我々は、弾性不安定性による膨潤ゲルチューブの制御パターン変換を示しています。単純な投影マイクロステレオリソグラフィーのセットアップは層ごとの方式で3次元ポリマー構造を作製するために、既製のデジタルデータプロジェクターを使用して構築されています。機械的な制約の下でハイドロゲルチューブの膨潤は、ディメンションに応じて様々な周方向の座屈モードを表示します。
座屈は、力学における古典的なトピックです。座屈が長い主要な構造故障モード1の一つとして研究されてきたが、それは最近のパターン変換のためのユニークな機構として新たな注目を集めている。自然は、エキゾチックなパターンの富は機械的不安定性2-5貫通して形成されているような例がいっぱいです。このエレガントなメカニズムに触発され、多くの研究は、このようなエラストマーおよびヒドロゲル6月11日のような柔らかい素材を使用してパターンの作成 と変換を実証している。彼らは自発的に外力6月10日を必要とせずに様々なパターンを作成するために機械的不安定性を引き起こすことができますので、腫れゲルは特に興味がある。最近、我々は投射マイクロ光造形(PμSL)、急速にコンピュータ生成3Dモデルiを変換することが可能な3次元(3D)の製造技術を用いたマイクロスケールの筒状のゲルのパターンを座屈に対するフルコントロールのデモを報告している高解像度12,13でNTO物理オブジェクト。ここでは、制御されたパターン変換のための腫れ誘起不安定座屈を研究するために、市販のデジタルデータプロジェクターを使用して簡略化されたPμSLシステムを構築するための簡単な方法を提示する。
シンプルなデスクトップ3Dプリンタは、既製のデジタルデータプロジェクターや凸レンズとミラー14のような単純な光学部品を使用して構築されています。 3Dソリッドモデルから抽出した断面画像を層ごとのやり方で所望の3Dソリッド構造に液状樹脂を重合し、シーケンス内の感光性樹脂表面上に投影される。でも、このシンプルな構成と簡単なプロセスで、任意の3Dオブジェクトが容易にサブ100μmの分解能で作製することができる。
このデスクトップ3Dプリンタは、さまざまな3D形状を探索するための絶好の機会を提供することにより、ソフトな材料力学の研究の可能性を秘めている。我々は、ファブリカにこのシステムを使用する異なる寸法のteの筒状のハイドロゲル構造。基板への底に固定され、管状のゲルは不安定座屈を生じる腫れ、中に不均一な応力を開発しています。ゲル構造の座屈受けるときに様々な波状のパターンは、チューブの円周に沿って表示されます。実験では、目的のモードの座屈円周が制御された方法で作成することができることを示しています。 3次元構造の管状のゲルのパターンの変換は、力学と材料科学でなく、そのようなチューナブルmatamaterialsのような他の多くの新たな分野だけでなく、重要な意義を持っています。
基板上に拘束管状のハイドロゲルの膨張で、安定性のみT / Hに依存しており、座屈モードにのみH / D 12に依存します。規格化膜厚t / hのレベルの異なるサンプルの4つのグループ(I〜IV)はグループが私はより厚く、より細身であることIV群であることと、作製した。各グループには、 私は短く、背の高いあるサンプルIVあるサンプルと正規化された高さH / Dのレベルが異なる4サンプル(I-IV)で構成されています。作製した試料の寸法は表1に示されている。グループIIIとIVはバックルや腫れ、変形するように設計されているのに対し、グループI及びIIは 、腫れの間に安定した滞在に設計されています。座屈サンプル、bucklin用Gモードは、サンプルの高さが減少するはずである。 図3Aは、実験結果を示しています。理論が予測したように、グループIおよびIIのサンプルでは、安定しており、グループIIIとIVのサンプルでは、すべての弾性不安定性を介して行って、座屈しながら、腫れ上に円形のままであった。また、同じH / Dを有する試料は類似座屈モードが表示されました。 図3Bは、理論予測とのグループIIIおよびIVでの試料の実験的に観察座屈モードの比較を示します。我々は、同じH / Dでそのサンプルを参照してくださいに関係なく厚さの同じ座屈後パターンを提起し、その実験結果は理論とよく一致することができます。
我々は、市販のデジタルデータプロジェクターを使用して簡単なデスクトップ3Dプリントシステムを構築する方法を述べる。提案されたアプローチは詐欺に対するポリマーの硬化に依存しています3D構造をstruct、およびしたがって、任意の光硬化ポリマーも限り光開始剤は、可視波長範囲内の適切な吸光度を持っているとして、一般的に使用することができます。多くの市販の光開始剤は、紫外線(UV)波長のために設計されることに注意しますが、ここで使わ光開始剤は、400nmよりも長い波長で比較的高い吸光度を持っています。 3Dオブジェクトを製作するための簡単かつ迅速な方法を提供し、この方法は、ここで示したような柔らかい材料力学を含め、様々な分野で応用されています。
The authors have nothing to disclose.
著者らは、 図1Dに示すように3D構造の断面画像を提供するためのイリノイ大学アーバナ·シャンペーン校でジョセフMuskinとマシューラグーザに感謝したいと思います。
Name of the reagent | Company | Catalogue number | Comments (optional) |
Poly(ethylene glycol) diacrylate | Sigma-Aldrich | 437441 | Mw~575 |
Poly(ethylene glycol) | Sigma-Aldrich | P3015 | Mw~200 |
phenylbis(2,4,6-trimethylbenzoyl) phosphine oxide | Sigma-Aldrich | 511447 | Photo-initiator |
Sudan I | Sigma-Aldrich | 103624 | Photo-absorber |
Digital data projector | Viewsonic | PJD6221 | |
Convex lens | Thorlabs | LA1145 | f = 75.0 mm |
Mirror | 4″ silicon wafer | ||
Manual stage | Velmex | A2506DE-S2.5 |