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.
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.
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.
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.
The authors have nothing to disclose.
Los autores agradecen a la Fundación de ciencia alemana para la financiación de este trabajo (Ze 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 |