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 preparação dos atuadores do líquido cristalino de elastômero

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

Este artigo descreve o processo de microfluidic e parâmetros para preparar acionamento partículas do líquido cristalinos elastômeros. Este processo permite a preparação de partículas e a variação de seus tamanho e forma (de Oblatos para fortemente prolato, núcleo-shell e morfologias Janus) de actuação bem como a magnitude de atuação.

Abstract

Este papel centra-se sobre o processo de microfluidic (e seus parâmetros) para preparar acionamento partículas do líquido cristalinos elastômeros. A preparação consiste geralmente na formação de gotículas contendo baixas massa molares líquido cristais em temperaturas elevadas. Posteriormente, estes precursores de partícula são orientadas para o campo de fluxo do capilar e solidificou-se por uma polimerização de reticulação, que produz as partículas de acionamento finais. A otimização do processo é necessária para obter as partículas de acionamento e a variação adequada dos parâmetros de processo (taxa de fluxo e temperatura) e permite variações de tamanho e forma (do oblato de morfologias fortemente prolato), bem como a amplitude de atuação. Além disso, é possível variar o tipo de atuação de alongamento para contração dependendo do perfil do diretor induzido para as gotas durante o fluxo no capilar, que novamente depende do processo microfluídicos e seus parâmetros. Além disso, partículas de formas mais complexas, como núcleo-shell estruturas ou partículas de Janus, podem ser preparadas, ajustando a configuração. A variação da estrutura química e o modo de reticulação (solidificação) do elastômero líquido cristalino, também é possível preparar acionamento partículas accionadas por calor ou irradiação UV-vis.

Introduction

Sínteses de microfluidic tornaram-se um método conhecido para a fabricação de atuadores de líquido cristalino elastômero (LCE) no último poucos anos1,2,3. Esta abordagem não só permite a produção de um grande número de partículas bem actuação mas também permite a fabricação de formas e morfologias que não são acessíveis por outros métodos. Desde que o gelo atuadores são candidatos promissores para um aplicativo como músculos artificiais em microrobótica, novos métodos para sintetizar tais partículas são de grande importância para esta tecnologia do futuro4.

Em LCEs, as mesogens de cristal líquido (LC) estão ligadas às cadeias de polímero de um elastómero rede5,6,7,8. A ligação das mesogens para a cadeia do polímero, assim, pode acontecer sob a forma de uma cadeia lateral, uma cadeia principal ou um combinado de10,9,LC-polímero11. A distância entre os pontos de reticulação deve ser suficiente para permitir uma reorientação livre da cadeia do polímero no meio (na verdade, isto é verdade para qualquer elastômero, que os diferencia de "termofixos"). Desse modo, reticulação pode ser permanente ou reversível devido às fortes interações não covalentes12,13,14. Este tipo de material combina as propriedades de ambos, o comportamento anisotrópico de cristal líquido com a elasticidade entrópica de um elastômero. Na faixa de temperatura de sua fase cristalina líquida, as cadeias de polímero adotam uma conformação alongada (mais ou menos) causada pela anisotropia da fase cristalina líquida, que é quantificada pelo parâmetro de ordem nemática. Quando a amostra é trazida acima da temperatura de transição de fase nemática-para-isotrópico, a anisotropia desaparece, e a rede relaxa para a conformação energeticamente favorecido bobina aleatória. Isto leva a uma deformação macroscópica e, assim, a atuação de5,15. Além do aquecimento da amostra, esta transição de fase também pode ser induzida por outros estímulos tais como difusão de luz ou solvente no LCEs16,17,18,19.

Para obter uma forte deformação, é necessário que a amostra também forma um monodomain ou características pelo menos uma orientação preferencial de administração do domínio único durante a etapa de reticulação20. Para a produção de filmes de gelo, isto é conseguido frequentemente pelo alongamento de uma amostra pré-polimerizada, através da orientação dos domínios em um elétrico ou campo magnético, com o auxílio de foto-alinhamento camadas ou através de impressão 3D-21 ,22,23,24,25,26.

Uma abordagem diferente é a preparação contínua de partículas de gelo com geradores de gotículas microfluidic baseado no capilar. Gotículas de líquido cristalino monômero são dispersos em uma fase contínua altamente viscosa, que flui ao redor das gotas e aplica uma taxa de cisalhamento na superfície das gotas. Portanto, uma circulação dentro da gota de monômero é observada, o que provoca um alinhamento global da fase cristalina líquida27. Desse modo, a magnitude das taxas de cisalhamento agindo sobre as gotas tem uma influência forte em forma de gota e o tamanho, bem como sobre a orientação do campo líquido cristalino diretor. Essas gotículas bem orientadas podem então ser polimerizadas ainda mais a jusante no setup microfluidic. Assim, a preparação dos atuadores com diferentes formas (por exemplo, partículas e fibras) e morfologias mais complexas como núcleo-shell e partículas de Janus são possíveis28,29,30,31. É até possível preparar partículas Oblatas, que se estendem ao longo de seu eixo de simetria e partículas altamente prolato, fibra-like, que encolhem durante a transição de fase. Os dois tipos de partículas podem ser feitos com o mesmo tipo de instalação microfluídicos, apenas variando a taxa de cisalhamento27. Aqui, apresentamos o protocolo de como produzir tais atuadores de gelo de diferentes morfologias em dispositivos microfluídicos fabricados pelo próprio baseado em capilar.

Além do efeito do alinhamento de mesogen em gotas de gelo e a acessibilidade de polímeros com diferentes formas, microfluidic abordagens têm ainda mais vantagens. Em comparação com outros métodos de fabricação de partículas como precipitação em um não-solvente ou suspensão polimerização32 (que conduz a partículas com uma ampla distribuição de tamanho), partículas monodisperso (o coeficiente de variação do tamanho da partícula é < % de 5) podem ser sintetizados usando microfluídica33,34. Além disso, é fácil de quebrar a simetria da esfera das gotas por um fluxo. Assim, partículas grandes, com uma simetria cilíndrica são acessíveis, o que é necessário para atuadores. Isso é diferente da feita por polimerização de suspensão32LC-partículas. Além disso, o tamanho de partícula é bem ajustável por microfluídica em um intervalo de vários micrômetros a centenas de micra, e aditivos facilmente podem ser trazidos para as partículas, ou em sua superfície. Eis porque a preparação de partículas microfluídicos é usada frequentemente em tópicos como droga entrega35 ou a fabricação de cosméticos36.

As configurações de microfluidic usadas neste artigo foram introduzidas por Serra et al 33 , 37 , 38 . Estes são fabricados self e consistem em tubos de politetrafluoretileno (PTFE) de cromatografia líquida de alto desempenho (HPLC) e junções em t, bem como os capilares de sílica fundida que fornecem as fases única. Assim, a instalação pode ser facilmente modificada, e peças simples simplesmente podem ser trocadas como eles estão comercialmente disponíveis. Um fotoiniciador é adicionado para as misturas de monômero, que permite o uso de uma fonte de luz adequada para induzir a polimerização da gotículas sobre-the-fly, depois deixaram o capilar. Irradiação com exceção dos capilares é necessária para impedir um entupimento da instalação. Outros tipos de polimerização só iniciar a polimerização após a gota deixou o capilar (por exemplo, com iniciadores com base em processos redox)39. No entanto, devido a rapidez de reticulação induzida por foto polimerização e a capacidade de ser controlado remotamente, fotoiniciação é a mais vantajosa.

Desde que a mistura de monômero do Ice é cristalina em temperatura ambiente, um controle cuidadoso de temperatura da instalação do microfluidic toda é necessário. Portanto, a parte da instalação em que ocorre a formação de gotículas é colocada em um banho de água. Aqui, as gotas são formadas em altas temperaturas no degelo isotrópica da mistura. Para a orientação, as gotas devem ser resfriadas em fase cristalina líquida. Portanto, o tubo de polimerização é colocado sobre uma chapa quente, que é definida como o menor intervalo de temperatura de LC-fase (Figura 1).

Aqui, descrevemos um método simples e flexível para a fabricação de atuadores de gelo em um fluxo. Este protocolo fornece as etapas necessárias para construir a configuração microfluidic para a síntese de partículas única bem como Janus e partículas do núcleo-casca em poucos minutos. Em seguida, descrevemos como executar uma síntese e mostrar o resultado típico, bem como as propriedades das partículas de accionamento. Finalmente, discutimos as vantagens desse método e porque pensamos que talvez traga o progresso para o campo dos atuadores de gelo.

Protocol

1. síntese de partículas de gelo de actuação única

  1. O dispositivo de montagem
    Nota: Todos os materiais utilizados para a instalação de microfluídicos são HPLC fornecimento e comercialmente disponível.
    1. Equipar um prato de banho de água de vidro [diâmetro (D): 190mm, conexões: flange-montagem do vidro 29/duas 24 articulações] com dois septos. Aborda os dois septos com um furador para caber um tubo com um diâmetro externo (OD) de 1/16 de polegada, através do orifício de abertura.
    2. Anexar um encaixe para tubo de 1/16 de polegada OD e a virola correspondente à extremidade de um tubo PTFE (tubo 1.1; OD: 1/16 polegadas, diâmetro interno (ID): 0,17 mm, comprimento (L): 5 cm) e furar a ponta (ca. 1 cm) de um capilar de sílica poliimida-revestido (ID: 100 µm, OD: 165 µm, l: 7 cm) nele.
    3. Que se lixe o tubo sobre uma adversária braços de um poliéter éter cetona (PEEK) junção em t para 1/16 de polegada OD tubos, que é montado sobre uma pequena mesa de metal. Agora, o capilar deve projetar-se alguns centemeters de entroncamento.
      Nota: Os tubos PTFE são melhor corte com o auxílio de um cortador de tubo. Para os capilares, uma pedra chicotada é melhor usar.
    4. Anexar um encaixe adequado e virola para o fim de um segundo tubo PTFE (tubo 1.2; OD: 1/16 de polegada, ID: 0,75 mm), que é tempo suficiente para chegar a uma bomba de seringa fora o banho de água e aparafuse-o braço lateral do entroncamento.
    5. Enfiar um terceiro tubo PTFE (tubo 1.3; OD: 1/16 de polegada, ID: 0,17 mm) através de um dos septos. Tubo 1.3 deve ser tempo suficiente para se conectar a uma segunda bomba de seringa com tubo 1.1 dentro do banho de água. Adicione dois bloqueios luer fêmea para tubo de 1/16 de polegada OD final reposição de tubos 1.1 e 1.3, respectivamente.
    6. Preparar um quarto tubo PTFE (tubo de polimerização 1,4; OD: 1/16 de polegada, ID: 0,75 mm) com um encaixe mais virola e colá-la através do septo de segundo. Tubo 1.4 deve ser tempo suficiente para deixar o banho de água e passar uma precisão placa de aquecimento. Conectar tubo 1.4 através de sua montagem para o restante do braço de entroncamento e coloque a extremidade do vidro capilar no interior do tubo.
    7. Colocar o banho de água em uma chapa quente, equipada com um termômetro, use fita adesiva para fixar o tubo 1.4 em cima da placa de aquecimento de precisão e anexar um frasco de vidro de 5 mL para a extremidade do tubo 1.4. Conecte a extremidade do tubo 1.2 a uma seringa preenchida com a fase contínua (óleo de silicone; viscosidade: 1.000 m2/s), ligue o tubo 1.3 a uma seringa preenchido com o óleo hidráulico para a fase de monômero (óleo de silicone; viscosidade: 100 m2/s) e ligue os dois seringas em uma bomba de seringa.
      Nota: A fim de conectar os tubos para as seringas, barb--fêmea-luer-lock conectores para uso com tubos de 3/32 polegadas ID são os melhores usar.
    8. Instalar um estereomicroscópio com o foco sendo definido na ponta do capilar para permitir a observação da formação da gota e montar uma fonte de luz UV (ex., uma lâmpada de vapor de mercúrio-W 500) com o cone de luz focada em tubo 1.4.
  2. Preparação da mistura de monômero
    1. Para preparar a mistura de monômero40, adicione 200 mg de (4-acryloyloxybutyl) - 2,5 - di(4-butyloxybenzoyloxy) benzoato de um balão de 50 mL forma de pera.
    2. Adicione 7,2 mg de dimetacrilato de 1,6-hexanodiol (10 mol %) e 6,2 mg de Fenilfosfinato de ethyl(2,4,6-trimethylbenzoyl) (fotoiniciador, 3% w) no balão. Dissolva a mistura em cerca de 1 mL de diclorometano.
      Nota: A partir de passo 1.2.2., todas as etapas devem ser executadas sob UV luz livre as condições (por exemplo, sob a luz amarela).
    3. Remover o solvente sob vácuo a 313 K e derreter o sólido residual a 383 K em banho de óleo.
    4. Preparar uma seringa com um conector barb--fêmea-luer-lock para uso com tubulação de 3/32 polegadas ID e anexe um tubo PTFE (tubo 1.5; OD: 1/8 de polegada, ID: 1,65 mm) através de uma conexão de tubo (OD: 1/16 de polegada, ID: 0,75 mm). Elaborar a mistura do monômero no tubo 1.5 com o auxílio da seringa.
      Nota: A quantidade de monômero não deve ser menos de 70 mg. caso contrário, torna-se muito difícil desenhar mais mistura de monômero em tubo 1,5. O protocolo pode ser pausado aqui. Em caso afirmativo, armazene o tubo em um frigorífico.
  3. Preparação das partículas
    1. Anexe um macho luer-lock para tubos de 1/8 de polegada OD para ambas as extremidades do tubo 1.5 contendo a mistura de monômero. Depois, conecte as duas extremidades do tubo 1.5 com as fechaduras luer fêmea nas extremidades dos tubos 1.1 e 1.3.
      Nota: Os tubos devem ser lavados com os líquidos fornecidos por bombas de seringa antes da síntese.
    2. Definir a temperatura do banho-maria para 363 K e definir a precisão de aquecimento a temperatura da placa de K. 338
    3. Certifique-se de ponta do capilar está no centro do tubo polimerização 1.5 e não toca a parede.
      Nota: As temperaturas dadas aqui são otimizadas para esta mistura de monômero. Em geral, a temperatura do banho deve ser alta o suficiente para derreter a mistura de monômero, e a temperatura da placa de aquecimento deve estar na faixa de temperatura da fase cristalina líquida.
    4. Após a mistura do monômero é derretida, definir a taxa de fluxo da fase contínua (Qc) para um valor entre 1,5 e 2,0 mL/h e escolha fluxo rácios de taxa de Qc/qd (Qd = a taxa de fluxo da fase óleo hidráulico/monômero) entre 20 e 200.
      Nota: Para vazões de Qc = 1,75 mL/h e Qd = 0,35 mL/h, bem compreendendo partículas com um D de 270 µm são observadas, por exemplo.
    5. Depois começa a formação da gota, espere até que as gotículas são todas do mesmo tamanho, antes de ligar a luz UV. Para a mistura de monômero descrito, posicione a fonte UV 1 cm acima do tubo de polimerização 1,4 na extremidade direita da precisão placa de aquecimento. Recolha as diferentes frações das partículas polimerizadas em frasco de vidro de 5 mL, na extremidade do tubo 1.4. Enquanto fluindo sob a luz UV, cor das gotas deve mudar de transparente para branco.
      Cuidado: Use óculos de proteção UV-para proteger os olhos.
    6. Colocar um escudo (por exemplo, uma caixa de papel) entre a fonte luminosa e o banho de água, para evitar qualquer obstrução do capilar.
      Nota: No caso de um entupimento do tubo de polimerização, pode ajudar a aquecer a parte entupida com um soprador de ar quente.
    7. Após todo o monômero é consumido, limpe a configuração injetando acetona no tubo 1.3.

2. síntese de partículas de gelo Core-shell

  1. Montagem do dispositivo
    1. Siga o passo 1.1.1. Mas use um prato de banho de água com um D de 190 mm.
    2. Anexar um encaixe e a virola para ambas as extremidades de uma manga de tubulação gases fluorados etileno propileno (FEP) (ID: 395 µm, OD: 1/16 polegadas, l: 1,55 polegadas), respectivamente. Primeiro, enfiar um capilar de sílica fundida (ID: 280 µm, OD: 360 µm, cm l: 8) através da manga, de tal forma que ele se projeta cerca de 3 mm, com um lado. Então, enfie um capilar fino (ID: 100 µm, OD: 165 µm, l: 11 cm) por meio de um maior, assim que ele se projeta alguns milímetros fora seu lado mais comprido.
    3. Dane-se a manga em um dos braços opostos de um PEEK junção em t para tubos de 1/16 de polegada OD (entroncamento 1) que é montado sobre uma pequena mesa de metal, com a extremidade mais curta do capilar maior atingindo em entroncamento.
    4. Enfiar um tubo PTFE (tubo 2.1; OD: 1/16 de polegada, ID: 0,17 mm) é tempo suficiente para ligar uma bomba de seringa com entroncamento 1 através de um dos septos do banho-maria. Anexar um encaixe e virola ao final do tubo dentro do banho de água, conectá-lo ao braço lateral livre de entroncamento 1 e ficar mais fino capilar dentro tubo 2.1.
    5. Preparar um segundo tubo PTFE (tubo 2.2; OD: 1/16 de polegada, ID: 0,5 mm) com uma montagem e uma virola e conectá-lo ao braço sobressalente de junção em t 1. Enfiar um outro tubo PTFE (tubo 2.3; OD: 1/16 de polegada, ID: 0.5 mm) através de um buraco do septo perto tubo 2.1. Tubo 2.3 deve ser tempo suficiente para se conectar a outra bomba de seringa com tubo 2.2.
    6. Adicione dois bloqueios luer fêmea para tubo de 1/16 de polegada OD as extremidades livres dos tubos, 2.2 e 2.3 dentro do banho de água, respectivamente.
    7. Conecte a extremidade livre da manga para um dos braços opostos de um segundo entroncamento PEEK (entroncamento 2), que também é montado sobre a mesa de metal pequena. Preparar um quarto tubo PTFE (tubo 2.4; OD: 1/16 de polegada, ID: 0,75 mm) com um encaixe mais virola. Tubo de 2.4 é tempo suficiente para alcançar uma terceira bomba de seringa fora o banho de água e conectá-lo ao braço lateral de junção em t 2.
    8. Prepare um quinto tubo PTFE (tubo de polimerização 2.5; OD: 1/16 de polegada, ID: 0,75 mm) com um encaixe mais virola e colá-la através do septo outro. Tubo de 2.5 deve ser tempo suficiente para deixar o banho de água e passar uma elevada precisão a placa de aquecimento. Conectar-se a colocação do tubo de 2.5 com o braço restante de entroncamento. Agora dicas de capilares vidro devem estar localizadas no interior do tubo de 2.5.
    9. Colocar o banho de água em uma chapa quente, equipada com um termômetro, use fita adesiva para fixar o tubo 2.5 em cima de uma placa de aquecimento de precisão e anexar um frasco de vidro de 5 mL a extremidade do tubo. Conecte a extremidade do tubo 2.1 para uma seringa preenchida com glicerol (fase interna), ligue o tubo 2.3 a uma seringa preenchido com o óleo hidráulico para a fase de monômero (óleo de silicone; viscosidade: 100 m2/s), ligue o tubo 2.4 a uma seringa preenchido com a fase contínua ( óleo de silicone; viscosidade: 1.000 m2/s) e conecte todas as seringas em bombas de seringa.
    10. Siga o passo 1.1.7., mas ler tubo 2.5 em vez de tubo 1.4.
  2. Preparação da mistura de monômero
    1. Siga todos os passos de 1.2.
  3. Preparação das partículas de núcleo-casca
    1. Anexe um macho luer-lock para tubos de 1/8 de polegada OD a ambas as extremidades do tubo contendo a mistura de monômero, respectivamente. Depois, conecte as duas extremidades deste tubo com as fechaduras luer fêmea nas extremidades dos tubos 2.2 e 2.3.
    2. Siga os passos 1.3.2-1.3.4.
    3. Observe as gotículas formação através de um microscópio estéreo.

3. síntese de partículas de gelo de Janus

  1. Montagem do dispositivo
    1. Siga o passo 1.1.1.
    2. Anexar um encaixe e a virola para ambas as extremidades de uma manga de tubulação de FEP (ID: 395 µm, OD: 1/16 polegadas, l: 1,55 polegadas), respectivamente. Manter dois capilares alinhados paralelamente sílica fundida (ID: 100 µm, OD: 165 µm, L1: 8 cm, L2: 11 cm) através da manga. O capilar curto se projeta cerca de 3 mm, com um lado da manga. Do outro lado da manga, ambos os capilares têm o mesmo comprimento.
    3. Cola super os capilares, colocando alguns colam em uma extremidade da manga e aguarde até que está curado.
    4. Conectar duas junções em t PEEK parafusando a manga em um dos braços opostos, respectivamente e montar os dois em uma pequena mesa de metal.
    5. Siga os passos 2.1.4-2.1.7.
    6. Prepare um quinto tubo PTFE (tubo 3.5; OD: 1/16 de polegada, ID: 0,75 mm, l: 5 cm) com um encaixe mais virola e conectá-lo com o braço restante de junção em t 2. Ambas as pontas dos capilares de vidro estão localizadas dentro do tubo 3.5.
    7. Enfiar um outro tubo PTFE (tubo 3.6; OD: 1/16 de polegada, ID: 0, 5mm) através do septo outro. Tubo de 2.6 deve ser tempo suficiente para deixar o banho de água e passar uma precisão placa de aquecimento. Conecte os tubos 3.5 e 3.6 através de montagem de sistemas de tubulação de 1/16 de polegada OD.
    8. Colocar o banho de água em uma chapa quente, equipada com um termômetro, use fita adesiva para fixar o tubo 3.6 em cima de uma placa de aquecimento de precisão e anexar um frasco de vidro de 5 mL a extremidade do tubo. Conecte a extremidade do tubo 3.1 para uma seringa preenchida com uma mistura de monômero aquosa (fase aquosa monômero), ligue o tubo 3.3 a uma seringa preenchido com o óleo hidráulico para a fase de LC-monômero (óleo de silicone; viscosidade: 100 m2/s), ligue o tubo 3.4 para uma seringa preenchido com a fase contínua (óleo de silicone; viscosidade: 1.000 m2/s) e conecte todas as seringas em bombas de seringa.
    9. Siga o passo 1.1.8, mas ler tubo 3.6 em vez de tubo 1.4.
  2. Preparação da mistura de monômero líquida cristalina (LC)
    1. Siga todos os passos de 1.2.
  3. Preparação da mistura aquosa monômero
    1. Prepare uma solução de 40 wt % acrilamida em água destilada. Adicionar 10% mol do agente de reticulação N, N'-methylenebis(acrylamide) e 2% em peso do iniciador 2-hidroxi-2-methylpropiophenone para a solução. (Ambas as quantidades são em relação a acrilamida).
      Nota: A fim de aumentar a viscosidade da mistura aquosa de monômero, poliacrilamida pode ser adicionada.
    2. Agitar a mistura por 24 h no RT e preenchê-lo em uma seringa de 1 mL, depois.
  4. Preparação das partículas de Janus
    1. Anexe um macho luer-lock para tubos de 1/8 de polegada OD a ambas as extremidades do tubo contendo a mistura de monômero de LC, respectivamente. Depois, conecte as duas extremidades deste tubo com as fechaduras luer fêmea nas extremidades dos tubos, 3.2 e 3.3.
    2. Siga os passos 1.3.2-1.3.4.
    3. Observe as gotículas formação através de um microscópio estéreo.

4. análise das partículas

  1. Coloque as partículas de uma fase quente sob microscópio óptico conectado a um computador com software de imagem. Para analisar a atuação das partículas a, tirar fotos em temperaturas acima e abaixo de sua temperatura de transição de fase e medir seu D.
    Nota: Uma gota de óleo de silicone impede que as partículas da colagem do slide de objeto.
  2. Para estimar a temperatura de compensação das partículas a, determine a temperatura na qual as partículas perdem sua birrefringência sob um microscópio óptico polarizada (POM).

Representative Results

Neste protocolo, apresentamos a síntese de partículas de gelo com diferentes morfologias, através de uma abordagem microfluidic. As configurações de microfluidic para a fabricação de único, núcleo-shell e partículas de Janus são mostrados na Figura 129,38,41. Uma vantagem da produção de fluxo contínuo é o muito bom controle sobre o tamanho e forma das partículas. Figura 2 uma ilustra a vantagem da instalação do single da gota: uma distribuição de tamanho muito estreita com todas as partículas, tendo a mesma forma de41. Por este meio, o tamanho das esferas pode facilmente ser ajustado alterando a proporção dos caudais das diferentes fases. Seguir o protocolo, diâmetros de partículas entre 200 e 400 µm pode ser produzido de uma forma bem controlada, escolhendo o fluxo rácios de taxa, conforme mostrado na Figura 2b1. Os melhores resultados são obtidos para taxas de fluxo da fase contínua (Qc) entre 1,5 e 2,0 mL/h e rácios de taxa de fluxo do QC/qd (Qd = a taxa de fluxo da fase de monômero) entre 20 e 200. Para as taxas de fluxo de Qc = 1,75 mL/h e Qd = 0,35 mL/h, bem compreendendo partículas com um diâmetro de 270 µm são observadas, por exemplo. Se mais elevados rácios Qc/qd são selecionados, a formação de gotículas é menos controladas e distribuição do tamanho das partículas a torna-se muito mais ampla. Para índices mais baixos, as partículas já não são esféricas. Além dos ajustes de taxa de fluxo, a distância entre a lâmpada UV para o tubo de polimerização, bem como a posição entre a esquerda e a extremidade direita da placa quente de precisão pode alterar as propriedades de atuação de partículas de gelo, o que acontece, por exemplo, se o cinética de polimerização mudar devido ao escolher monômero composições de mistura ou aplicado a temperaturas de polimerização diferentes dos valores descritos aqui.

Figura 3 uma mostra uma partícula de actuação que se alonga até 70% quando é aquecida acima de sua temperatura de transição de fase, que prova que é cumprido o requisito de induzir uma orientação do líquido cristalino diretor antes de polimerização. Este alinhamento dos resultados mesogens do cisalhamento entre a fase contínua altamente viscosa e superfície das gotas monômero. Se forem utilizados óleos de silicone de baixa viscosidade, atuação da partícula é reduzida.

Além disso, o dispositivo microfluidic permite o controle sobre os diferentes tipos de padrões de atuação, tais como alongamento ou contração durante a fase de transição, variando a taxa de cisalhamento agindo sobre as gotas durante a polimerização. Isto pode ser processado facilmente em taxas de fluxo constante da fase contínua, usando diferentes diâmetros internos do tubo polimerização. Figura 3 um um prolato de mostra em forma de partícula, que se alonga ao longo de seu eixo de rotação e foi sintetizada em taxas mais baixas de cisalhamento em um tubo de polimerização mais amplo (ID: 0,75 mm). As moléculas de líquido cristalinas (mesogens) estão alinhadas ao longo de um campo de diretor concêntricos neste caso. Do outro lado, haste-como partículas (conforme ilustrado na Figura 3b) apresentam uma contração durante a fase de transição e um alinhamento bipolar de campo de diretor do mesogens. Esta partícula foi produzida em maiores taxas de cisalhamento em um fino tubo de polimerização (ID: 0,5 mm).

O protocolo descreve uma outra vantagem do processo microfluidic. Além de simples partículas, amostras de morfologias mais complexas também podem ser sintetizadas. Figura 3 c mostra uma actuação partícula núcleo-casca e Figura 3d uma partícula de Janus que foram produzidos após a parte 2 e 3 do protocolo29,30.

Se todas as etapas do protocolo são feitas corretamente, devem ser obtidas partículas tendo as propriedades mostradas na Figura 4 3,,41. Na Figura 4um, o aquecimento e arrefecimento curvas são plotadas para partículas única sintetizadas em taxas de fluxo diferentes. Aquecendo-se a partícula da temperatura, a ordem cristalina líquida é - no começo - reduzida para um pouco, resultando em uma pequena deformação da partícula. No entanto, perto da temperatura de transição de fase, toda orientação é de repente perdeu e a partícula mostra um forte alongamento só aquecendo para alguns graus. Por resfriamento a partícula, pode ser observada uma histerese, e a forma original é obtida. Este processo é reversível sobre muitos ciclos de acionamento, conforme mostrado na Figura 4b.

Figure 1
Figura 1 : Configurações Microfluidic. (um) o general configuração inclui três seringas, que contêm o óleo hidráulico do silicone (1), a mistura de monômero aquosa (3) e o óleo de silicone de fase contínua (4). A mistura de monómero líquido cristalino (2) é colocada no banho (5) em 363 K, que aquece o cristal líquido para o estado isotrópico. Polimerização do gota é iniciada na placa quente (6) no 338 K no estado nemática do cristal líquido por irradiação UV (7). (A configuração única partícula é igual a configuração geral, mas não tem o segundo capilar, seringa (3) e o segundo Entroncamento). (b) este painel mostra uma configuração contendo dois capilares lado a lado para o outro, que permite a formação de gotículas de Janus. (c), o núcleo-shell instalação é composta de um capilar que é encurtado em um capilar de segundo mais amplo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: Representante partículas obtidas na configuração da partícula única microfluidic. (um) este painel mostra uma imagem de microscopia de monodisperso partículas de gelo preparadas na configuração da partícula única microfluidic. Barra de escala = 200 µm. (b) este painel mostra a dependência do diâmetro das partículas no que diz respeito a relação da taxa de fluxo do óleo (Qc) a taxa de fluxo da mistura monômero (Qd). O tamanho das partículas obtidas somente é dependente sobre o rácio de velocidade de ambas as fases e não em seus valores absolutos. (Esta figura foi modificada em Ohm, Fleischmann, Kraus, Serra e Zentel1 e Ohm, Serra e Zentel41). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3 : Imagens de microscopia óptica de quatro morfologias diferentes partículas na nemática estado (em 353 K) e depois da transição de fase na isotrópica do estado (a K 413). Estes painéis mostram (um) o alongamento de um oblato em forma de gelo partículas (campo diretor concêntrico), (b), a contração de uma haste-como em forma de gelo-partícula (campo bipolar diretor), (c) o alongamento de um núcleo em forma de oblato-shell partícula e (d) a contração de um Janus prolato em forma de partícula (parte esquerda: LCE, bem parte: hidrogel de acrilamida). Barras de escala = 100 µm. clique aqui para ver uma versão maior desta figura. 

Figure 4
Figura 4 : Propriedades de atuação de partículas única representante. (um) este painel mostra o aquecimento e arrefecimento curvas de partículas de gelo, sendo preparadas na configuração única partícula microfluidic em taxas de fluxo diferentes para a fase contínua. Preparado para a maior taxa de fluxo de partículas de mostram a atuação mais forte (cerca de 70%) e ambas as curvas formam uma histerese, respectivamente. (b) este é um lote de 10 ciclos de atuação das partículas de gelo não mostrar nenhuma diminuição de sua atuação sobre o número de ciclo. Isto prova que as partículas são quitosana, e a atuação é completamente reversível. Nota: Este gráfico foi desenhado para uma partícula feita a partir de um sistema de gelo da cadeia principal mas parece o mesmo para o sistema de gelo utilizado neste artigo. (Esta figura foi modificada em Ohm, Serra e Zentel41). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. 

Discussion

Descrevemos a fabricação de partículas com diferentes morfologias através de uma abordagem microfluidic para produzir gelo microatuadores. Para este efeito, microfluidic capilar com base em configurações foram construídas que permitem a formação de gotículas, seguida de fotopolimerização a temperaturas definidas.

Aqui, um aspecto crítico de uma síntese bem sucedida é a correcta montagem da instalação do. Todas as conexões entre as partes única devem ser fixadas corretamente para evitar qualquer vazamento de líquidos, e o dispositivo deve ser limpa antes de cada síntese para evitar o entupimento. É também crucial que o experimento é realizado sob condições UV-free, desde que, caso contrário, a polimerização prematura da mistura de monômero e assim novo entupimento da instalação seria o resultado.

Até hoje, a abordagem de microfluidic descrita aqui é o único método capaz de produzir compreendendo partículas de gelo. Por este meio, o processo de microfluidic cumpre duas exigências ao mesmo tempo. Além da fabricação de uma infinidade de igual tamanhos micro-objetos, uma orientação do líquido cristalino diretor é nele induzida estas partículas. Além disso, é um procedimento bastante simples, uma vez que um grande número de atuadores pode ser sintetizado em uma única etapa. Aplicação de outros métodos, a orientação das mesogens geralmente requer uma etapa adicional, como o alongamento da amostra ou a aplicação de camadas de foto-alinhamento. Além disso, estes processos são manuais, o que significa que a produção de muitos atuadores é muito demorada. Além disso, a morfologia do LCE é-nos mais casos limitados aos filmes de polímero. Desvantagens da abordagem microfluídicos são a limitação da partícula de tamanho (como o diâmetro é restrito para valores entre 200 e 400 µm), a vulnerabilidade à obstrução do capilar e a necessidade de condições UV-livre durante a preparação de partículas em a instalação.

Sistemas em-microplaqueta são frequentemente utilizados para fabricações de partícula microfluidic desde que eles facilmente podem ser produzidos e são feitos de uma só peça. Estas configurações, no entanto, não só faltam o necessário ajuste das temperaturas diferentes durante o fluxo mas também não são flexíveis o suficiente para trocar facilmente obstruídas ou quebradas partes do Microrreator. Portanto, as configurações baseadas em capilar que usamos são mais adequadas para a síntese de atuadores de gelo, como cumprem os requisitos cruciais.

Além de nossos resultados apresentados de Janus-partículas e concha-núcleo micropumps de actuação, mais complexa, as partículas de actuação apresentando novas propriedades podem ser sintetizadas no futuro e abrir novas possibilidades para aplicações de atuador macio. A modificação adicional das partículas de Janus para multi responsivos partículas já está em andamento. Portanto, nós estamos apontando para a introdução de um polímero de temperatura segundo responsivo além o accionamento de gelo. Ainda mais possibilidades para novos projetos de partícula também podem surgir da utilização de líquido cristalinos azo-monômeros, que resulta na atuação orientada para a luz de Ice-partículas17,18. Nesse caso, podemos pensar de partículas de Janus que contém tanto uma temperatura-responsivos como uma parte da foto de actuação. A síntese de partículas de casca-núcleo orientado para a luz ou estruturas semelhantes a tubos oferece um outro projeto de partícula possível, o que levaria a micropumps foto-sensível. A modificação dos procedimentos microfluidic princípio que apresentamos acima deve permitir uma variedade de atuadores de novos.

Disclosures

Os autores não têm nada para divulgar.

Acknowledgments

Os autores agradecer à Fundação de ciência do alemão para o financiamento deste trabalho (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

Química questão 135 microfluídicos partícula partícula de Janus partícula do núcleo-casca microesfera atuador músculo artificial líquido cristalino elastômero responsivo a estímulos fotopolimerização síntese de fluxo contínuo
Microfluidic preparação dos atuadores do líquido cristalino de elastômero
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