توضح هذه المقالة عملية موائع جزيئية والمعلمات لإعداد الجسيمات ايجابيتان من اللدائن البلورية السائلة. تسمح هذه العملية إعداد تحرك الجزيئات واختلاف الحجم والشكل (من شل الأساسية مفلطح إلى متطاول بشدة، ومورفولوجيس يانوس) فضلا عن ضخامة يشتغل.
تركز هذه الورقة على عملية موائع جزيئية (والمعلمات) لإعداد الجسيمات ايجابيتان من اللدائن البلورية السائلة. الإعداد يتكون عادة في تشكيل قطرات تحتوي على بلورات سائلة الشامل المولى منخفضة في درجات حرارة مرتفعة. في وقت لاحق، الموجهة في مجال تدفق شعري هذه السلائف الجسيمات وتوطد جانب بلمرة كروسلينكينج، التي تنتج جسيمات ايجابيتان النهائي. الاستفادة المثلى العملية من الضروري الحصول على جسيمات ايجابيتان والتباين الصحيح لمعلمات العملية (معدل درجة الحرارة والتدفق) ويسمح للاختلافات في الحجم والشكل (من مفلطح إلى مورفولوجيس بشدة متطاول)، فضلا عن حجم يشتغل. وباﻹضافة إلى ذلك، فمن الممكن أن يختلف نوع يشتغل من استطالة إلى انكماش تبعاً للتشكيل الجانبي المدير المستحث للقطرات أثناء التدفق في الشعرية، التي تعتمد مرة أخرى على عملية موائع جزيئية ومعلماتها. وعلاوة على ذلك، يمكن إعداد جسيمات أشكال الأكثر تعقيداً، مثل الهياكل الأساسية-شل أو جسيمات يانوس، عن طريق ضبط الإعداد. باختلاف التركيب الكيميائي ووضع كروسلينكينج (التجميد) من الاستومر البلورية السائلة، من الممكن أيضا أن تعد ايجابيتان الجسيمات الناجمة عن الحرارة أو إشعاع الأشعة فوق البنفسجية بالنسبة.
وقد أصبحت موائع جزيئية التوليفات طريقة معروفة لتصنيع المحركات الاستومر البلورية السائلة (LCE) في آخر بضع سنوات1،2،3. هذا النهج يتيح إنتاج عدد كبير من جزيئات ايجابيتان جيدا، بل يسمح أيضا بتصنيع الأشكال ومورفولوجيس التي لا يمكن الوصول إليها بطرق أخرى. منذ المشغلات LCE المرشحين الواعدين لتطبيق كالعضلات الاصطناعية في الروبوتات الصغيرة، أساليب جديدة لتجميع هذه الجزيئات ذات أهمية كبيرة لهذه التكنولوجيا في المستقبل4.
في، ميسوجينس من الكريستال السائل (LC) متصلة بسلاسل البوليمر للشبكة المرنة5،6،،من78. وبالتالي يمكن أن يحدث الربط بين ميسوجينس في سلسلة البوليمر في شكل سلسلة من جانب، سلسلة رئيسية، أو10،،من911بوليمر LC مجتمعة. المسافة بين النقاط كروسلينكينج التي ينبغي أن تكون كافية للسماح بإعادة توجيه مجاناً سلسلة البوليمر في ما بين (وفي الواقع، هذا صحيح لأي الاستومر، التي تميز بها من “ثيرموسيتس”). وبالتالي، يمكن أن تكون crosslinking الدائمة أو عكسها بسبب التفاعلات غير التساهمية قوية12،،من1314. هذا النوع من المواد ويجمع بين خصائص على حد سواء، سلوك متباين من الكريستال السائل مع مرونة الاستومر انتروبيك. في نطاق درجة الحرارة من مرحلته البلورية السائلة، اعتماد سلاسل البوليمر تكيف ممدد (أكثر أو أقل) الناجمة عن تباين المرحلة البلورية السائلة، والتي يتم قياسها كمياً بواسطة المعلمة أمر nematic. عندما يتم إحضارها العينة فوق درجة حرارة التحول مرحلة nematic للخواص، يختفي تباين، والشبكة يرتاح إلى تشكيل لفائف عشوائي يفضل همة. وهذا يؤدي إلى تشوه العيانية، وهكذا يشتغل5،15. إلى جانب تدفئة العينة، يمكن أيضا أن يتسبب هذه المرحلة الانتقالية من المحفزات الأخرى مثل نشر الخفيفة أو المذيبات في لسيس16،17،،من1819.
بغية الحصول على تشوه قوي، من الضروري أن العينة أما أشكال مونودومين أو ميزات على الأقل توجه مفضل للمديرين في مجال واحد خلال الخطوة crosslinking20. لإنتاج أفلام LCE، غالباً ما يتحقق ذلك تمتد من عينة مبلمرة مسبقاً، عن طريق التوجه للمجالات في الكهربائي أو المجال المغناطيسي، مع المعونة من صور–محاذاة الطبقات أو عن طريق الطباعة 3D21 ،22،،من2324،،من2526.
نهجاً مختلفاً هو إعداد الجسيمات LCE مع المولدات التجميعية المستندة إلى الشعرية موائع جزيئية المستمر. مونومر البلورية السائلة قطرات متناثرة في مرحلة مستمرة عالية لزوجة، الذي يتدفق حولها القطرات ويطبق بمعدل قص على السطح القطرات. ولذلك، يلاحظ تداولها داخل الحبرية مونومر، مما يسبب محاذاة عموما من المرحلة البلورية السائلة27. وبالتالي، قد حجم معدلات القص على القطرات تأثيراً قويا على الشكل الحبرية والحجم، وكذلك على التوجه لميدان المدير البلورية السائلة. هذه قطرات جيدا المنحى يمكن أن ثم تكون بلمرة كذلك المصب في الإعداد موائع جزيئية. وهكذا، يتم إعداد المحركات بأشكال مختلفة (مثلاً، والجسيمات والألياف) ومورفولوجيس أكثر تعقيداً مثل شل الأساسية والجسيمات يانوس ممكن28،29،،من3031. فمن الممكن حتى لإعداد الجسيمات مفلطح، التي تمتد على طول محور التماثل والجسيمات العالية متطاول، مثل الألياف، يتقلص في مرحلة الانتقال. ويمكن إجراء كلا النوعين من الجسيمات مع نفس النوع من الإعداد موائع جزيئية، فقط باختلاف معدل القص27. نقدم هنا، بروتوكول كيفية إنتاج هذه المحركات LCE من مورفولوجيس مختلفة في الأجهزة المصنعة ذاتيا على أساس شعري موائع جزيئية.
بالإضافة إلى تأثير المحاذاة ميسوجين في قطرات LCE وإمكانية الحصول على البوليمرات بأشكال متفاوتة، بالنهج موائع جزيئية المزيد من مزايا. أساليب تصنيع الجسيمات الأخرى مثل هطول الأمطار في غير مذيب أو تعليق بلمرة32 (مما يؤدي إلى جسيمات بحجم-توزيع واسع)، بالمقارنة مع جزيئات مونوديسبيرسي (معامل اختلاف حجم الجسيمات هو < 5%) يمكن تجميعها باستخدام ميكروفلويديكس33،34. وباﻹضافة إلى ذلك، فمن السهل لكسر التناظر المجال من القطرات بتدفق. وهكذا، الجزيئات الكبيرة مع تماثل أسطواني يتم موجوداً، التي هي ضرورية للمحركات. وهذا يختلف عن LC-جسيمات أدلى بتعليق البلمرة32. وعلاوة على ذلك، حجم الجسيمات أيضا قابلة للتعديل حسب ميكروفلويديكس في طائفة من ميكرومتر عدة مئات من ميكرون، ويمكن بسهولة جلب المواد المضافة إلى الجسيمات أو على سطحها. وهذا السبب غالباً ما يستخدم إعداد الجسيمات موائع جزيئية في مواضيع مثل تسليم المخدرات35 أو تصنيع مستحضرات التجميل36.
وعرض موائع جزيئية على الأجهزة المستخدمة في هذه المقالة سيرا et al. 33 , 37 , 38 . هذه تصنع ذاتيا وتتكون من أنابيب بوليتيترافلوريثيليني (PTFE) كروماتوغرافيا سائلة عالية الأداء ([هبلك]) وتجونكشنز، فضلا عن الشعيرات الدموية السليكا فوسيد التي تقدم في مراحل واحدة. وهكذا، يمكن بسهولة تعديل الإعداد، ويمكن ببساطة تبادل أجزاء مفردة كما متوفرة تجارياً. فوتوينيتياتور إضافة إلى خلائط مونومر، التي يمكن استخدام مصدر الضوء المناسب للحث البلمرة قطرات على ذبابة، بعد مغادرتهم شعري. التشعيع وبصرف النظر عن الشعيرات الدموية ضروري لمنع انسداد الإعداد. أنواع أخرى من البلمرة فقط بدء البلمرة بعد أن غادر الحبرية الشعرية (مثلاً، مع المبادرين استناداً إلى عمليات الأكسدة والاختزال)39. ومع ذلك، نظراً لسرعة البلمرة crosslinking المستحثة بالصورة والقدرة على التحكم فيها عن بعد، فوتوينيتييشن هو الذي أصلح.
منذ مزيج LCE مركب بلوري في درجة حرارة الغرفة، تحكم في درجة حرارة دقيق من الإعداد موائع جزيئية كله ضروري. لذلك، يتم وضع الجزء من الإعداد التي يحدث فيها تشكيل الحبرية في حمام مائي. هنا، يتم تشكيل القطرات في ارتفاع درجات الحرارة في ذوبان الخواص من الخليط. للتوجه، ويجب تبريده القطرات إلى المرحلة البلورية السائلة. لذلك، يتم وضع أنبوب البلمرة على لوحة الساخن الذي يتم تعيين نطاق درجة الحرارة الدنيا LC-المرحلة (الشكل 1).
وهنا يصف لنا طريقة مرنة وبسيطة لتصنيع المحركات LCE في تدفق. يوفر هذا البروتوكول على الخطوات المطلوبة لإنشاء الإعداد موائع جزيئية لتركيب الجزيئات واحدة فضلا عن يانوس والجسيمات الأساسية-شل في بضع دقائق. المقبل، ونحن تصف كيفية تشغيل توليف وإظهار نتائج نموذجية، فضلا عن خصائص الجسيمات ايجابيتان. وأخيراً، نحن نناقش مزايا هذا الأسلوب وماذا نعتقد أنها قد تحقق التقدم في مجال المحركات LCE.
لقد قمنا بوصف تصنيع جزيئات مع مورفولوجيس مختلفة عن طريق اتباع نهج موائع جزيئية لإنتاج ميكرواكتواتورس LCE. ولهذا الغرض، بنيت على الأجهزة المستندة إلى الشعرية موائع جزيئية التي تسمح لتشكيل قطرات تليها فوتوبوليميريزيشن في درجات حرارة محددة.
هنا، هو أحد الجوانب البالغة الأهمية في توليفة ناجحة التركيب الصحيح لبرنامج الإعداد. كافة الاتصالات بين أجزاء واحد يجب أن تكون ثابتة بشكل صحيح لمنع أي تسرب للسوائل، ويجب أن يكون الجهاز نظيف قبل كل توليفي للحيلولة دون انسداد. من المهم أيضا أن التجربة تتم تحت ظروف خالية من الأشعة فوق البنفسجية، منذ، وأﻻ فلن البلمرة سابق لأوانه في خليط مونومر وانسداد وبالتالي مرة أخرى للإعداد النتيجة.
حتى يومنا هذا، أن النهج موائع جزيئية الموصوفة هنا هو الأسلوب الوحيد قادرة على إنتاج جزيئات LCE ايجابيتان. بموجب هذا، عملية موائع جزيئية يفي بالمتطلبات اثنين في نفس الوقت. وباﻹضافة إلى تلفيق العديد من الكائنات الصغيرة الحجم على قدم المساواة، هو فعل توجه لمدير البلورية السائلة في هذه الجسيمات. وباﻹضافة إلى ذلك، وإجراء بسيط جداً حيث يمكن تجميعها من عدد كبير من المحركات في خطوة واحدة. تطبيق أساليب أخرى، توجه ميسوجينس عادة ما يتطلب خطوة إضافية مثل تمتد من العينة أو تطبيق صور-محاذاة الطبقات. بالإضافة إلى ذلك، هذه العمليات اليدوي، مما يعني إنتاج العديد من المحركات مضيعة للوقت جداً. وعلاوة على ذلك، مورفولوجيا LCE-في معظم الحالات-تقتصر على أفلام البوليمر. عيوب النهج موائع جزيئية يتم الحد الجسيمات الحجم (حسب القطر مقيد للقيم بين 200 و 400 ميكرون)، تعرض لانسداد في الشعرية، والضرورة في ظروف خالية من الأشعة فوق البنفسجية خلال إعداد الجسيمات في برنامج الإعداد.
وكثيراً ما تستخدم نظم على شريحة لافتراءات الجسيمات موائع جزيئية نظراً لأنها يمكن أن تنتج بسهولة، وهي مصنوعة من قطعة واحدة فقط. هذه الأجهزة، ومع ذلك، تفتقر إلى التعديل اللازم لدرجات حرارة مختلفة أثناء التدفق بل أيضا ليست مرنة بما يكفي لسهولة تبادل أجزاء مكسورة أو انسداد ميكروريكتور. ومن ثم فالأجهزة المستندة إلى الشعرية ونحن نستخدم أكثر ملاءمة لتركيب المحركات LCE، كما أنها تفي بالمتطلبات الحاسمة.
وبصرف النظر عن نتائجنا المقدمة لإطلاق جسيمات يانوس وشل الأساسية ميكروبومبس، أكثر تعقيداً إطلاق جسيمات يضم خصائص جديدة يمكن توليفها في المستقبل وفتح إمكانيات جديدة لتطبيقات صمام لينة. التعديل المزيد من الجسيمات يانوس إلى جسيمات استجابة متعددة قيد التقدم بالفعل. ولذلك، نحن نسعى للأخذ بدرجة الحرارة البوليمر تستجيب الثانية إلى جانب LCE ايجابيتان. إمكانيات أخرى للجسيمات تصاميم جديدة يمكن أن تنشأ أيضا من استخدام الآزو البلورية السائلة-مونومرات، الذي ينتج يشتغل يحركها الضوء من جسيمات LCE17،18. وفي هذه الحالة، يمكن أن نفكر في جزيئات يانوس تحوي كل درجة حرارة المراعية، فضلا عن جزء تحرك الصورة. التوليف للجسيمات الأساسية-شل يحركها الضوء أو هياكل تشبه الأنابيب يقدم آخر الجسيمات ممكن التصميم، مما يؤدي إلى ميكروبومبس المراعية للصورة. ينبغي أن تسمح بتعديل إجراءات موائع جزيئية المبدأ الذي قدمنا أعلاه مجموعة متنوعة من المحركات الجديدة.
The authors have nothing to disclose.
يشكر المؤلفون “المؤسسة الألمانية” للعلوم لتمويل هذا العمل (زي 230/24-1).
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 |