, Y., Ji, Y. Mouldable liquid-crystalline elastomer actuators with exchangeable covalent bonds. Nature Materials. 13 (1), 36-41 (2014).
  14. Wang, Z., Tian, H., He, Q., Cai, S. Reprogrammable, reprocessible, and self-healable liquid crystal elastomer with exchangeable disulfide bonds. ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (38), 33119-33128 (2017).
  15. Chambers, M., Finkelmann, H., Remškar, M., Sánchez-Ferrer, A., Zalar, B., Žumer, S. Liquid crystal elastomer-nanoparticle systems for actuation. Journal of Materials Chemistry. 19 (11), 1524-1531 (2009).
  16. Braun, L. B., Linder, T., Hessberger, T., Zentel, R. Influence of a crosslinker containing an azo group on the actuation properties of a photoactuating LCE system. Polymers.(Basel). 8 (12), 435 (2016).
  17. Braun, L. B., Hessberger, T., Zentel, R. Microfluidic synthesis of micrometer-sized photoresponsive actuators based on liquid crystalline elastomers. Journal of Materials Chemistry C. 4, 8670-8678 (2016).
  18. Ikeda, T., Mamiya, J. I., Yu, Y. Photomechanics of liquid-crystalline elastomers and other polymers. Angewandte Chemie International Edition. 46, 506-528 (2007).
  19. Zeng, H., Wani, O. M., Wasylczyk, P., Kaczmarek, R., Priimagi, A. Self-regulating iris based on light-actuated liquid crystal elastomer. Advanced Materials. 29 (30), 1-7 (2017).
  20. Küpfer, J., Finkelrnann, H. Nematic liquid single crystal elastomers. Macromolecular Rapid Communications. 12, 717-726 (1991).
  21. Bergmann, G. H. F., Finkelmann, H., Percec, V., Zhao, M. Y. Liquid-crystalline main-chain elastomers. Macromolecular Rapid Communications. 18 (5), 353-360 (1997).
  22. Li, M. H., Keller, P., Yang, J., Albouy, P. A. An artificial muscle with lamellar structure based on a nematic triblock copolymer. Advanced Materials. 16 (21), 1922-1925 (2004).
  23. Brehmer, M., Zentel, R., Wagenblast, G., Siemensmeyer, K. Ferroelectric liquid-crystalline elastomers. Macromolecular Chemistry and Physics. 195 (6), 1891-1904 (1994).
  24. Beyer, P., Terentjev, E. M., Zentel, R. Monodomain liquid crystal main chain elastomers by photocrosslinking. Macromolecular Rapid Communications. 28 (14), 1485-1490 (2007).
  25. Ditter, D., et al. MEMS analogous micro-patterning of thermotropic nematic liquid crystalline elastomer films using a fluorinated photoresist and a hard mask process. Journal of Materials Chemistry C. 5, 12635-12644 (2017).
  26. Lopez-Valdeolivas, M., Liu, D., Broer, D. J., Sánchez-Somolinos, C. 4D printed actuators with soft-robotic functions. Macromolecular Rapid Communications. 1700710, 3-9 (2017).
  27. Ohm, C., Kapernaum, N., Nonnenmacher, D., Giesselmann, F., Serra, C., Zentel, R. Microfluidic synthesis of highly shape-anisotropic particles from liquid crystalline elastomers with defined director field configurations. Journal of the American Chemical Society. 133 (14), 5305-5311 (2011).
  28. Ohm, C., et al. Preparation of actuating fibres of oriented main-chain liquid crystalline elastomers by a wetspinning process. Soft Matter. 7, 3730 (2011).
  29. Hessberger, T., et al. Co-flow microfluidic synthesis of liquid crystalline actuating Janus particles. Journal of Materials Chemistry C. 4, 8778-8786 (2016).
  30. Fleischmann, E. -K., Liang, H. -L., Kapernaum, N., Giesselmann, F., Lagerwall, J., Zentel, R. One-piece micropumps from liquid crystalline core-shell particles. Nature Communications. 3, 1178 (2012).
  31. Khan, I. U., et al. Microfluidic conceived drug loaded Janus particles in side-by-side capillaries device. International Journal of Pharmaceutics. 473 (1-2), 239-249 (2014).
  32. Vennes, M., Martin, S., Gisler, T., Zentel, R. Anisotropic particles from LC polymers for optical manipulation. Macromolecules. 39 (24), 8326-8333 (2006).
  33. Serra, C. a, et al. Engineering polymer microparticles by droplet microfluidics. Journal of Flow Chemistry. 3 (3), 66-75 (2013).
  34. Seo, M., Nie, Z., Xu, S., Lewis, P. C., Kumacheva, E. Microfluidics: from dynamic lattices to periodic arrays of polymer disks. Langmuir. 21 (11), 4773-4775 (2005).
  35. Kim, K., Pack, D. Microspheres for drug delivery. BioMEMS and Biomedical Nanotechnology. 2, 19-50 (2006).
  36. Kim, J. -W., et al. Titanium dioxide/poly(methyl methacrylate) composite microspheres prepared by in situ suspension polymerization and their ability to protect against UV rays. Colloid and Polymer Science. 280 (6), 584-588 (2002).
  37. Serra, C., Berton, N., Bouquey, M., Prat, L., Hadziioannou, G. A predictive approach of the influence of the operating parameters on the size of polymer particles synthesized in a simplified microfluidic system. Langmuir. 23 (14), 7745-7750 (2007).
  38. Chang, Z., Serra, C. a, Bouquey, M., Prat, L., Hadziioannou, G. Co-axial capillaries microfluidic device for synthesizing size- and morphology-controlled polymer core-polymer shell particles. Lab on a Chip. 9, 3007-3011 (2009).
  39. Braun, L. B., Hessberger, T., Serra, C. A., Zentel, R. UV-free microfluidic particle fabrication at low temperature using ARGET-ATRP as the initiator system. Macromolecular Reaction Engineering. 10 (6), 611-617 (2016).
  40. Thomsen, D. L., et al. Liquid crystal elastomers with mechanical properties of a muscle. Macromolecules. 34, 5868-5875 (2001).
  41. Ohm, C., Serra, C., Zentel, R. A continuous flow synthesis of micrometer-sized actuators from liquid crystalline elastomers. Advanced Materials. 21 (47), 4859-4862 (2009).

Tags

Kjemi problemet 135 Microfluidic partikkel Janus partikkel core-shell partikkel microsphere aktuator kunstige muskel flytende krystallinsk elastomer stimuli svarer photopolymerization kontinuerlig flyt syntese
Microfluidic utarbeidelse av flytende krystallinsk Elastomer aktuatorer
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Hessberger, T., Braun, L. B., Serra, … More

Hessberger, T., Braun, L. B., Serra, C. A., Zentel, R. Microfluidic Preparation of Liquid Crystalline Elastomer Actuators. J. Vis. Exp. (135), e57715, doi:10.3791/57715 (2018).

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