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Chemistry

Preparación de microfluídica de elastómero cristalino líquido actuadores

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 artículo describe el proceso de microfluidos y parámetros para preparar partículas accionamiento de elastómeros cristalinos líquidos. Este proceso permite la preparación de la impulsión de las partículas y la variación de su tamaño y forma (de Oblatos a fuertemente prolato, core-shell y morfologías de Janus) así como la magnitud de la actuación.

Abstract

Este trabajo se centra en el proceso de microfluidos (y sus parámetros) para preparar partículas accionamiento de elastómeros cristalinos líquidos. La preparación consiste generalmente en la formación de gotas que contiene cristales de líquido masa molares baja a temperaturas elevadas. Posteriormente, estos precursores de partículas orientados en el campo de flujo del tubo capilar y solidificados de una polimerización de reticulación, que produce las partículas accionamiento finales. La optimización del proceso es necesaria para obtener las partículas de accionamiento y la adecuada variación de los parámetros del proceso (índice de temperatura y caudal) y permite variaciones de tamaño y forma (de Oblata a morfologías fuertemente prolate) así como la magnitud de la actuación. Además, es posible variar el tipo de actuación de alargamiento a la contracción dependiendo del perfil de Directora inducido a las gotitas durante el flujo en el capilar, de que depende otra vez del proceso de microfluidos y sus parámetros. Además, se pueden preparar partículas de formas más complejas, como las estructuras core-shell o partículas Janus, ajustando la configuración. Por la variación de la estructura química y el modo de reticulación (solidificación) del elastómero líquido cristalino, también es posible preparar accionamiento partículas provocadas por calor o irradiación de UV-vis.

Introduction

Síntesis de microfluidos se han convertido en un método bien conocido para la fabricación de actuadores de elastómero líquido cristalino (LCE) en el pasado pocos años1,2,3. Este enfoque no sólo permite la producción de un gran número de partículas bien accionamiento pero también permite la fabricación de formas y morfologías que no son accesibles por otros métodos. Como actuadores LCE son candidatos prometedores para una aplicación como músculos artificiales de micro-robótica, nuevos métodos para sintetizar dichas partículas son de gran importancia para esta futura tecnología4.

En LCEs, los mesógenos de cristal líquido (LC) se unen a las cadenas del polímero de un elastómero red5,6,7,8. El acoplamiento de los mesógenos a la cadena del polímero puede pasar así en forma de una cadena lateral, una cadena principal o un LC-polímero combinado9,10,11. La distancia entre los puntos de entrecruzamiento debe ser lo suficiente como para permitir una reorientación libre de la cadena del polímero en el medio (de hecho, esto es cierto para cualquier elastómero, que se distingue de "termoestables"). Tal modo, crosslinking puede ser permanente o reversible debido a interacciones no covalentes fuertes12,13,14. Este tipo de material combina las propiedades de ambos, el comportamiento anisotrópico de cristal líquido con la elasticidad entrópica de un elastómero. En el rango de temperatura de su fase cristalina líquida, las cadenas del polímero adoptan una conformación (más o menos) se extendía por la anisotropía de la fase cristalina líquida, que se cuantifica por el parámetro de orden nemático. Cuando la muestra es superior a la temperatura de transición de fase nemática a isotrópico, desaparece de la anisotropía, y la red se relaja a la conformación de la bobina al azar energéticamente favorecido. Esto conduce a una deformación macroscópica y actuación5,15. Además el calentamiento de la muestra, esta transición de fase también puede inducirse por otros estímulos tales como difusión de luz o solvente en la LCEs16,17,18,19.

Para obtener una deformación fuerte, es necesario que la muestra o bien forma un monodomain o características por lo menos una orientación preferida de administración de dominio único durante la reticulación paso20. Para la producción de películas de la LCE, esto se logra a menudo mediante el estiramiento de una muestra previamente polimerizada, mediante la orientación de los dominios de un eléctrico o campo magnético, con la ayuda de capas de foto-alineación o vía impresión 3D21 ,22,23,24,25,26.

Un enfoque diferente es la preparación continua de partículas de la LCE con generadores de gota basada en capilares microfluídicos. Gotas de monómero líquido cristalino se dispersan en una fase continua altamente viscosa, que fluye alrededor de las gotitas y se aplica una tarifa del esquileo en la superficie de las gotitas. Por lo tanto, se observa una circulación dentro de la gota de monómero, lo que provoca una alineación global de la fase cristalina líquida27. De tal modo, la magnitud de las tasas de corte actuando en las gotitas tiene una fuerte influencia en el tamaño y forma de la gota, así como en la orientación del campo director cristalino líquido. Estas gotitas bien orientadas pueden entonces ser polimerizadas más abajo en la configuración de microfluidos. Así, la preparación de los actuadores con diferentes formas (p. ej., partículas y fibras) y morfologías más complejas como la cáscara del núcleo y partículas Janus son posible28,29,30,31. Incluso es posible preparar partículas Oblatas, que se extienden a lo largo de su eje de simetría y altamente prolato, fibra-como partículas, las cuales se encogerán en la transición de fase. Ambos tipos de partículas se pueden hacer con el mismo tipo de configuración de microfluidos, sólo variando el esquileo tipo27. Aquí, presentamos el protocolo de cómo producir tales actuadores LCE de diferentes morfologías en dispositivos microfluídicos producción propia basado en el tubo capilar.

Además el efecto de alineación suple en gotitas LCE y la accesibilidad de polímeros con diferentes formas, enfoques de microfluidos con ventajas. En comparación con otros métodos de fabricación de partícula como la precipitación en un no disolvente o suspensión polimerización32 (que conduce a las partículas con una amplia distribución de tamaño), las partículas monodispersa (el coeficiente de variación de la granulometría es < 5%) pueden ser sintetizados usando la microfluídica33,34. Además, es fácil de romper la simetría de la esfera de las gotas por un flujo. Así, las partículas grandes con una simetría cilíndrica son accesibles, que es necesaria para los actuadores. Esto es diferente de LC-partículas de suspensión polimerización32. Además, el tamaño de partícula es también ajustable por la microfluídica en un rango de varios micrómetros a cientos de micras, y aditivos pueden llevarse fácilmente a las partículas o en su superficie. Por esta razón microfluídicos preparación de partículas es de uso frecuente en temas como drogas entrega35 o la fabricación de cosméticos36.

Las configuraciones de microfluidos en este artículo fueron introducidas por Serra et al. 33 , 37 , 38 . Estos se fabrican auto y consisten en tubos de politetrafluoroetileno (PTFE) cromatografía líquida de alto rendimiento (HPLC) y trata, así como tubos capilares de sílice fundida que proporcionan las fases individuales. Así, la configuración puede modificarse fácilmente y las piezas se pueden intercambiar simplemente como estén comercialmente disponibles. Un fotoiniciador se agrega a la mezcla de monómeros, que permite el uso de una fuente de luz adecuada para inducir la polimerización de la gotas sobre la marcha, después de que el tubo capilar. Irradiación, aparte de los capilares es necesaria para evitar una obstrucción de la configuración. Otros tipos de la polimerización sólo iniciar la polimerización después de la gota ha dejado el tubo capilar (p. ej., con iniciadores basados en procesos redox)39. Sin embargo, debido a la rapidez de la polimerización de reticulación inducida por la foto y la capacidad de controlar de forma remota, photoinitiation es la más ventajosa.

Mezcla de monómero de la LCE es cristalino a temperatura ambiente, es necesario un control de temperatura cuidadoso de la instalación todo microfluídicos. Por lo tanto, la parte de la instalación en la que se produce la formación de la gota se coloca en un baño de agua. Aquí, las gotitas se forman a altas temperaturas en el derretimiento isotrópico de la mezcla. Para la orientación, se deben enfriar las gotitas en la fase cristalina líquida. Por lo tanto, el tubo de polimerización se coloca en una placa que se establece en la gama más baja de la temperatura de la fase de LC (figura 1).

Aquí, describimos un método sencillo y flexible para la fabricación de actuadores LCE en un flujo. Este protocolo proporciona los pasos necesarios para construir la instalación de microfluidos para la síntesis de partículas individuales así como Janus y core-shell en pocos minutos. A continuación, se describe cómo ejecutar una síntesis y mostrar el resultado típico, así como las propiedades de las partículas de accionamiento. Finalmente, se discuten las ventajas de este método y por qué pensamos que podría aportar avances en el campo de los actuadores de la LCE.

Protocol

1. síntesis de accionamiento solo partículas LCE

  1. El dispositivo de montaje
    Nota: Todos los materiales utilizados para la instalación de microfluidos son HPLC suministro y disponible comercialmente.
    1. Equipar un plato de vidrio agua baño [diámetro (D): 190 mm, conexiones: juntas de vidrio esmerilado de dos 29/24 montado en brida] con dos particiones. Abordar ambos septos con un punzón para montar un tubo con un diámetro exterior (OD) de 1/16 de pulgada a través del orificio de apertura.
    2. Coloque una conexión para tubo de 1/16 de pulgada OD y la férula correspondiente en el extremo de un tubo PTFE (tubo 1.1; OD: 1/16 pulgadas, diámetro interno (ID): 0.17 m m, longitud (L): 5 cm) y la punta del palillo (aprox. 1 cm) de un capilar de sílice recubiertas de poliamida (ID: 100 μm, OD: 165 μm, L: 7 cm) en él.
    3. Atornille el tubo por uno de la oposición los brazos de una cetona del éter del poliéter (PEEK) cruce de 1/16 de pulgada OD tubos, que se ha montado sobre una pequeña mesa de metal. Ahora, el tubo capilar debe sobresalir unos PDA del cruce.
      Nota: Tubos PTFE se cortan mejor con la ayuda de un cortador de tubos. De los capilares, es mejor usar una piedra Hendedoras.
    4. Colocar un montaje adecuado y la férula al final de un segundo tubo PTFE (tubo 1.2; OD: 1/16 de pulgada, ID: 0,75 mm), que es suficiente para llegar a una bomba de jeringa fuera de la bañera de agua y enrosque en el brazo lateral del cruce.
    5. Pegar un tercer PTFE tubo (1.3; OD: 1/16 de pulgada, ID: 0.17 m m) a través de uno de los septos. Tubo 1.3 debe ser lo suficientemente largos para conectar una segunda bomba de la jeringuilla con el tubo 1.1 dentro de la bañera de agua. Agregar dos cierres luer hembra para tubería de 1/16 de pulgada OD el recambio final de tubos 1.1 y 1.3, respectivamente.
    6. Preparar un cuarto tubo PTFE (polimerización tubo 1.4; OD: 1/16 de pulgada, ID: 0,75 mm) con una conexión más virola y el palillo a través del tabique del segundo. Tubo 1.4 debe ser suficientemente largo para dejar el baño de agua y pasar una placa de calentamiento de precisión. Conexión tubo 1.4 vía su al brazo restante del cruce y coloque el extremo del vidrio capilar dentro del tubo.
    7. Poner el baño de agua en un plato caliente, equipado con un termómetro, utilice cinta adhesiva para fijar tubo 1.4 sobre la precisión de placa de calentamiento y coloque un frasco de vidrio de 5 mL en el extremo del tubo 1.4. Conecte el extremo del tubo de 1.2 para una jeringa llenado con la fase continua (aceite de silicona, la viscosidad: 1,000 m2/s), conecte el tubo 1.3 a una jeringa llenado con el aceite hidráulico para la fase de monómero (aceite de silicona, la viscosidad: 100 m2/s) y conectar ambos jeringas en una bomba de jeringa.
      Nota: Para conectar los tubos a las jeringas, conectores barb-a-mujer-luer-lock para uso en tubos de 3/32 pulgada ID son los mejores usar.
    8. Instalar un estereomicroscopio con el foco se establece en la punta del capilar para permitir la observación de la formación de la gotita y montar una fuente de luz UV (por ej., una lámpara de vapor de 500 W de mercurio) con el cono de luz centrado en tubo 1.4.
  2. Preparación de la mezcla de monómero
    1. Para preparar la mezcla de monómero40, agregar 200 mg de (4-acryloyloxybutyl) - 2,5 - di(4-butyloxybenzoyloxy) benzoato a un matraz de pera de 50 mL.
    2. Añadir 7,2 mg de dimetacrilato de 1, 6-hexanodiol (10 mol %) y 6,2 mg de phenylphosphinate de ethyl(2,4,6-trimethylbenzoyl) (fotoiniciador, 3% w) en el matraz. Disolver la mezcla en 1 mL de diclorometano.
      Nota: A partir de paso 1.2.2., todas las medidas deben realizarse en condiciones UV libre de luz (por ejemplo, bajo luz amarilla).
    3. Quite el solvente totalmente bajo vacío a 313 K y fundir el sólido residual a 383 K en baño de aceite.
    4. Preparar una jeringa con un conector de lengüeta-para-mujer-luer-lock para uso con tubería de 3/32 pulgada ID y fije el tubo PTFE (tubo de 1,5; OD: 1/8 de pulgada, ID: 1,65 mm) a través de una conexión del tubo (OD: 1/16 de pulgada, ID: 0,75 mm). Elaboración de la mezcla de monómero en el tubo 1.5 con la ayuda de la jeringa.
      Nota: La cantidad de monómero no debe ser menor de 70 mg. Si no, resulta muy difícil establecer suficiente mezcla de monómero en tubo de 1.5. El protocolo puede hacer una pausa aquí. Si es así, guarde el tubo en un refrigerador.
  3. Preparación de las partículas
    1. Coloque una cerradura de luer macho para tubo de 1/8 de pulgada OD a ambos extremos del tubo que contiene la mezcla de monómero de 1.5. Luego, Conecte ambos extremos del tubo 1.5 con los cierres luer hembra en los extremos de los tubos 1.1 y 1.3.
      Nota: Los tubos se deben enjuagar con el líquido suministrado por las bombas de la jeringuilla antes de la síntesis.
    2. Temperatura del baño de agua 363 K y la precisión de temperatura de la placa a K. 338 de calefacción
    3. Asegúrese de que la punta del capilar está en el centro del tubo de polimerización 1.5 y no toque la pared.
      Nota: Las temperaturas dadas están optimizadas para esta mezcla de monómero. En general, la temperatura del baño debe ser lo suficientemente alta para fundir la mezcla de monómero y temperatura de la placa debe estar en el rango de temperatura de la fase cristalina líquida.
    4. Después de que se derrita la mezcla de monómero, establece el caudal de la fase continua (Qc) a un valor entre 1.5 y 2.0 mL/h y flujo razón de tasas de Qc/qd (Qd = el caudal de la fase de aceite hidráulico/monómero) entre 20 y 200.
      Nota: Para caudales de Qc = 1,75 mL/h y Qd = 0,35 mL/h, se observan las partículas bien tirando con una D de 270 μm, por ejemplo.
    5. Después de la formación de gotas, espere hasta que las gotas son todas del misma tamaño antes de encender la luz UV. Para la mezcla de monómero descrito, coloque la fuente de UV 1 cm por encima del tubo 1.4 de la polimerización en el extremo derecho de la placa de calentamiento de precisión. Recoger las distintas fracciones de las partículas polimerizadas en el frasco de vidrio de 5 mL en el extremo del tubo 1.4. Mientras que fluye bajo la luz UV, color de las gotas debe cambiar de transparente a blanco.
      PRECAUCIÓN: Use gafas de protección UV para proteger los ojos.
    6. Poner un escudo (por ejemplo, una caja de papel) entre la fuente luminosa y el baño de agua, para evitar cualquier obstrucción del tubo capilar.
      Nota: En caso de un obstrucción tubo de polimerización, puede ayudar a calentar la pieza tapada con una pistola de calor.
    7. Después de que el monómero se consume, limpie la configuración mediante la inyección de acetona en el tubo 1.3.

2. síntesis de partículas Core-shell LCE

  1. Montaje del dispositivo
    1. Siga el paso 1.1.1. pero un plato de baño de agua con una D de 190 mm en lugar de otro.
    2. Coloque una conexión y virola en ambos extremos de una manga de tubería fluorado etileno propileno (FEP) (ID: 395 μm, OD: 1/16 de pulgada, L: 1.55 pulgadas), respectivamente. En primer lugar, pegar un capilar de sílice fundida (ID: 280 μm, OD: 360 μm, L: 8 cm) a través de la manga, de tal manera que sobresalga unos 3 mm de un lado. Luego pegue un capilar más fino (ID: 100 μm, OD: 165 μm, L: 11 cm) a través de la más grande, así que eso él sobresale unos milímetros en su lado más largo.
    3. El tornillo el manguito en uno de los brazos opuestos de un cruce PEEK para tubos de 1/16 de pulgada OD (cruce 1) que está montada sobre una pequeña mesa de metal, con el extremo corto del tubo capilar mayor alcance en el cruce.
    4. Pegar un tubo PTFE (tubo 2.1; OD: 1/16 de pulgada, ID: 0.17 m m) que es suficiente para conectar una bomba de jeringa con 1 cruce a través de uno de los tabiques del baño. Fije una guarnición y un casquillo al extremo del tubo dentro de la bañera de agua, conectar el brazo lateral libre de cruce 1 y pegar el tubo capilar más fino dentro del tubo 2.1.
    5. Preparar un segundo tubo PTFE (tubo 2.2; OD: 1/16 de pulgada, ID: 0,5 mm) con una guarnición y una virola y conéctelo en el brazo de repuesto de cruce 1. Stick otro PTFE tubo (2.3; OD: 1/16 de pulgada, ID: 0.5 mm) a través de un segundo orificio en el tabique al lado tubo 2.1. Tubo 2.3 debe ser lo suficientemente largos para conectar otra bomba de la jeringuilla con el tubo de 2.2.
    6. Añadir dos cierres luer hembra para tubería de 1/16 de pulgada OD a los extremos libres de los tubos 2.2 y 2.3 dentro de la bañera de agua, respectivamente.
    7. Conecte el extremo libre de la manga a uno de los brazos opuestos de un segundo cruce PEEK (cruce 2) que se monta también en la pequeña mesa de metal. Preparar un cuarto tubo PTFE (tubo 2,4; OD: 1/16 de pulgada, ID: 0,75 mm) con una guarnición además de virola. 2.4 el tubo es suficientemente largo para llegar a una tercera bomba de jeringa fuera de la bañera de agua y conecte en el brazo lateral de cruce 2.
    8. Preparar un quinto tubo PTFE (polimerización tubo 2.5; OD: 1/16 de pulgada, ID: 0,75 mm) con una guarnición además de virola y el palillo a través del otro tabique. Tubo 2.5 debe ser suficientemente largo para dejar el baño de agua y pasar una alta precisión placa de calentamiento. Conexión tubo de 2.5 con el brazo restante del cruce. Ahora consejos de los tubos capilares de vidrio deben estar ubicados dentro del tubo 2.5.
    9. Poner el baño de agua en un plato caliente, equipado con un termómetro, utilice cinta adhesiva para fijar tubo 2.5 en la parte superior una placa de calentamiento de precisión y colocar un frasco de vidrio de 5 mL al final del tubo. Conecte el extremo del tubo 2.1 a una jeringa llenado con glicerol (fase interna), conecte el tubo 2.3 a una jeringa llena con el aceite hidráulico para la fase de monómero (aceite de silicona, la viscosidad: 100 m2/s), conecte el tubo 2.4 a una jeringa llenado con la fase continua ( aceite de silicona; viscosidad: 1,000 m2/s) y conecte todas las jeringas en bombas de la jeringuilla.
    10. Siga el paso 1.1.7., pero tubo 2.5 en lugar de tubo 1.4.
  2. Preparación de la mezcla de monómero
    1. Siga todos los pasos de 1.2.
  3. Preparación de las partículas core-shell
    1. Coloque una cerradura de luer macho para tubos de 1/8 de pulgada OD a ambos extremos del tubo que contiene la mezcla de monómero, respectivamente. Luego, Conecte ambos extremos de este tubo con las cerraduras luer hembra en los extremos de los tubos 2.2 y 2.3.
    2. Siga los pasos 1.3.2-1.3.4.
    3. Observar la formación de gota vía un microscopio estéreo.

3. síntesis de Janus LCE partículas

  1. Montaje del dispositivo
    1. Siga el paso 1.1.1.
    2. Fije una conexión y virola en ambos extremos de una manga de tubería de FEP (ID: 395 μm, OD: 1/16 de pulgada, L: 1.55 pulgadas), respectivamente. Pegar dos tubos capilares de sílice fundido alineadas paralelamente (ID: 100 μm, OD: 165 μm, L1: 8 cm, L2: 11 cm) a través de la manga. El tubo capilar corto sobresale unos 3 mm de un lado de la manga. En el otro lado de la manga, tanto los capilares tienen la misma longitud.
    3. Súper pegamento los capilares poniendo algunos pegamento en un extremo de la manga y esperan hasta que se cure.
    4. Conecte dos trata PEEK, girando el manguito en uno de los brazos opuestos, respectivamente y montar en una pequeña mesa de metal.
    5. Siga los pasos 2.1.4-2.1.7.
    6. Preparar un quinto tubo PTFE (tubo 3.5; OD: 1/16 de pulgada, ID: 0,75 mm, L: 5 cm) con una conexión y virola y conectar con el brazo restante de cruce 2. Ambos extremos de los tubos capilares de vidrio se encuentran dentro del tubo 3.5.
    7. Stick otro PTFE tubo (3.6; OD: 1/16 de pulgada, ID: 0.5 mm) a través del otro tabique. Tubo 2.6 debe ser suficientemente largo para dejar el baño de agua y pasar una placa de calentamiento de precisión. Conectar tubos 3.5 y 3.6 a través de sistemas de tubería de 1/16 de pulgada OD apropiados.
    8. Poner el baño de agua en un plato caliente, equipado con un termómetro, utilice cinta adhesiva para fijar tubo 3.6 encima de una placa de calentamiento de precisión y colocar un frasco de vidrio de 5 mL al final del tubo. Conecte el extremo del tubo 3.1 a una jeringa llenado con una mezcla de monómero acuosa (fase monómero AQ), conecte el tubo 3.3 a una jeringa llena con el aceite hidráulico para la fase del LC-monómero (aceite de silicona, la viscosidad: 100 m2/s), conecte el tubo 3.4 a una jeringa llenada de con la fase continua (aceite de silicona, la viscosidad: 1,000 m2/s) y conecte todas las jeringas en bombas de la jeringuilla.
    9. Siga el paso 1.1.8, pero leer tubo 3.6 en lugar de tubo 1.4.
  2. Preparación de la mezcla de monómero líquida de cristalino (LC)
    1. Siga todos los pasos de 1.2.
  3. Preparación de la mezcla de monómero acuosa
    1. Preparar una solución de 40 wt % acrilamida en agua destilada. Agregar 10% mol de la reticulación del agente N, N'-methylenebis(acrylamide) y 2% en peso del iniciador 2-hidroxi-2-methylpropiophenone a la solución. (Ambas cantidades son con respecto a la acrilamida).
      Nota: Para aumentar la viscosidad de la mezcla de monómero acuosa, puede agregarse poliacrilamida.
    2. Removemos la mezcla durante 24 h a temperatura ambiente y llene una jeringa de 1 mL, posteriormente.
  4. Preparación de las partículas de Janus
    1. Coloque una cerradura de luer macho para tubos de 1/8 de pulgada OD a ambos extremos del tubo que contiene la mezcla de monómero de LC, respectivamente. Luego, Conecte ambos extremos de este tubo con las cerraduras luer hembra en los extremos de los tubos 3.2 y 3.3.
    2. Siga los pasos 1.3.2-1.3.4.
    3. Observar la formación de gota vía un microscopio estéreo.

4. Análisis de las partículas

  1. Poner las partículas en una fase caliente debajo de un microscopio óptico conectado a un ordenador con software de imágenes. Para analizar la actuación de las partículas, tomar fotos a temperaturas por encima y por debajo de su temperatura de transición de fase y medir su D.
    Nota: Una gota de aceite de silicona impide que las partículas que se pega en la diapositiva de objeto.
  2. Para estimar la temperatura de las partículas claro, determinar la temperatura a la cual las partículas pierden su birrefringencia bajo el microscopio óptico polarizado (POM).

Representative Results

En este protocolo, presentamos la síntesis de partículas de la LCE con morfologías diferentes a través de un enfoque de microfluidos. Las configuraciones de microfluidos para la fabricación de solo, core-shell y las partículas Janus se muestran en la figura 129,38,41. Una de las ventajas de la producción de flujo continuo es el control muy bueno sobre el tamaño y la forma de las partículas. Figura 2 una ilustra la ventaja de la configuración de una gota: una distribución de tamaño muy estrecha con todas las partículas tienen la misma forma41. Por este medio, el tamaño de las esferas puede ajustarse fácilmente cambiando la relación de caudales de las diferentes fases. Siguiendo el protocolo, diámetros de partículas entre 200 y 400 μm puede producir de forma bien controlada por elegir el flujo de las proporciones de tasas, como se muestra en la figura 2b1. Los mejores resultados se obtienen para las tasas de flujo de la fase continua (Qc) entre 1,5 y 2,0 mL/h y para las proporciones de tasas de flujo de QC/qd (Qd = el caudal de la fase de monómero) entre 20 y 200. Para los caudales de Qc = 1,75 mL/h y Qd = 0,35 mL/h, bien tirando partículas con un diámetro de 270 μm se observan, por ejemplo. Si se seleccionan más altos cocientes Qc/qd , la formación de gota es tan controladas y distribución de tamaño de las partículas se convierte en mucho más amplia. Relaciones más bajas, las partículas no son esféricas ya. Además de los ajustes de la tasa de flujo, la distancia de la lámpara UV para el tubo de polimerización así como la posición entre la izquierda y el extremo derecho de la placa de precisión puede cambiar las propiedades de la actuación de las partículas de la LCE, que sucede, por ejemplo, si el cinética de polimerización cambia por elegir monómero composiciones de mezcla o aplicar temperaturas de polimerización diferentes de los valores aquí descritos.

Figura 3 una muestra una partícula de accionamiento que se alarga hasta un 70% cuando se calienta por encima de su temperatura de transición de fase, que demuestra que se cumple el requisito de inducir una orientación del director cristalino líquido antes de la polimerización. Esta alineación de los mesógenos resultados de cizalla entre la fase continua muy viscosa y superficie de las gotas de monómero. Si se utilizan aceites de silicona de baja viscosidad, actuación de la partícula se reduce.

Además, el dispositivo de microfluidos permite el control sobre diferentes tipos de patrones de actuación, tales como elongación o contracción durante la transición de fase, variando la tarifa del esquileo actúa sobre las gotas durante la polimerización. Esto puede ser procesado fácilmente a velocidades de flujo constante de la fase continua utilizando diferentes diámetros internos del tubo de polimerización. Figura 3 una muestra un prolate en forma de partícula, que se alarga a lo largo de su eje de rotación y se sintetiza en tasas más bajas del esquileo en un tubo de polimerización más amplio (ID: 0,75 mm). El líquido moléculas cristalinas (mesógenos) están alineadas a lo largo de un campo concéntrico director en este caso. En el otro lado, barra-como partículas (como se ilustra en la figura 3b) presentan una contracción durante la transición de fase y una alineación bipolar del campo de los mesógenos director. Esta partícula fue producida en mayores tasas de cizallamiento en un tubo más fino de la polimerización (ID: 0,5 mm).

El protocolo describe otra de las ventajas del proceso de microfluidos. Además de las partículas individuales, muestras de morfologías más complejas también pueden ser sintetizadas. Figura 3 c muestra una partícula core-shell accionamiento yd de la figura 3una partícula de Jano que se produjeron tras parte 2 y 3 del protocolo29,30.

Si todos los pasos del Protocolo se hacen correctamente, deben obtenerse partículas las propiedades mostradas en la figura 4 3,41. En la figura 4un, la calefacción y el enfriamiento de las curvas se trazan para solas partículas sintetizadas en las tasas de flujo diferentes. Mediante el calentamiento de la partícula de la temperatura ambiente, el orden cristalino líquido es - al principio - reducido un poco, lo que da lugar una pequeña deformación de la partícula. Sin embargo, cerca de la temperatura de transición de fase, toda la orientación se pierde repentinamente y la partícula indica un fuerte alargamiento sólo calefacción para unos pocos grados. Por enfriamiento la partícula, puede observarse una histéresis, y se obtiene la forma original. Este proceso es reversible en muchos ciclos de actuación, como se muestra en la figura 4b.

Figure 1
Figura 1 : Configuraciones de microfluidos. (a) el general configuración incluye tres jeringas, que contienen el aceite de silicona hidráulica (1), la mezcla de monómero acuoso (3) y el aceite de silicona de fase continua (4). La mezcla de monómero líquido cristalino (2) se coloca en el baño de agua (5) 363 k, que se calienta el cristal líquido el estado isotrópico. Polimerización de la gota se inicia en la placa (6) 338 k en el estado nemático del cristal líquido por la irradiación UV (7). (La configuración sola partícula es igual a la configuración general, pero carece el segundo capilar, jeringa (3) y el segundo cruce). (b) este panel muestra una configuración que contiene dos tubos capilares al lado uno al otro, que permite la formación de la gotita de Janus. (c) el core-shell de instalación se compone de un tubo capilar que es telescópica en un más amplio segundo capilar. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: partículas representativas obtenidas en la configuración de la sola partícula de microfluidos. (a) este panel muestra una imagen de microscopía de monodispersa partículas LCE preparadas en la configuración de la sola partícula de microfluidos. Barra de escala = 200 μm. (b) este panel muestra la dependencia del diámetro de las partículas con respecto a la relación de flujo de aceite (Qc) a la tasa de flujo de la mezcla de monómero (Qd). El tamaño de las partículas obtenidas es solamente dependiente sobre el cociente de la velocidad de ambas fases y no sus valores absolutos. (Esta figura se ha modificado de ohmios, Fleischmann, Kraus, Serra y Zentel1 y Ohm, Serra y Zentel41). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3 : Imágenes de microscopía óptica de cuatro morfologías diferentes de la partícula en el nemático del estado (a 353 K) y después de la transición de fase en el isotrópico del estado (a 413 K). Estos paneles muestran (a) la elongación de una forma Oblata LCE partícula (campo director concéntricos), (b) la contracción de una barra como forma LCE-partícula (director bipolar campo), (c) el alargamiento de un núcleo en forma Oblata-shell partícula y (d) la contracción de un Jano prolate-en forma de partículas (parte izquierda: LCE, parte derecha: hidrogel de acrilamida). Barras de escala = 100 μm. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 

Figure 4
Figura 4 : Propiedades de la actuación de partículas únicas representante. (a) este panel muestra curvas de partículas LCE está preparadas en la configuración de microfluidos sola partícula en diferentes caudales para la fase continua de frío y calor. Las partículas en el más alto caudal muestran la actuación más fuerte (70%) y ambas curvas forman una histéresis, respectivamente. (b) se trata de una parcela de 10 ciclos de accionamiento de partículas LCE no mostrando disminución de su actuación sobre el número de ciclo. Esto demuestra que las partículas son reticulado, y la actuación es completamente reversible. Nota: Este gráfico fue dibujado para una partícula de un sistema LCE cadena principal pero es la misma para el sistema LCE en este artículo. (Esta figura se ha modificado de ohmios, Serra y Zentel41). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 

Discussion

Hemos descrito la fabricación de partículas con diferentes morfologías a través de un enfoque de microfluidos para producir LCE microactuadores. Para este propósito, fueron construidas basados en capilares microfluídicos configuraciones que permiten la formación de gota seguida por fotopolimerización a temperaturas definidas.

Aquí, un aspecto crítico de una síntesis exitosa es el correcto montaje de la instalación. Todas las conexiones entre las partes deben fijarse adecuadamente para evitar cualquier filtración de los líquidos, y el equipo debe estar limpio antes de cada síntesis para evitar atascamientos. También es crucial que el experimento se realiza en condiciones libres de UV, puesto que, de lo contrario, la polimerización prematura de la mezcla de monómero y así otra vez obstrucción de la instalación sería el resultado.

Hoy en día, el enfoque de microfluidos se describe aquí es el único método capaz de producir partículas LCE accionamiento. Por la presente, el proceso de microfluidos cumple con dos requisitos al mismo tiempo. Además de la fabricación de una multitud de micro-objetos de igual tamaños, la orientación del director cristalino líquido es inducida en estas partículas. Además, es un procedimiento bastante simple ya que un gran número de actuadores se puede sintetizar en un solo paso. Aplicación de otros métodos, la orientación de los mesógenos generalmente requiere un paso adicional como el estiramiento de la muestra o la aplicación de capas de alineación de la foto. Además, estos procesos son manuales, lo que significa que la producción de muchos actuadores es muy desperdiciador de tiempo. Además, la morfología LCE es de más casos-limitado a películas de polímero. Desventajas del enfoque microfluídicos son la limitación de la partícula tamaño (como el diámetro se restringe a valores entre 200 y 400 μm), la vulnerabilidad a la obstrucción del tubo capilar y la necesidad de condiciones libres de UV durante la preparación de partículas en el programa de instalación.

Sistemas de la en-viruta se suelen utilizar para microfluidos fabricaciones de partícula ya que fácilmente pueden ser producidos y están hechos de una sola pieza. Estas configuraciones, sin embargo, no sólo falta el necesario ajuste de temperaturas diferentes durante el flujo pero también no son lo suficientemente flexibles para intercambiar fácilmente las partes obstruidas o rotas de los microreactores. Por lo tanto, las configuraciones basadas en el tubo capilar que utilizamos son más convenientes para la síntesis de actuadores LCE, cuando cumplan los requisitos cruciales.

Aparte de nuestros resultados presentados de Janus-partículas y microbombas core-shell de impulsión, más compleja actuación partículas con nuevas propiedades podrían sintetizarse en el futuro y abren nuevas posibilidades para las aplicaciones del actuador suave. La modificación más de partículas Janus de partículas múltiples respuestas ya está en progreso. Por lo tanto, nuestro objetivo es la introducción de un segundo polímero sensible temperatura además de la LCE de accionamiento. Otras posibilidades para los nuevos diseños de partícula también pueden surgir de la utilización de líquido cristalinos azo-monómeros, que se traduce en la actuación basada en la luz del LCE-partículas17,18. En ese caso, podemos pensar en partículas Janus que contiene tanto una temperatura sensible así como foto-impulsión parte. La síntesis de partículas core-shell basada en luz o pipa-como las estructuras ofrece otro diseño de partícula posible, que daría lugar a microbombas foto-sensible. La modificación de los procedimientos de microfluídica de principio que presentamos arriba debe permitir una gran variedad de actuadores nuevos.

Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Los autores agradecen a la Fundación de ciencia alemana para la financiación de este trabajo (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

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References

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Preparación de microfluídica de elastómero cristalino líquido actuadores
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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).

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