Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Подготовка microfluidic жидкий кристаллический эластомер приводов

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

Эта статья описывает microfluidic процесс и параметры подготовить исполнительные частиц из жидкости кристаллический эластомеров. Этот процесс позволяет подготовки исполнительными частиц и изменения их размера и формы (от сплюснутой для сильно обьемная, ядро оболочка и морфологии Janus), а также величина срабатывания.

Abstract

Этот документ посвящен microfluidic процесса (и его параметры) подготовить исполнительные частиц из жидкости кристаллический эластомеров. Подготовка обычно заключается в формировании капель, содержащих низкий молярной массы жидких кристаллов при повышенных температурах. Впоследствии эти частицы прекурсоры ориентируется в поле поток капилляра и затвердевает сшивки полимеризации, который производит окончательное исполнительные частиц. Оптимизация процесса необходима для получения исполнительные частиц и надлежащего изменения технологических параметров (температуры и потока скорость) и позволяет изменения размера и формы (от сплюснутой для сильно обьемная морфологии), а также величина срабатывания. Кроме того это позволяет изменять тип срабатывания от удлинение для сжатия в зависимости от профиля директор, индуцированной капли во время поток в капилляр, который опять же зависит от microfluidic процесса и его параметры. Кроме того можно приготовить частиц более сложных фигур, как ядро оболочка структуры или частицы Януса, регулируя настройки. Вариация химической структуры и режим сшивки (отверждения) жидкий кристаллический эластомер это также можно приготовить исполнительные частицы вызваны тепла или облучения UV-vis.

Introduction

Синтезы microfluidic стали известный метод для изготовления приводов жидкий кристаллический эластомер (LCE) в последние несколько лет1,2,3. Этот подход не только обеспечивает производство большое количество хорошо исполнительные частиц, но и позволяет изготовление форм и морфологии, которые не обслуживаются другими методами. Так как LCE приводы перспективных кандидатов для приложения как искусственные мышцы в микро робототехника, новые методы синтезировать такие частицы имеют большое значение для этой технологии будущего4.

В LCEs мезогенов жидкого кристалла (LC) прикреплены к полимерной цепи эластомерных сети5,6,,78. Связь между мезогенов полимерные цепи таким образом может произойти в виде боковой цепи, главное цепи или комбинированных LC-полимер9,10,11. Расстояние между точками сшивки должно быть достаточно далеко позволить свободный переориентации полимерной цепи между ними (в самом деле, это верно для любого эластомер, которая отличает их от «реактопластов»). Таким образом сшивки могут быть постоянными или обратимым из-за сильного взаимодействия non ковалентные12,,1314. Этот вид материала сочетает в себе свойства обоих, анизотропная поведение жидкого кристалла с энтропийной упругости эластомеров. В диапазоне температур своей жидкой кристаллической фазы полимерные цепи принять (более или менее) растягивается конформации, вызванные анизотропии жидкой фазы кристаллический, который количественно параметром нематические порядка. Когда образец переводится выше температуры стеклования нематические изотропной фазы, анизотропия исчезает, и сети расслабляет энергично выступает случайных катушки конформации. Это приводит к макроскопической деформации и, таким образом, срабатывание5,15. Помимо нагрева образца, этот этап перехода может также быть наведено другие раздражители, такие как света или растворителя диффузии в LCEs16,,1718,19.

Для того, чтобы получить сильные деформации, это необходимо, что образец либо формы monodomain или функции по крайней мере предпочтительным ориентации директоров одного домена во время сшивки шаг20. Для производства LCE фильмов это часто достигается путем растяжения предварительно полимеризованной образца, через ориентация доменов в электрического или магнитного поля, с помощью фото выравнивание слоев или через 3D-печати21 ,22,-23,-24,-25,-26.

Другой подход является непрерывная подготовка LCE частиц на основе капиллярно microfluidic капелька генераторов. Жидкий кристаллический мономера капельки разметаны в вязких непрерывной фазой, которая протекает вокруг капли и применяет скорости сдвига на поверхности капель. Таким образом наблюдается циркуляцию внутри капли мономера, который вызывает общее выравнивание жидкой кристаллической фазы27. Таким образом величина сдвига ставок, действующих на капли имеет сильное влияние на капельки форму и размер, а также ориентации жидкий кристаллический директор поля. Эти хорошо ориентированных капельки могут затем быть полимеризуется далее вниз по течению в microfluidic установки. Таким образом подготовка приводы с различной формы (например, частиц и волокон) и более сложные морфологии как ядро оболочка и Янус частицы являются возможные28,,2930,31. Это возможно даже подготовить сжатый частицы, которые протянулись вдоль их оси симметрии и высоко обьемная, волоконно как частицы, которые сокращаться на фазового перехода. Оба типа частиц могут быть сделаны с такой же microfluidic установки, просто меняя скорость сдвига27. Здесь мы представляем протокол о том, как производить такие LCE приводы различных морфологии в самостоятельно изготовленные на основе капиллярно microfluidic приборы.

Помимо эффекта mesogen выравнивания в LCE капельки и доступность полимеров с различной формы microfluidic подходы имеют дополнительные преимущества. По сравнению с другими методами изготовления частиц как осадков в не растворитель или подвеска полимеризации32 (что приводит к частиц с широким размер распределение), монодисперсных частиц (коэффициент вариации размера частиц Это < 5%) может быть синтезировано с помощью микрофлюидика33,34. Кроме того это легко сломать сфере симметрии капель потоком. Таким образом крупные частицы с цилиндрической симметрией доступны, которая необходима для приводов. Это отличается от сделанных подвеска полимеризации32LC-частиц. Кроме того размер частиц хорошо регулируемых микрофлюидика в диапазоне от нескольких микрон до сотен микрон, и добавок легко могут быть привлечены в частицы или на их поверхности. Вот почему microfluidic частиц подготовка часто используется в такие темы, как поставки наркотиков35 или производство косметики36.

Microfluidic установок, используемых в этой статье были введены Серра и др. 33 , 37 , 38 . Они изготавливаются самостоятельно и состоят из высокопроизводительных жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) политетрафторэтилен (ПТФЭ) трубы и перекрёстки, а также кварцевое капилляров, которые обеспечивают одной фазы. Таким образом настройки могут быть легко изменены, и отдельные части просто могут быть обменены, поскольку они являются коммерчески доступными. Фотоинициатора добавляется к смеси мономера, который позволяет использовать соответствующий источник света побудить полимеризации капельки на лету, после того, как они покинули капилляра. Облучение помимо капилляров необходим для предотвращения засорения установки. Другие виды полимеризации только начало полимеризации после того, как капля оставил капиллярные (например, с инициаторами, основанный на окислительно-восстановительные процессы)39. Однако из-за быстроты фото индуцированной сшивки полимеризации и возможность удаленно управляться, photoinitiation является наиболее выгодным.

Поскольку смесь мономера LCE кристаллический при комнатной температуре, необходим тщательный температуры контроль всей microfluidic установки. Таким образом частью установки, в котором происходит формирование капель помещается в водяной бане. Здесь при высоких температурах в изотропных расплава смеси образуются капельки. Для ориентации капли должны быть охлажден в жидкой фазе кристаллический. Таким образом полимеризации трубка помещается на горячей плите, который установлен в нижнем диапазоне температур LC-фазы (рис. 1).

Здесь мы описываем гибкий и простой метод для изготовления LCE приводов в потоке. Этот протокол предоставляет шаги, необходимые для построения microfluidic установки для синтеза одной частицы, а также Janus и ядро оболочка частиц в течение нескольких минут. Далее мы опишем, как для запуска синтеза и показать типичные результаты, а также свойства исполнительные частиц. Наконец мы обсудим преимущества данного метода и почему мы думаем, что это может принести прогресс в области LCE приводы.

Protocol

1. синтез одного исполнительные LCE частиц

  1. Монтаж устройства
    Примечание: Все материалы, используемые для установки microfluidic являются ВЭЖХ поставок и коммерчески доступных.
    1. Оборудовать блюдо Ванна вода стекла [диаметр (D): 190 мм, соединения: два 29/24 матового стекла суставов фланец монтируется] с двумя перегородками. Протяжки оба перегородками с помощью шила по размеру трубки с наружным диаметром 1/16 дюйма (OD) через отверстие открытия.
    2. Приложите фитинги для труб OD 1/16 дюйма и соответствующий обойма к концу штуцер (трубка 1.1; OD: 1/16 дюйма, внутренний диаметр (ID): 0.17 мм, длина (L): 5 см) и придерживаться кончик (ОК. 1 см) полиимидно покрытием кремнезема капилляров (ID: 100 мкм, OD: 165 мкм, L: 7 см) в него.
    3. Привинтить трубу на один из противоположной руки полиэфирных кетонов эфира (PEEK) т-образного перекрестка для 1/16 дюйма ОД трубки, которая монтируется на небольшой металлический стол. Теперь капилляр должен выступать несколько centemeters из т-образного перекрестка.
      Примечание: PTFE трубы лучше всего разрезать с помощью труборез. По капиллярам расщепления камень лучше всего использовать.
    4. Прикрепить подходящего фитинга и обойма к концу второй штуцер (труба 1.2; ОД: 1/16 дюйма, ID: 0,75 мм), который достаточно долго, чтобы достичь шприцевый насос вне водяной бани и прикрутите боковой кронштейн т-образного перекрестка.
    5. Палка третий штуцер (трубка 1.3; ОД: 1/16 дюйма, ID: 0,17 мм) через один из перегородками. Трубка 1.3 должна быть достаточно долго, чтобы подключить второй шприцевый насос с трубкой 1.1 внутри водяной бани. Добавьте две женщины luer замки для трубы OD 1/16 дюйма в запасных конец трубы 1.1 и 1.3, соответственно.
    6. Подготовить четвертый штуцер (полимеризации трубки 1.4; ОД: 1/16 дюйма, ID: 0,75 мм) с фитингом плюс Гарда и придерживаться его через второй носовой перегородки. Трубка 1.4 должна быть достаточно долго, чтобы оставить ванну водой и пройти точностью нагревательную пластину. Подключиться к оставшиеся руку т-образного трубки 1.4 через его установку и поместите конец стекла капиллярного внутри трубки.
    7. Поставьте ванну водой на горячей плите, есть с термометра, использовать клейкой лентой, чтобы исправить трубки 1.4 поверх точность нагревательной пластины и прикрепить 5 мл флаконе стекла до конца трубки 1.4. Подключите конец трубки 1.2 шприц заполнены с непрерывной фазой (силиконовое масло; вязкость: 1.000 m2/s), подключение трубки 1.3 шприц заполнены с гидравлического масла для этапа мономера (силиконовое масло; вязкость: 100 m2/s) и подключите оба Шприцы в шприцевой насос.
      Примечание: Чтобы подключить трубы к шприцы, Барб до девушки--люэровского разъемы для использования с 3/32 дюйма ID трубы лучше всего использовать.
    8. Установите стереомикроскопом с фокус устанавливается на капиллярной подсказка для включения наблюдения формирования капли и подключить источник УФ света (например., 500 W-ртутная лампа пара) с светового конуса сосредоточено на трубе 1.4.
  2. Подготовка смесь мономера
    1. Чтобы подготовить смесь мономера40, добавить 200 мг (4-acryloyloxybutyl) - 2,5 - di(4-butyloxybenzoyloxy) бензоата 50 мл флакон грушевидной формы.
    2. Добавьте в колбу 7,2 мг 1,6-гександиол диметакрилата (10 моль %) и 6,2 мг ethyl(2,4,6-trimethylbenzoyl) phenylphosphinate (фотоинициатор, 3 w %). Растворите смесь в около 1 мл дихлорметаном.
      Примечание: Начиная с шага 1.2.2., все действия должны выполняться под УФ света бесплатная условий (например, под желтый свет).
    3. Удаление растворителя полностью под вакуум в 313 K и расплавить остаточных твердых на 383 K в масляной ванне.
    4. Подготовки шприц с Барб до девушки--люэровского коннектора для использования с 3/32 дюйма ID трубы и прикрепить штуцер (труба 1,5; ОД: 1/8 дюйма, ID: 1,65 мм) через соединительной трубки (OD: 1/16 дюйма, ID: 0,75 мм). Составить смесь мономера в трубу 1.5 с помощью шприца.
      Примечание: Количество мономера не должно быть меньше, чем 70 мг. в противном случае, он становится очень трудно привлечь достаточно смесь мономера в трубу 1.5. Протокол может быть приостановлена здесь. Если это так, храните в холодильнике трубки.
  3. Подготовка частиц
    1. Прикрепите мужской люэровского для трубы OD 1/8 дюйма на обоих концах трубки 1.5, содержащие смесь мономера. После этого подключите оба конца трубки 1.5 с женской luer замки на концах труб 1.1 и 1.3.
      Примечание: Трубы следует промыть с жидкостями, предоставляемый насосы шприца до синтеза.
    2. Установите температуру водяной бане до 363 K и задать точность температуры пластины для 338 K. нагрева
    3. Убедитесь, что капилляр Совет находится в центре полимеризации трубки 1.5 и не прикасайтесь к стене.
      Примечание: Приведенные здесь температура оптимизированы для этой смеси мономера. В общем водяной бане температура должна быть достаточно высокой, чтобы расплавить смесь мономера и нагревательная пластинка температура должна быть в диапазоне температур жидкой кристаллической фазы.
    4. После того, как смесь мономера расплавляется, присвоено значение между 1.5 и 2.0 мл/ч скорость потока непрерывной фазы (cQ) и выбрать поток показатель соотношенияcQ/qd (Qd = скорость потока этапа гидравлические масла/мономера) между 20 и 200.
      Примечание: Для расхода Qc = 1,75 мл/ч и Qd = 0,35 мл/ч, хорошо исполнительные частиц с D 270 мкм наблюдаются, например.
    5. После начала формирования капли, дождаться капли все того же размера перед переключением на УФ свете. Для описанных мономера смеси положение источника УФ 1 см выше трубки 1.4 полимеризации в правом конце точности нагревательную пластину. Сбор различных фракций полимеризованной частиц в стекло 5-мл флаконе в конце трубки 1.4. Время течет под УФ свет, цвет капли следует изменить от прозрачного на белый.
      Предупреждение: Носить очки УФ защиты для защиты глаз.
    6. Положите щит (например, бумажная коробка) между источником света и водяной бане, во избежание любого засорению капилляров.
      Примечание: В случае засорения труб полимеризации, это может помочь для обогрева забиты часть с тепловой пушки.
    7. После того, как все мономера потребляется, чистой установки путем инъекций ацетона в трубу 1.3.

2. синтез ядро оболочка LCE частиц

  1. Монтаж устройства
    1. Выполните шаг 1.1.1. но вместо этого использовать блюдо ванна воды с D 190 мм.
    2. Приложите установку и обойма для обоих концах Рукава шланги пропилена (FEP) фторированные этилена (ID: 395 мкм, OD: 1/16 дюйма, L: 1,55 дюйма), соответственно. Во-первых, придерживаться кварцевое капиллярные (ID: 280 мкм, OD: 360 мкм, L: 8 см) через рукав, таким образом, что он выступает около 3 мм из одной стороны. Затем придерживаться тоньше капиллярные (ID: 100 мкм, OD: 165 мкм, L: 11 см) через побольше, так что она выступала на несколько миллиметров из его длинная сторона.
    3. Вкрутите втулку на одну из сопротивляясь оружия PEEK т-образного перекрестка для трубы OD 1/16 дюйма (1 т-образный перекресток) который монтируется на небольшой металлический стол, с конца короче больше капилляров, полез в т-образный перекресток.
    4. Палка штуцер (трубка 2.1; ОД: 1/16 дюйма, ID: 0,17 мм), достаточно долго, для подключения шприцевый насос с 1 т-образного перекрестка через один из водяной бани перегородками. Приложите установку и обойма конец трубки внутри водяной бани, подключите его к свободной боковой руку 1 т-образного перекрестка и придерживаться тоньше капилляра внутри трубки 2.1.
    5. Подготовить второй штуцер (трубки 2.2; ОД: 1/16 дюйма, ID: 0,5 мм) с фитингами и обойма и подключить его к запасных рука 1 т-образного перекрестка. Палка другой штуцер (трубка 2.3; ОД: 1/16 дюйма, ID: 0,5 мм) через второе отверстие в перегородки рядом с метро 2.1. Трубка 2.3 должна быть достаточно долго, чтобы подключить другой шприцевый насос с трубки 2.2.
    6. Добавьте две женщины luer замки для трубы OD 1/16 дюйма в свободные концы труб 2.2 и 2.3 внутри водяной бане, соответственно.
    7. Подключите свободный конец рукава к одному из сопротивляясь оружия второй PEEK т-образного перекрестка (2 т-образный перекресток) которая также монтируется на столик метал. Подготовить четвертый штуцер (трубки 2.4; ОД: 1/16 дюйма, ID: 0,75 мм) с штуцером плюс обойма. Трубка 2.4 достаточно долго, чтобы достичь третьей шприцевый насос вне водяной бани и подключить его к боковой рука 2 т-образного перекрестка.
    8. Подготовить пятый штуцер (полимеризации трубки 2,5; ОД: 1/16 дюйма, ID: 0,75 мм) с фитингом плюс Гарда и придерживаться его через другие перегородки. Трубка 2.5 должна быть достаточно долго, чтобы оставить ванну водой и передать высокой точностью нагревательную пластину. Соедините фитинг трубки 2,5 с оставшихся руку т-образного перекрестка. Теперь стеклянные капилляры советы должны быть расположены внутри трубки 2.5.
    9. Поставьте ванну водой на горячей плите, есть с термометра, использовать скотч исправить трубы 2.5 поверх точностью нагревательной пластины и присоединить 5 мл флакон стеклянный конец трубки. Подключите конец трубки 2.1 шприц заполнены с глицерином (внутренний этап), подключение трубки 2.3 шприц заполнены с гидравлического масла для этапа мономера (силиконовое масло; вязкость: 100 m2/s), подключение трубки 2.4 шприц заполнены с непрерывной фазой ( силиконовые масла; Вязкость: 1.000 m2/s) и подключить все шприцы в шприц насосов.
    10. Выполните шаг 1.1.7., но читать трубки 2.5 вместо трубки 1.4.
  2. Подготовка смесь мономера
    1. Выполните все шаги 1.2.
  3. Подготовка ядро оболочка частиц
    1. Прикрепите мужской люэровского для трубы OD 1/8 дюйма на обоих концах трубки, содержащие смесь мономера, соответственно. После этого подключите оба конца этой трубки с женской luer замки на концах трубки 2.2 и 2.3.
    2. Выполните шаги 1.3.2-1.3.4.
    3. Наблюдать за капли формирования через стерео Микроскоп.

3. синтез Janus LCE частиц

  1. Монтаж устройства
    1. Выполните шаг 1.1.1.
    2. Приложите установку и обойма для обоих концах трубок рукав FEP (ID: 395 мкм, OD: 1/16 дюйма, L: 1,55 дюйма), соответственно. Придерживаться двух параллельно унифицированных кварцевое капилляров (ID: 100 мкм, OD: 165 мкм, L1: 8 см, L2: 11 см) через рукав. Короткой капиллярной выступает около 3 мм из одной стороны рукава. На другой стороне рукава оба капилляров имеют одинаковую длину.
    3. Супер-клей капилляров, поставив некоторые клей на одном конце рукав и подождать до тех пор, пока он лечится.
    4. Подключите два PEEK перекрёстки, завинчивание рукав на одну из противоборствующих оружия, соответственно и смонтировать как на столик метал.
    5. Выполните шаги 2.1.4-2.1.7.
    6. Подготовить пятый штуцер (трубки 3,5; ОД: 1/16 дюйма, ID: 0,75 мм, L: 5 см) с фитингом плюс Гарда и подключить его с оставшихся рукой 2 т-образного перекрестка. Обе советы стеклянные капилляры расположены внутри трубки 3.5.
    7. Палка другой штуцер (трубка 3.6; ОД: 1/16 дюйма, ID: 0,5 мм) через другие перегородки. Трубка 2.6 должна быть достаточно долго, чтобы оставить ванну водой и пройти точностью нагревательную пластину. Подключение трубки 3.5 и 3.6 через установку систем для трубы OD 1/16 дюйма.
    8. Поставьте ванну водой на горячей плите, есть с термометра, использовать клейкой лентой, чтобы исправить трубки 3.6 поверх точностью нагревательной пластины и присоединить 5 мл флакон стеклянный конец трубки. Подключите конец трубки 3.1 шприц заполнены смесью водный мономера (мономер собственн-фаза), подключение трубки 3.3 шприц заполнены с гидравлического масла для этапа LC-мономера (силиконовое масло; вязкость: 100 m2/s), подключение трубки 3.4 шприц заполнены с непрерывной фазой (силиконовое масло; вязкость: 1.000 m2/s) и подключить все шприцы в шприц насосов.
    9. Выполните шаг 1.1.8, но читать трубки 3.6 вместо трубки 1.4.
  2. Подготовка жидкий кристаллический смесь мономера (LC)
    1. Выполните все шаги 1.2.
  3. Подготовка смеси водный мономера
    1. Приготовляют раствор 40 wt % акриламида в дистиллированной воде. Добавить 10 моль % сшивки агента N, N'-methylenebis(acrylamide) и 2 wt % инициатор 2-гидрокси-2-methylpropiophenone в решение. (Обе суммы являются относительно акриламида).
      Примечание: Для повышения вязкости смеси водный мономера, могут быть добавлены полиакриламида.
    2. Перемешать смесь для 24 h на RT и заполнить его в 1 мл шприц, потом.
  4. Подготовка частицы Януса
    1. Прикрепите мужской люэровского для трубы OD 1/8 дюйма на обоих концах трубки, содержащие смесь мономера LC, соответственно. После этого подключите оба конца этой трубки с женской luer замки на концах труб 3.2 и 3.3.
    2. Выполните шаги 1.3.2-1.3.4.
    3. Наблюдать за капли формирования через стерео Микроскоп.

4. анализ частиц

  1. Положите частицы на горячей сцене под оптический микроскоп, подключенный к компьютеру с изображений программное обеспечение. Для анализа воздействия частиц, фотографировать при температурах выше и ниже их температуры переходного этапа и измерить их D.
    Примечание: Капля масла кремния предотвращает пригорание на слайде объекта.
  2. Для оценки температуры частиц расчистки, определите температуру, при которой частицы теряют их двулучепреломления под микроскопом поляризованных оптических (POM).

Representative Results

В этом протоколе мы представляем синтез LCE частиц с различными морфологии через microfluidic подход. Microfluidic установок для изготовления одного, ядро оболочка и частицы Януса показаны в Рисунок 129,38,41. Одним из преимуществ производства непрерывного потока является очень хороший контроль над размера и формы частиц. Рисунок 2 показано преимущество установки одной капли: очень узкий гранулометрический со всех частиц же форма41. Настоящим размер сфер можно легко настроить путем изменения соотношения скорости потока различных фаз. После протокол, частиц диаметром от 200 до 400 мкм могут быть произведены хорошо контролируемым образом выбор потока скорость коэффициенты, как показано на рисунке 2b1. Наилучшие результаты получаются для скорости потока непрерывной фазы (cQ) между 1.5 и 2.0 мл/ч и соотношения скорость потока Q/qCd (Qd = скорость потока этапа мономера) между 20 и 200. Для скорости потока Qc = 1,75 мл/ч и Qd = 0,35 мл/ч, хорошо исполнительные частиц с диаметром 270 мкм наблюдаются, например. Если выбраны более высокие коэффициенты Qс/qd , формирование дроплет является меньше контролируются и распределение по размерам частиц становится гораздо шире. Для более низких коэффициентов частицы больше не сферической. В дополнение к корректировки скорость потока, расстояние УФ лампа для полимеризации трубки, а также позицию между левой и правой части точности поджарки можно изменить свойства срабатывания LCE частиц, которые происходит, к примеру, если Кинетика полимеризации изменения по причине выбора мономера смесь композиции или применяется температуры полимеризации, отличаются от значений, описанных здесь.

Рисунок 3 показывает, трехходовые частиц, который удлиняется до 70%, при нагревании выше температуры стеклования его фазы, которая доказывает, что выполнено требование индуцировать ориентация жидкий кристаллический директора до полимеризации. Это выравнивание результатов мезогенов от сдвига между высоковязких непрерывной фазой и мономера капельки поверхности. Если используются масла кремния ниже вязкости, частицы привода уменьшается.

Кроме того устройство microfluidic позволяет контролировать различные виды срабатывания шаблоны, например, удлинения или сокращения во время фазового перехода, изменяя скорости сдвига, действующие на капли во время полимеризации. Это могут быть обработаны легко при постоянной скорости потока непрерывной фазы с использованием различных внутренним диаметром трубки полимеризации. Рисунок 3 показывает обьемная форме частиц, который удлиняется вдоль его оси вращения и был синтезирован по более низким ставкам сдвига в трубу широкого полимеризации (ID: 0,75 мм). В этом случае вдоль концентрических директор поля выравниваются жидкий кристаллический молекул (мезогенов). С другой стороны стержень-частицы (как показано на рисунке 3b) оснащены сжатия во время фазового перехода и биполярный выравнивание мезогенов директор поля. Эта частица производился по более высоким ставкам сдвига в тоньше трубки полимеризации (ID: 0,5 мм).

Протокол описывает еще одно преимущество microfluidic процесса. Помимо одной частицы примеры более сложных морфологии также могут быть синтезированы. Рисунок 3 c показывает исполнительные ядро оболочка частиц и Рисунок 3d Janus частиц, которые были произведены после часть 2 и 3 протокол29,30.

Если вы правильно сделали все шаги протокола частиц свойства, показанные на рисунке 4 должны быть получены3,41. На рисунке 4отопления и охлаждения кривые строятся для одной частицы, синтезированных в различных расхода. При нагревании частиц от комнатной температуры, жидкий кристаллический порядок на первый - уменьшается для немного, что приводит к небольшой деформации частицы. Однако близко к фазе температура перехода, все ориентации вдруг теряется и частицы показывает сильное растяжение просто путем нагревать его на несколько градусов. Охлаждения частицы, гистерезис можно наблюдать, а оригинальная форма получается. Этот процесс является обратимым, над много циклов срабатывания, как показано на рисунке 4b.

Figure 1
Рисунок 1 : Microfluidic установок. (a) Общие установки включает в себя три шприцы, которые содержат гидравлические силиконовое масло (1), водный мономера смеси (3) и непрерывной фазой силиконового масла (4). Смесь жидкого мономера кристаллический (2) помещается на водяной бане (5) на 363 K, который нагревает жидкий кристалл в изотропных состояние. УФ облучения (7) на горячей плите (6) на 338 K в штате нематических жидких кристаллов инициируется капелька полимеризации. (Установки одной частицы равняется общей установки, но не хватает второй капилляров, шприц (3) и второй т-образного). (b) Эта группа показывает установки, содержащие два капилляров бок о бок друг с другом, который позволяет формирования капли Janus. (c) ядро оболочка установки состоит из капилляров, которая раздвижный в более широкие второй капилляров. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 2
Рисунок 2: представитель частицы, полученные в microfluidic установки одной частицы. () Эта группа показывает микроскопии образ монодисперсных LCE частиц в установки одной частицы microfluidic подготовлен. Шкалы бар = 200 µm. (b) Эта группа показывает зависимость диаметра частиц относительно соотношения скорости потока нефти (Qc) скорость потока смесь мономера (Qd). Размер получаемых частиц зависит только на соотношение скорость обоих этапов, а не на их абсолютные значения. (Эта цифра была изменена1 ом, Флейшман, Краус, Серра и Zentel и ом, Серра и Zentel41.) Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 3
Рисунок 3 : Оптической микроскопии изображения четырех различных частиц морфологии в нематические государства (на 353 K) и после фазового перехода в изотропных государстве (на 413 K). Эти панели показывают () удлинение сплюснутой формы LCE частицы (концентрические директор поле), (b) сокращение стержень как формы LCE-частицы (биполярный директор поле), (c) удлинение сплюснутой формы ядро оболочка частиц и частиц (d) сокращение обьемная образный Janus (левой части: LCE, правой части: Гидрогель акриламида). Масштаб баров = 100 µm. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. 

Figure 4
Рисунок 4 : Срабатывание свойства представитель одной частицы. () Эта группа показывает нагрева и охлаждения кривых LCE частиц, готовится в одной частицы microfluidic установки на различных расхода для непрерывной фазой. Частицы, подготовленных с самой высокой скоростью потока показывают сильных срабатывания (около 70%) и обе кривые образуют гистерезиса, соответственно. (b) это участок 10 циклов срабатывания LCE частиц показаны без снижения их срабатывания над номер цикла. Это доказывает, что частицы являются сшитый, и срабатывание является полностью обратимым. Примечание: Этот график был составлен за частицы из главной цепи LCE системы, но выглядит же для LCE система, используемая в этой статье. (Эта цифра была изменена с ом, Серра и Zentel41.) Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. 

Discussion

Мы описали изготовление частиц с различными морфологии через microfluidic подход производить LCE microactuators. Для этой цели на основе капиллярно microfluidic установок были построены, которые позволяют формирования капли, следуют фотополимеризации при определенных температурах.

Один из важнейших аспектов успешной синтеза вот правильный монтаж установки. Все соединения между одной части должны быть исправлены должным образом для предотвращения любой утечки жидкости, и устройство должно быть чистым перед каждой синтеза для предотвращения засорения. Важно также, что эксперимент проводится под УФ свободных условиях, поскольку, в противном случае, преждевременной полимеризации мономера смеси и таким образом снова засорения установки будет результат.

По сей день описанный здесь microfluidic подход является единственным методом, способны производить исполнительные LCE частиц. Настоящим microfluidic процесс выполняет два требования в то же время. Помимо изготовления множество одинаково размера микро-объектов ориентация жидкий кристаллический директор индуцируется в этих частиц. Кроме того это довольно простая процедура, так как большое количество приводов могут быть синтезированы в один шаг. Применение других методов, ориентация мезогенов обычно требуется дополнительный шаг как растяжение образца или применение фото выравнивания слоев. Кроме того эти процессы вручную, который означает, что производство многих приводов занимает очень много времени. Кроме того, LCE морфология является в большинство случаев ограничивается полимерных пленок. Недостатки подхода microfluidic являются ограничение частицы размером (как диаметр ограничен значениями между 200 и 400 мкм), уязвимость к засорению капилляров и необходимость УФ свободных условий при подготовке частиц в установки.

Системы на кристалле часто используются для microfluidic частиц измышления, поскольку они легко могут быть произведены и состоят из всего один кусок. Эти настройки, однако, не только отсутствуют необходимые регулировки различных температур во время поток но также не являются достаточно гибкими, чтобы легко обмениваться засорение или сломанных частей microreactor. Таким образом на основе капиллярно установок, которые мы используем больше подходят для синтеза LCE приводы, как они соответствуют требованиям, решающее значение.

Помимо нашей представленные результаты исполнительные Janus частиц и ядро оболочка Микронасосы более сложные, исполнительные частицы показывая новые свойства могут быть синтезированы в будущем и открыть новые возможности для приложений мягких привода. Дальнейшие модификации Janus частиц мульти реагировать частиц уже выполняется. Таким образом мы стремимся для введения второй температуры реагировать полимера, помимо исполнительные LCE. Дальнейшие возможности для новых конструкций частицы также могут возникнуть от использования жидкий кристаллический Азо мономеры, что приводит к инициативе свет срабатывания LCE частиц-17,18. В этом случае мы можем думать о Janus частиц, содержащих как температура отзывчивым, а также часть фото исполнительные. Синтез света driven ядро оболочка частиц или труба подобных структур предлагает другой дизайн возможных частиц, который приведет к фото отзывчивым Микронасосы. Модификация принцип microfluidic процедуры, которые мы представили выше следует разрешить целый ряд новых приводов.

Disclosures

Авторы не имеют ничего сообщать.

Acknowledgments

Авторы благодарят немецкого научного фонда для финансирования этой работы (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

Химия выпуск 135 Microfluidic частиц Janus частиц частиц ядро оболочка микросферы привода искусственных мышц жидкий кристаллический эластомер раздражители реагировать фотополимеризации непрерывный поток синтез
Подготовка microfluidic жидкий кристаллический эластомер приводов
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