نقدم هنا، بروتوكولا لإنتاج خيوط طويلة من السيليكون بولي دايمثيل سيلوكسان (PDMS) بخطورة الاعتماد عن طريق فرن. خيوط بناء على أمر من مئات ميكرومتر في القطر، وعشرات السنتيمترات في الطول وهي هيدروفوبيكالي باتيرنابل عن طريق نظام تصريف كورونا تسيطر عليها اردوينو.
سيليكون “بولي دايمثيل سيلوكسان” (PDMS) هو بوليمر متعددة الاستخدامات التي لا يسهل تشكيلها في خيوط طويلة. الأساليب التقليدية للغزل تفشل لأنه لا يحمل PDMS سيولة بعيد المدى في ذوبان. نحن نقدم طريقة محسنة لإنتاج خيوط PDMS بملف تعريف درجة حرارة صعدت من البوليمر كما أنها كروسلينكس من سائل الاستومر. من خلال رصد اللزوجة درجة حرارة دافئة، فإننا نقدر نافذة وقت عندما تكون لها خصائص مادية تنظيمي للرسم في خيوط طويلة. يمر خيوط فرن أنبوب ارتفاع درجة الحرارة، علاج لهم بما فيه الكفاية ليكون حصادها. خيوط هذه حدود مئات ميكرومتر في القطر، وعشرات السنتيمترات في الطول، وحتى أطول وأرق خيوط ممكن. هذه خيوط الاحتفاظ بالعديد من خصائص المواد السائبة PDMS، بما في ذلك هيدروفوبيسيتي للتحويل. علينا أن نظهر هذه الإمكانية مع أسلوب الزخرفة كورونا-تفريغ الآلي. هذه خيوط السيليكون PDMS باتيرنابل أن تكون لها تطبيقات في ويفينجس السيليكون ومكونات جهاز استشعار الغاز نفاذية ونموذج microscale فولداميرس.
سيليكون “بولي دايمثيل سيلوكسان” (PDMS) مواد المستخدمة على نطاق واسع مع العديد من تطبيقات التصنيع والبحوث. وهو الحرارة والغاز مقاومة للماء وعازلة كهربائياً ومسعور، يسهل اختراقها وآمنة الغذائي ومتوافق حيويا ومرنة مع نسبة بواسون مثالية تقريبا. بالإضافة إلى ذلك، فإنه يمكن أن تخدم سهولة كمضيف لجزيئات وظيفية مختلفة، أضيف أما قبل أو بعد علاج1،2. سطحه سهولة قابل للتعديل بابو أو البلازما الأكسجين أو التفريغ كورونا التبديل، هيدروفوبيسيتي، والحث على المدى القصير المتمتعة بالحكم الذاتي-التصاق3،4،5. على وجه الخصوص، فقد استخدمت أيضا في ميكروفلويديكس6.
خيوط PDMS مفيدة بشكل خاص في إنتاج ينسج ارتفاع سطح المنطقة السيليكون، والسيليكون مجسات الألياف7، ومواد التصنيع المضافة على أساس سيليكون (3D الطباعة). في مختبراتنا، نستخدم خيوط منقوشة هيدروفوبيكالي من PDMS كمنصة لدراسة قابلة للطي. الفريق الدراسات الإحصاءات خيوط كونفورماشونال في بيئة مائية عن طريق إثارة صوتية أثيرمال ونظام التصوير8المبلغ عنها سابقا.
تشكل نسبة الارتفاع ارتفاع خيوط من PDMS عبر التقليدية نموذج الصب التحدي. خيوط نسبا كبيرة السطح مساحة للتخزين، مما يزيد من تعقيد الإفراج من قوالب9. كان الباحثون النجاح اﻷغماد PDMS مع البوليمرات الناقل اليكتروسبينينج المستمر في النانو خيوط10،،من1112، على الرغم من خيوط الناتجة ليست محض PDMS.
الأسلوب السائد في الصناعة التحويلية لإنتاج خيوط ماكروسكالي من مواد أخرى ينطوي على استخلاص سائل لزج من خزان من خلال مسام. نموذجياً، هو سائل لزج لدن بالحرارة أو الزجاج الذي سائل في درجات حرارة عالية في الخزان ويبرد إلى خيط متين (غالباً غير متبلور)، فإنه يتم رسمها عن طريق مدخنة. وتسمى هذه العملية أحياناً تذوب الغزل، وأنه لا يتفق مع PDMS لأنه لا يحمل PDMS سيولة بعيد المدى في ذوبان. وقد تبين كتلة البوليمرات المشارك من السيليكون وألفا-ميثيل الستيرين لإنتاج خيوط عبر تذوب الغزل، ولكن مرة أخرى، خيوط الناتجة ليست محض PDMS13.
الأسلوب فإننا هنا مخطط أقرب إلى ذوبان الغزل، إلا يتم تبديل درجة الحرارة النسبية للخزان ومدخنة. PDMS هو السائل في خزان درجة حرارة الغرفة، كما أنها لم تنجز بعد العابرة للربط. تختلف لزوجة PDMS ك crosslinks زيت السيليكون مع عامل التجفيف، وهي عملية يمكن تسريع حرارياً. قبل وضعه في الخزان، نحن الحرارة PDMS علاج حتى يصل لزوجة مناسبة لتقطر الجاذبية طويلة، ثم العلاج بالتنقيط بعد عن طريق فرن أنبوب ساخنة في المدخنة. النهج الذي يماثل إلى حد ما “الجاف-الغزل”، في البوليمرات التي يتم حله في المذيبات المتطايرة التي تتبخر أثناء الرسم.
على حد علمنا، هو الأسلوب الوحيد المبلغ عنها من إنتاج خيوط طويلة من PDMS نقية لدينا المنشور السابق8 . أسلوب عرض هنا تحسنا كبيرا على النهج الأصلي، بقصد التقليل من فن العملية. وأبرزها بقياس اللزوجة خلال مرحلة ما قبل المعالجة وتوقيت فترات تهدئة، نحن قادرون على تقرير إطار موجوداً تجريبيا من خيوط سبينابيليتي. نحن نقدم أيضا وسيلة لإنتاج التعديلات السطحية قابلة للتكرار، والمترجمة على خيوط كورونا عبر تسيطر اردوينو الزخرفة النظام، تمكين الزخرفة مسعور طولية على طول الشعيرة.
الأساس لهذا الأسلوب هو التلاعب بالخصائص المادية لعلاج PDMS حيث تكون مناسبة لخطورة الرسم. قطرات خطورة الرسم إلى خيوط مستقرة يحكمها ثلاثة معلمات هو16. أنها تتعلق الجمود الحبرية بالنسبة للجاذبية (فرويد)، (فيبر)-التوتر السطحي واللزوجة (رينولدز). أن الخطوة الحاسمة من crosslinking PDMS حتى أنه يثبت تجريبيا ملحق مستقرة كل لدينا أسلوب معظم بشكل كبير يغير عدد رينولدز، خفض بأكثر من أمر من حجم، من 0.83 إلى 0.07. على النقيض من ذلك، هو التغيير التالي في أحد المعلمات بدون أبعاد أخرى أكبر عدد ويبر، مما يضاعف من مجرد. وهذا يدعم استخدام اللزوجة كوكيل حساسة لتعقب سبينابيليتي PDMS.
تحسنا حرجة في طريقة إنتاج خيوط سابق لدينا أن الشخصية اللزوجة خلال البروتوكول يتم استخدامه لتحديد أوقات العمل التجريبي. تحديد قيود تقنية، نحن قبل الشفاء دفعة PDMS كل البروتوكول وإزالته من الحرارة وأخذت قياسات اللزوجة في درجة حرارة الغرفة كما استمر PDMS العابرة للربط. ملف تعريف اللزوجة الناتج (الشكل 4) يشير إلى أن يشمل الإطار سبينابيليتي كبير بإزالة PDMS من viscometer 65 درجة مئوية ساخنة. لدينا بروتوكول ينطوي على إزالة PDMS قبل دخول النافذة سبينابيليتي، ثم السماح للعينة على مواصلة كروسلينكينج لحوالي 4.5 دقيقة كما يبرد لدرجة حرارة الغرفة. في وقت لاحق، قد المجرب حوالي 4 دقائق لاستدراجه من قبل crosslinking مستمرة يجعل في PDMS drawable لم يعد.
الأسلوب كما هو موضح في سهولة وتنتج خيوط مع أقطار يقارب 100 s ميكرومتر وأطوال حدود 0.5 متر. يقتصر طول خيوط الفضاء موجوداً تحت النتوء وفرن أنبوب. تعديل معقول للأسلوب الذي سيكون لتثبيته في مدخنة وقتاً أطول لإنتاج خيوط أطول. هو سحب تعديل ونحن لم تستكشف بعد ميكانيكيا خيوط بدلاً من الاعتماد على انخفاض جاذبية، مما قد يسفر عن خيوط أرق.
خطوة حاسمة للزخرفة هيدروفوبيكالي خيوط هو التعرض لتصريف كورونا في الظروف المحيطة. وهذا يقدم بعض الغموض، كما يتأثر الشكل/كثافة التصريف بالظروف المحيطة والتوصيل المحلية. فإنه يمكن ضبطها بوضع الموصلات على الأرض تحت الشعيرة، فضلا عن ضبط الجهد الجهاز كورونا (10-40 كيلو فولت). إليه كورونا السطح-التعديل نقل الطاقة إلكترون المحتمل ليسينج سلاسل الجانب PDMS والعمود الفقري. وللخروج من هذه السندات، سيحتاج الإلكترونات طاقة أقل من متوسط الطاقة اللازمة لإنتاج تفريغ حاجز عازل17. وهكذا، أداء غير قابلة لملاحظة أن مظاريف خيوط يحتمل أن تسفر عن تعديل السطح ويمكن أن يسهل اختباره عن طريق قياسات زاوية الاتصال قطرات الماء.
يتيح هذا الأسلوب سهلة نسبيا إنتاج خيوط PDMS السيليكون والزخرفة مسعور معقدة اللاحقة. الهدف الأولى هو إنتاج نظام فلدمير نموذجي الذي يمكن تصميم أنماط مسعور لإنتاج خيوط يمكن ملاحظتها مسارات قابلة للطي وهياكل مطوية. قد توفر هذا اختبارات قواعد التصميم القابلة للتعميم لهندسة قابلة للطي مسارات. أيضا قد خيوط هذه الطلبات المادية كجزء من مسعور أو المتفاعلة كيميائيا ينسج عبر المذيبات تورم، أو في استخدام المركبات المتفاعلة علقت في PDMS الغاز نفاذية.
The authors have nothing to disclose.
امتنان يعترف أصحاب البصيرة ومساعدة من جورج كوك، ي. س.. س. روبين وزنير ياء وجيم بارو، فوكوشيما جيم، موليجان م.، م. كيكليي، وبوسشاردت أ والدعم المالي المقدم من مؤسسة تلال روز وجونسون الصيف طالب منحة بحثية. كما تقر المؤلفين العمل التمهيدي بشأن اللزوجة كوسيلة لتتبع البلمرة سيليكون بطلاب “مختبر متقدم” في الكيمياء (خريف عام 2017).
2 part PDMS Silicone | Dow Corning Sylgard 184 | 4019862 | |
Thermosel | Brookfield | HT-110 115, HT-115A DP | |
viscometer | Brookfield | RVT115 | |
Disposible sample chamber | Brookfield | HT-2DB-100 | |
Disposible spindle | Brookfield | SC4-27D-100, SC4-DSY | |
Extruder | Makin's | 35055 | |
High-temperature silicone tubing | McMaster-Carr | 51135K16 | |
Cylindrical Tube heater (Ceramic) | Ours is a custom: 17.0 mm inner diameter, 38.7 mm outer diameter, 107.7 mm length, 150 Ohm. Companies include Watlow and Omega. Critical design considerations: smaller inner diameters will require better furnace-filament alignment, longer tubes should also be sufficient. | ||
Variable Transformer for heater | Variac | 3PN1010 | |
Metering valve | Swagelok | SS-2MA1 | |
Corona Discharge Device | Electro-Technic | BD20A | |
Arduino Kit | Elegoo | EL-KIT-003 | |
Nylon Fishing Line | EoongSng | B075DYVC3F | |
Pasta Drying Rack | Norpro | B00004UE7U | |
Infrared thermometer | Nubee | 81175535214 | |
Flatbed scanner | Canon | CanoScan 9000F MKII |