液晶エラストマーのアクチュエータのマイクロの準備
Summary
マイクロ プロセスと液晶エラストマーから作動粒子を準備するためのパラメーターについて説明します。このプロセスは、作動の大きさだけでなく、そのサイズと形状 (強く形を扁平コア-シェル、ヤヌス形態から) の変化と粒子を作動の準備をできます。
Abstract
本稿はマイクロ プロセス (および、パラメーター) 液晶エラストマーから作動粒子を準備するに焦点を当てください。準備は、通常低モル質量液晶高温をもつ微小水滴の形成で構成されます。その後、これらの粒子の前駆物質は毛細血管の流れ場における指向、最終的な作動粒子を生成する架橋重合による固化します。プロセスの最適化は、作動の粒子とプロセス パラメーター (温度と流量率) の適切な変動を取得する必要があるでき、サイズと形状 (オブラートに強く形形態) からの変化だけでなく、作動の大きさ。さらに、再びマイクロ プロセスとそのパラメーターに依存する毛細血管の流れの中に水滴を誘導監督プロフィールによって収縮する伸長から作動の型を変更することが可能です。さらに、コア ・ シェル構造やヤヌス粒子のようなより複雑な形状の粒子は、設定を調整することにより用意できます。化学構造の変化と液晶エラストマーの架橋 (凝固) のモード、また熱や紫外-可視照射によって引き起こされる作動の粒子を準備することが可能としてます。
Introduction
マイクロ合成最後数年1,2,3液晶エラストマー (LCE) アクチュエータの作製法がよく知られているとなっています。このアプローチは、よく作動の粒子の多数の製造を可能にだけでなく、図形や他のメソッドによってアクセスされていない形態の作製ができます。LCE アクチュエータはマイクロ ロボットの人工筋肉として応用できる有望な候補者であるのでそのような粒子を合成する新しいメソッドはこの将来の技術4の大きい重要性。
第、液晶 (LC) の液晶エラストマー ネットワーク5,6,7,8の高分子鎖をアタッチします。高分子鎖に液晶のリンケージにより複合高分子液晶9,10,11や主鎖、側鎖の形で発生します。架橋点の間の距離であるべき間に高分子鎖の無料向きかえを許可する十分 (実際には、これは「熱硬化性」からそれらを区別する任意エラストマーの真)。これにより、永続的なまたは強力な非共有結合性相互作用12,13,14による可逆的な架橋がすることができます。このような材料は、エラストマーのエントロピー弾性の液晶の挙動の異方性の両方の性質を兼ね備えています。その液晶相の温度範囲、高分子鎖は、ネマティック秩序パラメーターによって定量化されます液の結晶相の異方性によって引き起こされる (多かれ少なかれ) 伸ばされた構造を採用します。サンプルがネマチック-等方相転移温度以上になったときに、異方性が消失し、ネットワークを精力的に支持されたランダム コイル構造を緩和します。これは巨視的変形そしてこうして作動5,15リードします。サンプルの加熱、ほか第16,17,18,19光や溶媒の拡散など他の刺激によってもこの相転移を誘起することができます。
強力な変形を得るためには、必要なサンプルか形作ることモノドメインまたは機能架橋ステップ20の間単一ドメインの取締役の少なくとも配向です。LCE のフィルムの生産のためこれは、光配向膜または経由で3 D 印刷21 の助けを借りて電気または磁気フィールドにドメインの向きによる重合前のサンプルの伸縮によって、22,23,24,25,26。
別のアプローチは、キャピラリーを用いたマイクロ液滴発生器 LCE 粒子の連続合成です。液晶性モノマーの液滴は、液滴回り、液滴の表面にせん断速度を適用する高粘度の連続相に分散しています。したがって、液晶相27の全体的な配置を引き起こすモノマー液滴内部循環が観察されます。これにより、液滴に働くせん断速度の大きさは、液滴の形状とサイズの両方でだけでなく、液体の結晶配向場の向きに強い影響を受けた。これらの配向の液滴にはすることができますマイクロ セットアップで下流に、重合さらに。したがって、さまざまな形 (例えば粒子や繊維) とコア-シェルとヤヌスの粒子のようなより複雑な形態のアクチュエータの作製は可能な28,29,30,31相転移の縮小、高長球、繊維状粒子、対称の軸線に沿って延びている扁平粒子を準備することも可能です。せん断率27を変化させるだけで両方のタイプの粒子のマイクロ セットアップの同じ種類の可能です。ここでは、自ら製造したキャピラリーを用いたマイクロ流体デバイスで異なる形態のような LCE アクチュエータを生成する方法のプロトコルを提案する.
LCE 液滴における分子配向の効果やさまざまな形を持つ高分子のアクセシビリティのほかマイクロ アプローチの利点がありますさらに。非溶媒または懸濁重合32 (広範な粒度分布と粒子につながる) の沈殿物のような他の粒子作製法と比較して単分散粒子 (粒子径の変動係数< 5%) マイクロ33,34を使用して合成することができます。さらに、流れによって液滴の球対称性を破るに簡単です。したがって、円筒対称性を持つ大きな粒子は、アクチュエータに必要なアクセス可能です。これは LC 粒子懸濁重合32製から異なります。また、粒径が数ミクロンから数百ミクロンの範囲でマイクロでも調節可能、粒子にまたは彼らの表面で、添加物をもたらす簡単にすることができます。これは、マイクロ粒子の作製は薬配信35または36化粧品の製造のようなトピックで用いられる理由です。
この資料で使用されているマイクロ設定はセラらによって導入されました。33,37,38.これらは自己製造されから成っている単一のフェーズを提供石英毛細血管と同様、高速液体クロマトグラフィー (HPLC) 止ポリテトラフルオ エチレン (PTFE) チューブと t ジャンクション。したがって、セットアップを簡単に変更できる、市販されている彼らと、単一部品を交換単にことができます。重合は、彼らが毛細血管を去った後、液滴、オンザフライで、重合を誘発する適切な光源の使用を有効にするモノマー混合物に追加されます。別に毛細血管照射はセットアップの目詰まりを防ぐために必要です。重合の他のタイプは、液滴が (例えば、酸化還元プロセスに基づくのイニシエーターを持つ) 毛細血管を去った後のみ重合を開始39。ただし、架橋の光誘起重合とリモート制御される能力の機敏さのため光開始は最も有利な 1 つであります。
LCE の単量体混合物は室温で結晶なので全体のマイクロ セットアップの注意温度制御が必要です。したがって、液滴形成が発生するセットアップの一部は、水浴に配置されます。ここでは、混合物の等方性融液中高温液滴が形成されています。オリエンテーション、水滴は液体の結晶相に冷却しなければなりません。したがって、重合管は液晶相 (図 1) の下の温度範囲に設定されているホット プレートに配置されます。
ここでは、柔軟性と簡単な流れの LCE アクチュエータの作製法について述べる。このプロトコルは、数分で単一粒子と同様、ヤヌスとコア-シェル粒子の合成用マイクロ流体を構築するのに必要な手順を提供します。次に、我々 は合成を実行し、作動の粒子の特性と同様、典型的な結果を表示する方法について説明します。最後に、我々 はこのメソッド、なぜ我々 は、LCE アクチュエータの分野に進展をもたらす可能性がありますと思うの利点について説明します。
Protocol
1. 単一作動 LCE 粒子の合成 デバイスのマウント注: マイクロ流路のセットアップに使用されるすべての材料、供給と市販の高速液体クロマトグラフィーです。 ガラス水バス皿を装備 [直径 (D): 190 mm、接続: 2 29/24 すりガラスの接合フランジ マウント] 2 つの隔壁を有する。開口穴から 1/16 インチの外径 (OD) の管に合うように千枚通しで両方の隔壁を持ち出します。 PTFE チューブ (管 1.1; の端に 1/16 インチ外径チューブと対応するフェルール継手を接続します。OD: 1/16 インチ、内径 (ID): 0.17 mm、長さ (L): 5 cm) 先端をスティックと (約1 cm) ポリイミド被覆シリカ毛細管の (ID: 100 μ m、外径: 165 μ m、l: 7 cm) それに。 反対の 1 つの上にチューブをネジ、ポリエーテルエーテルケトンの腕の中 1/16 インチ OD の (ピーク) の t 字路の管、小さな金属製のテーブルに搭載されました。今、毛細血管がはみ出したり、t 字路からいくつか続けて。注: PTFE チューブ、チューブ カッターの助けを借りてカット最高。、毛細血管の断石を使用することが勧めします。 2 番目の PTFE チューブ (管 1.2; の端に適切なフィッティングとフェルールを接続します。OD: 1/16 インチ、ID: 0.75 mm)、シリンジ ポンプ水風呂の外に達するし、t 字路の横方向のアームをねじ込むのに十分な長さであります。 スティック 3 PTFE 管 (管 1.3;OD: 1/16 インチ、ID: 0.17 mm) セプテムのいずれかを使用します。チューブ 1.3 はチューブ 1.1 風呂の水の中で 2 番目のシリンジ ポンプを接続するのに十分な長さであるべきです。スペア チューブ 1.1、1.3、末にそれぞれ 1/16 インチ外径チューブ用の 2 つの女性のルアーロック ロックを追加します。 準備 4 PTFE チューブ (重合チューブ 1.4;OD: 1/16 インチ、ID: 0.75 mm) 継ぎ手付けフェルールし、第 2 隔壁を通してそれをスティックします。チューブ 1.4 は風呂の水を残して、プレートを加熱精度を渡すのに十分な長さであるべきです。チューブ 1.4経由でt 字路の残りの腕に、フィッティングを接続、ガラスの端をキャピラリー チューブ内に置きます。 ホット プレートを装備した温度計で風呂の水を入れてチューブ 1.4 上にプレートを加熱精度を修正する粘着テープを使用し、チューブ 1.4 の端に 5 mL バイアルを接続します。連続相でいっぱい注射器に 1.2 管の端を接続 (シリコーン油; 粘度: 1.000 m2/s)、単量体フェーズの油圧油で満たされた注射器をチューブ 1.3 接続 (シリコーン油; 粘度: 100 m2/s)、両方に差し込みます注射器シリンジ ポンプで。注記: 注射器にチューブを接続するために 3/32 インチ ID チューブ用バーブ-に-女性-ルアー-ロック コネクタ、最高を使用します。 液滴形成を観察できるし、紫外線光源をマウントするキャピラリーの先端に設定するフォーカスを持つ顕微鏡をインストール (e.g。、500 W 水銀蒸気ランプ) 光円錐管 1.4 に焦点を当てて。 モノマー混合物の調製 モノマー混合物40を準備するには、追加 200 mg (4-acryloyloxybutyl) – 2, 5 – di(4-butyloxybenzoyloxy) 安息香酸 50 mL のナシ型フラスコに。 フラスコに 7.2 mg 1, 6 ヘキサンジオール レート (10 mol %) と ethyl(2,4,6-trimethylbenzoyl) phenylphosphinate (重合、3 w %) の 6.2 mg を追加します。約 1 ml のジクロロ メタンの混合物を溶解します。注: ステップ 1.2.2 から。、UV ライト無料条件 (例えば、黄色の光の下で) の下ですべての手順を実行します。 完全に 313 K の真空下で溶媒を除去し、油浴 383 K で残留固体を溶かします。 3/32 インチ ID チューブ用バーブ-に-女性-ルアーロック コネクタ付き注射器を準備し、PTFE 管 (管 1.5; を添付OD: 1/8 インチ ID: 1.65 mm)を介して接続チューブ (外径: 1/16 インチ、ID: 0.75 mm)。注射器の力を借りてチューブ 1.5 に単量体混合物を作成します。注: モノマー量はならない未満 70 mg。 それ以外の場合、チューブ 1.5 に十分な単量体混合物を描画するは非常に困難します。プロトコルはここで一時停止することができます。もしそうなら、チューブを冷蔵庫で保存します。 粒子の合成 1/8 インチ外径チューブ用男性ルアーロックを単量体混合物を含む 1.5 管の両端に接続します。その後、チューブ管 1.1 と 1.3 の両端の女性ルアー ロックと 1.5 の両端に接続します。注: チューブは、合成前にシリンジ ポンプによって提供される液体で洗浄する必要があります。 363 K に風呂の水の温度、加熱 338 K にプレートの温度精度を設定 キャピラリーの先端は重合管 1.5 の中心部で壁に接触していないことを確認します。注: ここで指定された温度は、この単量体混合物に最適です。一般に、風呂の水の温度はモノマー混合物を溶かすには十分に高くする必要があります、熱板の温度は、液晶相の温度範囲でする必要があります。 単量体混合物を溶融後に 1.5 から 2.0 mL/h の値 (Qc) 連続相流量を設定し、選択の流れ Qc/Qdの速度比 (Qd = 油圧オイル/モノマー相流量) の間20 と 200。注: Qcの流量 = 1.75 mL/h と Qd = 0.35 mL/h 270 μ m の D でよく作動粒子、例えば観察されます。 液滴形成の開始後水滴 UV 光に切り替える前にすべての同じサイズであるまで待ちます。、記述されているモノマー混合物の紫外光源重合管 1.4 プレートを加熱精度の右端で上 1 cm の位置します。チューブ 1.4 の終わりに 5 mL ガラス瓶の重合の粒子の異なる画分を収集します。UV 光の下で流れるしながら滴の色を白に透明から変更ください。注意: は、目を保護するために UV 保護ゴーグルを着用します。 毛細血管の目詰まりを防ぐために光源と、風呂の水の盾 (例えば紙の箱) を置きます。注: 目詰まり重合管の場合それはヒートガンで詰まっている部分を熱を助けるかもしれない。 すべてのモノマーが消費された後は、管 1.3 にアセトンを注入することによってセットアップをクリーニングします。 2. LCE コア-シェル粒子の合成 デバイスの取り付け 1.1.1 の手順に従ってください。しかし、代わりに 190 mm の D と水バス皿を使用します。 フッ素化エチレン プロピレン (FEP) 管スリーブの両端に継ぎ手とフェルールを添付 (ID: 395 μ m、外径: 1/16 インチ、l: 1.55 インチ)、それぞれ。まず、スティック石英キャピラリー (ID: 280 μ m、外径: 360 μ m、l: 8 cm) 約 3 mm の 1 つの側面が突出していることそのような方法で、袖を通して。薄く毛細血管を棒 (ID: 100 μ m、外径: 165 μ m、l: 11 cm) より大きい 1 つをのでそれ突出の長辺から数ミリ。 1 つの 1/16 インチ外径チューブ (t 字路 1) ピーク t 字形、t 字形に達する大きく毛細血管の短い方の端に小さな金属製のテーブルに取り付けられた反対の腕の上にスリーブをネジします。 固執する PTFE 管 (管 2.1;OD: 1/16 インチ、ID: 0.17 mm) 水浴の隔壁のいずれかを介して t 字路 1 とシリンジ ポンプを接続するのに十分な長さであります。フィッティングとフェルールを水浴中のチューブの端に接続、t 分岐 1 の無料の横方向のアームに接続、管内 2.1 薄く毛細血管をスティックします。 2 番目の PTFE 管 (管 2.2; を準備します。OD: 1/16 インチ、ID: 0.5 mm) 継ぎ手とフェラル、t 字路 1 の予備の腕に接続します。固執するもう一つの PTFE 管 (管 2.3;OD: 1/16 インチ、ID: 0.5 mm) チューブ 2.1 横中隔の 2 番目の穴を介して。管 2.3 はチューブ 2.2 と別のシリンジ ポンプを接続するのに十分な長さであるべきです。 チューブ 2.2、2.3、水浴中の無料の両端にそれぞれ 1/16 インチ外径チューブ用の 2 つの女性のルアーロック ロックを追加します。 スリーブの無料小さな金属製のテーブルにもマウントされている 2 番目のピーク t (t 字路 2) の反対の腕の 1 つに接続します。4 PTFE 管 (管 2.4 を準備します。OD: 1/16 インチ、ID: 0.75 mm) フィッティングとフェルール。2.4 管は水風呂の外の第 3 シリンジ ポンプに到達し、t 字路 2 の横方向のアームに接続するのに十分な長さです。 準備 5 PTFE 管 (重合管 2.5 であります。OD: 1/16 インチ、ID: 0.75 mm) 継ぎ手付けプラス フェルールし、その他の隔壁を通してそれをスティックします。管 2.5 は風呂の水を残して、高精度加熱プレートを渡すのに十分な長さであるべきです。右折の残りの腕を持つ管 2.5 のフィッティングを接続します。今チューブ 2.5 内ガラス管のヒント必要があります。 温度計搭載ホット プレートに風呂の水を入れ、プレートを加熱精度の上に 2.5 管を修正するための粘着テープを使用、チューブの端に 5 mL バイアルを取り付けます。グリセロール (内部フェーズ) でいっぱいチューブ 2.1 シリンジの先端を接続し、モノマー段階の油圧油で満たされた注射器をチューブ 2.3 を接続 (シリコーン油; 粘度: 100 m2/s)、連続相 (充填注射器にチューブ 2.4 に接続シリコーン オイル。粘度: 1.000 m2/s)、シリンジ ポンプのすべての注射器を差し込みます。 手順 1.1.7。、チューブ 1.4 ではなく管 2.5 を読む。 モノマー混合物の調製 1.2 のすべての手順に従ってください。 コア-シェル粒子の作製 1/8 インチ外径チューブの男性ルアーロックを単量体混合物をそれぞれ格納筒の両端に接続します。その後、この女性ルアー ロック 2.2 と 2.3 のチューブの両端に管の両端に接続します。 1.3.2-1.3.4 の手順に従ってください。 ステレオ顕微鏡、液滴形成を介して観察します。 3. ヤヌス LCE 粒子の合成 デバイスの取り付け 1.1.1 の手順に従ってください。 FEP 管スリーブの両端に継ぎ手とフェルールを添付 (ID: 395 μ m、外径: 1/16 インチ、l: 1.55 インチ)、それぞれ。2 つの平行配向石英毛細血管をスティック (ID: 100 μ m、外径: 165 μ m, L1: 8 cm、L2: 11 cm) 袖を通して。短い毛細血管には、スリーブの片側から出て約 3 mm が突出しています。スリーブの他の側の両方の毛細血管同じ長さであります。 スーパー接着剤のいくつかを置くことによって毛細血管スリーブの一方の端に接着剤、それは治るまで待ちます。 それぞれ、反対の腕のいずれかの上にスリーブをねじ込んで t ジャンクション ピーク 2 つを接続し、小さな金属製のテーブルの両方をマウントします。 2.1.4-2.1.7 の手順に従ってください。 5 PTFE 管 (管 3.5 の準備します。OD: 1/16 インチ、ID: 0.75 mm、l: 5 cm) 継ぎ手付けプラス フェルールし、の t 字路 2 の残りの腕と接続します。ガラス管の両方のヒントは、3.5 のチューブの内部に位置しています。 固執するもう一つの PTFE 管 (管 3.6;OD: 1/16 インチ、ID: 0.5 mm) その他の隔壁を介して。チューブ 2.6 は風呂の水を残して、プレートを加熱精度を渡すのに十分な長さであるべきです。3.5、3.6 チューブを介して継手の 1/16 インチ外径チューブ システムに接続します。 温度計搭載ホット プレートに風呂の水を入れ、プレートを加熱精度の上に 3.6 チューブを修正するための粘着テープを使用、チューブの端に 5 mL バイアルを取り付けます。水性モノマー混合物 (水溶液中のモノマー段階) で満たされた注射器にチューブ 3.1 の端を接続し、接続液晶モノマー段階の油圧油で満たされた注射器をチューブ 3.3 (シリコーン油; 粘度: 100 m2/s)、満たされた注射器をチューブ 3.4 接続連続相と (シリコーン油; 粘度: 1.000 m2/s)、シリンジ ポンプのすべての注射器を差し込みます。 手順 1.1.8, しかし、チューブ 1.4 ではなく 3.6 チューブを読みます。 液体の結晶 (LC) 単量体混合物の調製 1.2 のすべての手順に従ってください。 水性モノマー混合物の調製 蒸留水で 40 wt % アクリルアミド溶液を準備します。架橋剤の 10 mol % を追加N, N’-methylenebis(acrylamide) と、イニシエーター 2-ヒドロキシ-2-methylpropiophenone ソリューションの 2 wt %。(両方の金額は、アクリルアミドに関して) です。注: 水性モノマー混合物の粘度を上げるためにポリアクリルアミドを追加することができます。 常温 24 h の混合物をかき混ぜるし、その後 1 mL の注射器にそれを埋めます。 ヤヌス粒子の調製 1/8 インチ外径チューブの男性ルアーロックを LC 単量体混合物をそれぞれ格納筒の両端に接続します。その後、この女性ルアー ロック チューブ 3.2 と 3.3 の両端に管の両端に接続します。 1.3.2-1.3.4 の手順に従ってください。 ステレオ顕微鏡、液滴形成を介して観察します。 4. 粒子の解析 イメージング ソフトウェアを使用してコンピューターに接続されている光学顕微鏡の下で熱いステージに粒子を置きます。パーティクルの動作を分析し、上記とその相転移温度以下の温度で写真を撮るし、D. を測定注: シリコン オイルのドロップは、オブジェクトのスライドを付着粒子を防ぎます。 パーティクルのクリアリングの温度を推定するには、パーティクルが偏光光学顕微鏡 (POM) の下で彼らの複屈折を失う温度を決定します。
Representative Results
このプロトコルではマイクロ アプローチ LCE 粒子の合成を介して異なる形態を持つ我々 提示します。単一の製造のためのマイクロ流体セットアップ コア-シェルとヤヌス粒子は図 129,38,41に示します。連続生産の 1 つの利点は、非常に良いサイズ、粒子の形状制御です。図 2単一液滴のセットアップの利点を示しています: すべてのパーティクルが同じを持っていると非常に狭い粒径分布形状41。以下のとおり、球のサイズは、さまざまな段階の流量の比を変更することで簡単に調整できます。次のプロトコルは、200 および 400 μ m の粒径は図 2b1に示すように、フロー レートの比率を選択することによっての制御された方法で製造することができます。QC/Qdの流量率比、1.5 と 2.0 mL/h の連続相 (Qc) の流量で、最高の結果が得られます (Qd = モノマー相流量) 20 と 200 の間。Qcの流量 = 1.75 mL/h と Qd = 0.35 mL/h 270 μ m の直径を持つよく作動粒子、例えば観察されます。高い比 Qc/Qdが選択されている場合, 液滴形成が少ない制御し、粒子のサイズ分布がはるかに広い。低い率のため粒子は球状もうです。フロー速度調整に加えて左右精度ホット プレートの右端の間の位置と同様、重合管に UV ランプの距離は LCE 粒子、たとえば場合に、発生の作動プロパティを変更できます、重合反応モノマー混合物の組成を選択する理由を変更またはここに記載されている値とは異なる重合温度を適用しました。 図 3その相転移の温度、重合前に液体の結晶監督の方向を誘導する要件を満たすことを証明する上記熱せられると最大 70% の伸長式作動の粒子を示します。高粘度の連続相とモノマー液滴の表面のせん断の結果から液晶のこの配置です。低粘度のシリコン オイルを使用している場合、パーティクルの作動が減少します。 さらに、マイクロ流体デバイスでは、重合中に液滴に働く剪断速度を変化させることにより伸びや収縮相転移などの作動パターンの種類を制御ができます。これは、重合管の内径の異なるを使用して連続相の一定流量で簡単に処理できます。図 3示しています、長球回転軸を延長しより広範な重合管低いせん断速度で合成した粒子の形 (ID: 0.75 mm)。この場合同心監督分野に沿って、液晶分子 (液晶) を配置します。一方、棒状粒子は、(図 3bで示されている)、相転移と液晶の配向場のバイポーラ線形収縮を備えています。この粒子が薄く重合管のせん断率で生産された (ID: 0.5 mm)。 プロトコルでは、マイクロ流体プロセスのもう一つの利点について説明します。単一粒子のほかより複雑な形態のサンプルを合成もできます。図 3cは、どちらもパート 2 とプロトコル29,30の 3 を次の生成されたヤヌス粒子作動コア-シェル粒子と図 3dを示しています。 プロトコルのすべての手順が正しく行わ場合は、図 4に示すように特性を有する粒子が3,41を取得されました。図 4で異なる流量で合成された単一の粒子の加熱と冷却曲線がプロットされます。室温から粒子を加熱することによって、液晶秩序は – 最初に – 減りますもう少し粒子の微小変形に終っています。しかし、相転移温度に近いすべての方向が突然失われる、粒子は、数度のために加熱するだけ強い伸びを示しています。粒子を冷却、ヒステリシスを観察することができます、元の形状が得られます。このプロセスは、図 4bに示すように多くの作動サイクルでリバーシブルです。 図 1: マイクロ設定します。(、) 一般的なセットアップには、油圧シリコーン オイル (1)、(3) 水性モノマー混合物と連続相シリコン オイル (4) を含む 3 つの注射器が含まれています。液晶性モノマーの混合物 (2) は、液晶等方性状態がヒートアップ 363 K で水浴 (5) に配置されます。液晶のネマチック国家 338 K でのホット プレート (6) 上紫外線 (7) により、液滴の重合を開始します。(単一粒子のセットアップは一般的なセットアップに等しいが 2 番目の毛細血管、シリンジ (3) と 2 番目の t 字路を欠いている)。(b) このパネルは、ヤヌス液滴形成を可能にする 2 つ毛細血管側、互いを含むセットアップを示しています。コア-シェル (c) セットアップより広範な第 2 毛管にはめ込まキャピラリーで構成されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。 図 2:マイクロ単一粒子セットアップで得られた代表的な粒子。(、) このパネルを示しています単分散の顕微鏡画像 LCE 粒子流体粒子のセットアップで準備します。スケール バー = 200 μ m。 (b) このパネルのオイルの流量 (Qc) 単量体混合物の流量 (Qd) の比に対して粒子の直径依存性を示しています。得られた粒子のサイズは、両方の段階の速度比とそれぞれの絶対値ではなく依存してこそです。(この図は、オーム、フライシュマン、クラウス、セラ、Zentel1 Zentel、セラ、オームの41から変更されています)。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。 図 3:4 つの異なる粒子形態、ネマティック液晶の光学顕微鏡画像 (353 K) で状態し等方性の相転移後の状態 (413 K) で。これらのパネルには、偏平形 LCE 粒子 (同心監督フィールド)、(b)、棒のような形 LCE 粒子 (バイポーラ ディレクター フィールド)、(c) オブラート状コア シェルの伸長の収縮の伸長表示 (、)粒子、および (d) 形状ヤヌスの収縮粒子 (一部を左: LCE、右一部: アクリルアミド ヒドロゲル)。スケール バー = 100 μ m.この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。 図 4:代表的な単一粒子の作動特性。(、) このパネルを示し、加熱冷却曲線 LCE 粒子連続相流量が異なるで単一粒子流体セットアップで準備しています。最高の流量で調製した粒子は最強の駆動 (約 70%) を示し、両方のカーブ、ヒステリシスをそれぞれ形成します。(b) これはサイクル数を彼らの作動の減少を示さない LCE 粒子の 10 の作動サイクルのプロットです。これは粒子が架橋、その作動が完全に元に戻すことを証明します。注: このグラフは主鎖 LCE システムから作られた粒子の描かれたがこの記事で使用される LCE システムの同じように見えます。(この図は、Zentel、セラ、オームの41から変更されています)。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
Discussion
異なる形態を介してLCE マイクロアクチュエータを生成するマイクロ アプローチと粒子の作製を説明しました。この目的のためキャピラリーを用いたマイクロ流路のセットアップは、定義された温度の光重合に続いて液滴形成できるように造られました。
ここでは、成功した合成の 1 つの重要な側面は、セットアップの正しい取り付けです。単一の部品との間のすべての接続は、液体の漏れを防ぐために正しく固定する必要があります、デバイスは目詰まりを防ぐためにすべての合成の前にきれいにする必要があります。また、以来 UV 無料の条件下で実験を実行、そうでなければ、単量体混合物の重合を時期尚早とこうして再びセットアップの目詰まりになる結果が重要です。
この日は、ここで説明したマイクロ アプローチは、作動の LCE 粒子を生成することができる唯一の方法です。ここ、マイクロ プロセスは同時に 2 つの要件を満たしています。以外にも多数の同様に大きさで分類されたマイクロ物体の作製、液体の結晶監督の向きがこれらの粒子に誘導されます。また、アクチュエータの数が多いを 1 ステップで合成できるのでかなり簡単な手順です。他の方法を適用すると、液晶の向き通常サンプルまたは配向層のアプリケーションのストレッチのような追加手順が必要です。さらに、これらのプロセスが手動多くアクチュエータの生産が非常に時間がかかることを意味します。さらに、LCE 形態はの最もケース – 高分子薄膜に限定。マイクロ アプローチの欠点は、粒子の制限サイズ (直径は、200 および 400 μ m の間の値に制限されます) には、脆弱性の粒子の準備中に、毛細血管と UV 無料条件の必要性を目詰まりをセットアップです。
オン ・ チップ システムは、簡単に製造することができるだけ 1 つの作品から成っているのでしばしばマイクロ粒子の作製に使用されます。これらの設定だけでなく流れの中に異なる温度の必要な調整機能がないしかし、マイクロリアクターの目詰まりや壊れた部品を容易に交換できる十分な柔軟性もないです。したがってを用いて毛細血管ベースのセットアップは、重要な要件を満たしている、LCE アクチュエータの合成に適しています。
ヤヌス粒子、コア-シェル マイクロ ポンプの作動の提示された結果、脇より複雑な粒子を作動させる全室新しいプロパティ、将来的に合成することができるし、ソフトアクチュエータ アプリケーションの新しい可能性を開きます。マルチ応答粒子にヤヌス粒子のそれ以上の変更は既に進行中であります。したがって、我々 は作動 LCE のほか第二温度応答性ポリマーの紹介を目指しています。新しい粒子設計のそれ以上の可能性は、LCE 粒子17,18の光駆動アクチュエータの結果液体アゾ-モノマーの使用から生じることができますも。その場合は、我々 は温度応答性と両方写真作動部分を含むヤヌス粒子の考えることができます。コア-シェル粒子の光駆動型やパイプのような構造の合成では、光応答性マイクロ ポンプにつながる別の可能な粒子設計を提供しています。我々 が上記原則マイクロ プロシージャの変更はさまざまな新しいアクチュエータようにします。
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者は、本作 (Ze 230/24-1) を資金調達のためドイツ科学財団をありがとうございます。
Materials
| 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 |
Referências
- Ohm, C., Fleischmann, E. K., Kraus, I., Serra, C., Zentel, R. Control of the properties of micrometer-sized actuators from liquid crystalline elastomers prepared in a microfluidic setup. Advanced Functional Materials. 20 (24), 4314-4322 (2010).
- Urbanski, M., et al. Liquid crystals in micron-scale droplets, shells and fibers. Journal of Physics: Condensed Matter. 29 (13), 133003 (2017).
- Hessberger, T., Braun, L., Zentel, R. Microfluidic synthesis of actuating microparticles from a thiol-ene based main-chain liquid crystalline elastomer. Polymers (Basel). 8 (12), (2016).
- Palagi, S., et al. Structured light enables biomimetic swimming and versatile locomotion of photoresponsive soft microrobots. Nature Materials. , 1-8 (2016).
- Ohm, C., Brehmer, M., Zentel, R. Liquid crystalline elastomers as actuators and sensors. Advanced Materials. 22, 3366-3387 (2010).
- White, T. J., Broer, D. J. Programmable and adaptive mechanics with liquid crystal polymer networks and elastomers. Nature Materials. 14 (11), 1087-1098 (2015).
- Liu, D., Broer, D. J. Liquid crystal polymer networks: preparation, properties, and applications of films with patterned molecular alignment. Langmuir. 30 (45), 13499-13509 (2014).
- Ube, T., Ikeda, T. Photomobile polymer materials with crosslinked liquid-crystalline structures: molecular design, fabrication, and functions. Angewandte Chemie International Edition in English. 53 (39), 10290-10299 (2014).
- Zentel, R., Schmidt, G. F., Meyer, J., Benalia, M. X-ray investigations of linear and cross-linked liquid-crystalline main chain and combined polymers. Liquid Crystals. 2 (5), 651-664 (1987).
- Kapitza, H., Zentel, R. Combined liquid-crystalline polymers with chiral phases, 2 Lateral substituents. Macromolecular Chemistry and Physics. 189, 1793 (1988).
- Li, M. -. H., Keller, P. Artificial muscles based on liquid crystal elastomers. Philosophical Transactions of the Royal Society A. Mathematical, Physical, and Engineering Sciences. 364 (1847), 2763-2777 (2006).
- Wiesemann, A., Zentel, R., Pakula, T. Redox-active liquid-crystalline ionomers: 1. Synthesis and rheology. Polymer (Guildford). 33 (24), 5315-5320 (1992).
- Pei, Z., Yang, Y., Chen, Q., Terentjev, E. M., Wei, Y., Ji, Y. Mouldable liquid-crystalline elastomer actuators with exchangeable covalent bonds. Nature Materials. 13 (1), 36-41 (2014).
- Wang, Z., Tian, H., He, Q., Cai, S. Reprogrammable, reprocessible, and self-healable liquid crystal elastomer with exchangeable disulfide bonds. ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (38), 33119-33128 (2017).
- Chambers, M., Finkelmann, H., Remškar, M., Sánchez-Ferrer, A., Zalar, B., Žumer, S. Liquid crystal elastomer-nanoparticle systems for actuation. Journal of Materials Chemistry. 19 (11), 1524-1531 (2009).
- Braun, L. B., Linder, T., Hessberger, T., Zentel, R. Influence of a crosslinker containing an azo group on the actuation properties of a photoactuating LCE system. Polymers.(Basel). 8 (12), 435 (2016).
- Braun, L. B., Hessberger, T., Zentel, R. Microfluidic synthesis of micrometer-sized photoresponsive actuators based on liquid crystalline elastomers. Journal of Materials Chemistry C. 4, 8670-8678 (2016).
- Ikeda, T., Mamiya, J. I., Yu, Y. Photomechanics of liquid-crystalline elastomers and other polymers. Angewandte Chemie International Edition. 46, 506-528 (2007).
- Zeng, H., Wani, O. M., Wasylczyk, P., Kaczmarek, R., Priimagi, A. Self-regulating iris based on light-actuated liquid crystal elastomer. Advanced Materials. 29 (30), 1-7 (2017).
- Küpfer, J., Finkelrnann, H. Nematic liquid single crystal elastomers. Macromolecular Rapid Communications. 12, 717-726 (1991).
- Bergmann, G. H. F., Finkelmann, H., Percec, V., Zhao, M. Y. Liquid-crystalline main-chain elastomers. Macromolecular Rapid Communications. 18 (5), 353-360 (1997).
- Li, M. H., Keller, P., Yang, J., Albouy, P. A. An artificial muscle with lamellar structure based on a nematic triblock copolymer. Advanced Materials. 16 (21), 1922-1925 (2004).
- Brehmer, M., Zentel, R., Wagenblast, G., Siemensmeyer, K. Ferroelectric liquid-crystalline elastomers. Macromolecular Chemistry and Physics. 195 (6), 1891-1904 (1994).
- Beyer, P., Terentjev, E. M., Zentel, R. Monodomain liquid crystal main chain elastomers by photocrosslinking. Macromolecular Rapid Communications. 28 (14), 1485-1490 (2007).
- Ditter, D., et al. MEMS analogous micro-patterning of thermotropic nematic liquid crystalline elastomer films using a fluorinated photoresist and a hard mask process. Journal of Materials Chemistry C. 5, 12635-12644 (2017).
- Lopez-Valdeolivas, M., Liu, D., Broer, D. J., Sánchez-Somolinos, C. 4D printed actuators with soft-robotic functions. Macromolecular Rapid Communications. 1700710, 3-9 (2017).
- Ohm, C., Kapernaum, N., Nonnenmacher, D., Giesselmann, F., Serra, C., Zentel, R. Microfluidic synthesis of highly shape-anisotropic particles from liquid crystalline elastomers with defined director field configurations. Journal of the American Chemical Society. 133 (14), 5305-5311 (2011).
- Ohm, C., et al. Preparation of actuating fibres of oriented main-chain liquid crystalline elastomers by a wetspinning process. Soft Matter. 7, 3730 (2011).
- Hessberger, T., et al. Co-flow microfluidic synthesis of liquid crystalline actuating Janus particles. Journal of Materials Chemistry C. 4, 8778-8786 (2016).
- Fleischmann, E. -. K., Liang, H. -. L., Kapernaum, N., Giesselmann, F., Lagerwall, J., Zentel, R. One-piece micropumps from liquid crystalline core-shell particles. Nature Communications. 3, 1178 (2012).
- Khan, I. U., et al. Microfluidic conceived drug loaded Janus particles in side-by-side capillaries device. International Journal of Pharmaceutics. 473 (1-2), 239-249 (2014).
- Vennes, M., Martin, S., Gisler, T., Zentel, R. Anisotropic particles from LC polymers for optical manipulation. Macromolecules. 39 (24), 8326-8333 (2006).
- Serra, C. a., et al. Engineering polymer microparticles by droplet microfluidics. Journal of Flow Chemistry. 3 (3), 66-75 (2013).
- Seo, M., Nie, Z., Xu, S., Lewis, P. C., Kumacheva, E. Microfluidics: from dynamic lattices to periodic arrays of polymer disks. Langmuir. 21 (11), 4773-4775 (2005).
- Kim, K., Pack, D. Microspheres for drug delivery. BioMEMS and Biomedical Nanotechnology. 2, 19-50 (2006).
- Kim, J. -. W., et al. Titanium dioxide/poly(methyl methacrylate) composite microspheres prepared by in situ suspension polymerization and their ability to protect against UV rays. Colloid and Polymer Science. 280 (6), 584-588 (2002).
- Serra, C., Berton, N., Bouquey, M., Prat, L., Hadziioannou, G. A predictive approach of the influence of the operating parameters on the size of polymer particles synthesized in a simplified microfluidic system. Langmuir. 23 (14), 7745-7750 (2007).
- Chang, Z., Serra, C. a., Bouquey, M., Prat, L., Hadziioannou, G. Co-axial capillaries microfluidic device for synthesizing size- and morphology-controlled polymer core-polymer shell particles. Lab on a Chip. 9, 3007-3011 (2009).
- Braun, L. B., Hessberger, T., Serra, C. A., Zentel, R. UV-free microfluidic particle fabrication at low temperature using ARGET-ATRP as the initiator system. Macromolecular Reaction Engineering. 10 (6), 611-617 (2016).
- Thomsen, D. L., et al. Liquid crystal elastomers with mechanical properties of a muscle. Macromolecules. 34, 5868-5875 (2001).
- Ohm, C., Serra, C., Zentel, R. A continuous flow synthesis of micrometer-sized actuators from liquid crystalline elastomers. Advanced Materials. 21 (47), 4859-4862 (2009).
Citar este artigo
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).