Эта статья описывает microfluidic процесс и параметры подготовить исполнительные частиц из жидкости кристаллический эластомеров. Этот процесс позволяет подготовки исполнительными частиц и изменения их размера и формы (от сплюснутой для сильно обьемная, ядро оболочка и морфологии Janus), а также величина срабатывания.
Этот документ посвящен microfluidic процесса (и его параметры) подготовить исполнительные частиц из жидкости кристаллический эластомеров. Подготовка обычно заключается в формировании капель, содержащих низкий молярной массы жидких кристаллов при повышенных температурах. Впоследствии эти частицы прекурсоры ориентируется в поле поток капилляра и затвердевает сшивки полимеризации, который производит окончательное исполнительные частиц. Оптимизация процесса необходима для получения исполнительные частиц и надлежащего изменения технологических параметров (температуры и потока скорость) и позволяет изменения размера и формы (от сплюснутой для сильно обьемная морфологии), а также величина срабатывания. Кроме того это позволяет изменять тип срабатывания от удлинение для сжатия в зависимости от профиля директор, индуцированной капли во время поток в капилляр, который опять же зависит от microfluidic процесса и его параметры. Кроме того можно приготовить частиц более сложных фигур, как ядро оболочка структуры или частицы Януса, регулируя настройки. Вариация химической структуры и режим сшивки (отверждения) жидкий кристаллический эластомер это также можно приготовить исполнительные частицы вызваны тепла или облучения UV-vis.
Синтезы microfluidic стали известный метод для изготовления приводов жидкий кристаллический эластомер (LCE) в последние несколько лет1,2,3. Этот подход не только обеспечивает производство большое количество хорошо исполнительные частиц, но и позволяет изготовление форм и морфологии, которые не обслуживаются другими методами. Так как LCE приводы перспективных кандидатов для приложения как искусственные мышцы в микро робототехника, новые методы синтезировать такие частицы имеют большое значение для этой технологии будущего4.
В LCEs мезогенов жидкого кристалла (LC) прикреплены к полимерной цепи эластомерных сети5,6,,78. Связь между мезогенов полимерные цепи таким образом может произойти в виде боковой цепи, главное цепи или комбинированных LC-полимер9,10,11. Расстояние между точками сшивки должно быть достаточно далеко позволить свободный переориентации полимерной цепи между ними (в самом деле, это верно для любого эластомер, которая отличает их от «реактопластов»). Таким образом сшивки могут быть постоянными или обратимым из-за сильного взаимодействия non ковалентные12,,1314. Этот вид материала сочетает в себе свойства обоих, анизотропная поведение жидкого кристалла с энтропийной упругости эластомеров. В диапазоне температур своей жидкой кристаллической фазы полимерные цепи принять (более или менее) растягивается конформации, вызванные анизотропии жидкой фазы кристаллический, который количественно параметром нематические порядка. Когда образец переводится выше температуры стеклования нематические изотропной фазы, анизотропия исчезает, и сети расслабляет энергично выступает случайных катушки конформации. Это приводит к макроскопической деформации и, таким образом, срабатывание5,15. Помимо нагрева образца, этот этап перехода может также быть наведено другие раздражители, такие как света или растворителя диффузии в LCEs16,,1718,19.
Для того, чтобы получить сильные деформации, это необходимо, что образец либо формы monodomain или функции по крайней мере предпочтительным ориентации директоров одного домена во время сшивки шаг20. Для производства LCE фильмов это часто достигается путем растяжения предварительно полимеризованной образца, через ориентация доменов в электрического или магнитного поля, с помощью фото выравнивание слоев или через 3D-печати21 ,22,–23,–24,–25,–26.
Другой подход является непрерывная подготовка LCE частиц на основе капиллярно microfluidic капелька генераторов. Жидкий кристаллический мономера капельки разметаны в вязких непрерывной фазой, которая протекает вокруг капли и применяет скорости сдвига на поверхности капель. Таким образом наблюдается циркуляцию внутри капли мономера, который вызывает общее выравнивание жидкой кристаллической фазы27. Таким образом величина сдвига ставок, действующих на капли имеет сильное влияние на капельки форму и размер, а также ориентации жидкий кристаллический директор поля. Эти хорошо ориентированных капельки могут затем быть полимеризуется далее вниз по течению в microfluidic установки. Таким образом подготовка приводы с различной формы (например, частиц и волокон) и более сложные морфологии как ядро оболочка и Янус частицы являются возможные28,,2930,31. Это возможно даже подготовить сжатый частицы, которые протянулись вдоль их оси симметрии и высоко обьемная, волоконно как частицы, которые сокращаться на фазового перехода. Оба типа частиц могут быть сделаны с такой же microfluidic установки, просто меняя скорость сдвига27. Здесь мы представляем протокол о том, как производить такие LCE приводы различных морфологии в самостоятельно изготовленные на основе капиллярно microfluidic приборы.
Помимо эффекта mesogen выравнивания в LCE капельки и доступность полимеров с различной формы microfluidic подходы имеют дополнительные преимущества. По сравнению с другими методами изготовления частиц как осадков в не растворитель или подвеска полимеризации32 (что приводит к частиц с широким размер распределение), монодисперсных частиц (коэффициент вариации размера частиц Это < 5%) может быть синтезировано с помощью микрофлюидика33,34. Кроме того это легко сломать сфере симметрии капель потоком. Таким образом крупные частицы с цилиндрической симметрией доступны, которая необходима для приводов. Это отличается от сделанных подвеска полимеризации32LC-частиц. Кроме того размер частиц хорошо регулируемых микрофлюидика в диапазоне от нескольких микрон до сотен микрон, и добавок легко могут быть привлечены в частицы или на их поверхности. Вот почему microfluidic частиц подготовка часто используется в такие темы, как поставки наркотиков35 или производство косметики36.
Microfluidic установок, используемых в этой статье были введены Серра и др. 33 , 37 , 38 . Они изготавливаются самостоятельно и состоят из высокопроизводительных жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) политетрафторэтилен (ПТФЭ) трубы и перекрёстки, а также кварцевое капилляров, которые обеспечивают одной фазы. Таким образом настройки могут быть легко изменены, и отдельные части просто могут быть обменены, поскольку они являются коммерчески доступными. Фотоинициатора добавляется к смеси мономера, который позволяет использовать соответствующий источник света побудить полимеризации капельки на лету, после того, как они покинули капилляра. Облучение помимо капилляров необходим для предотвращения засорения установки. Другие виды полимеризации только начало полимеризации после того, как капля оставил капиллярные (например, с инициаторами, основанный на окислительно-восстановительные процессы)39. Однако из-за быстроты фото индуцированной сшивки полимеризации и возможность удаленно управляться, photoinitiation является наиболее выгодным.
Поскольку смесь мономера LCE кристаллический при комнатной температуре, необходим тщательный температуры контроль всей microfluidic установки. Таким образом частью установки, в котором происходит формирование капель помещается в водяной бане. Здесь при высоких температурах в изотропных расплава смеси образуются капельки. Для ориентации капли должны быть охлажден в жидкой фазе кристаллический. Таким образом полимеризации трубка помещается на горячей плите, который установлен в нижнем диапазоне температур LC-фазы (рис. 1).
Здесь мы описываем гибкий и простой метод для изготовления LCE приводов в потоке. Этот протокол предоставляет шаги, необходимые для построения microfluidic установки для синтеза одной частицы, а также Janus и ядро оболочка частиц в течение нескольких минут. Далее мы опишем, как для запуска синтеза и показать типичные результаты, а также свойства исполнительные частиц. Наконец мы обсудим преимущества данного метода и почему мы думаем, что это может принести прогресс в области LCE приводы.
Мы описали изготовление частиц с различными морфологии через microfluidic подход производить LCE microactuators. Для этой цели на основе капиллярно microfluidic установок были построены, которые позволяют формирования капли, следуют фотополимеризации при определенных температурах.
Один из важнейших аспектов успешной синтеза вот правильный монтаж установки. Все соединения между одной части должны быть исправлены должным образом для предотвращения любой утечки жидкости, и устройство должно быть чистым перед каждой синтеза для предотвращения засорения. Важно также, что эксперимент проводится под УФ свободных условиях, поскольку, в противном случае, преждевременной полимеризации мономера смеси и таким образом снова засорения установки будет результат.
По сей день описанный здесь microfluidic подход является единственным методом, способны производить исполнительные LCE частиц. Настоящим microfluidic процесс выполняет два требования в то же время. Помимо изготовления множество одинаково размера микро-объектов ориентация жидкий кристаллический директор индуцируется в этих частиц. Кроме того это довольно простая процедура, так как большое количество приводов могут быть синтезированы в один шаг. Применение других методов, ориентация мезогенов обычно требуется дополнительный шаг как растяжение образца или применение фото выравнивания слоев. Кроме того эти процессы вручную, который означает, что производство многих приводов занимает очень много времени. Кроме того, LCE морфология является в большинство случаев ограничивается полимерных пленок. Недостатки подхода microfluidic являются ограничение частицы размером (как диаметр ограничен значениями между 200 и 400 мкм), уязвимость к засорению капилляров и необходимость УФ свободных условий при подготовке частиц в установки.
Системы на кристалле часто используются для microfluidic частиц измышления, поскольку они легко могут быть произведены и состоят из всего один кусок. Эти настройки, однако, не только отсутствуют необходимые регулировки различных температур во время поток но также не являются достаточно гибкими, чтобы легко обмениваться засорение или сломанных частей microreactor. Таким образом на основе капиллярно установок, которые мы используем больше подходят для синтеза LCE приводы, как они соответствуют требованиям, решающее значение.
Помимо нашей представленные результаты исполнительные Janus частиц и ядро оболочка Микронасосы более сложные, исполнительные частицы показывая новые свойства могут быть синтезированы в будущем и открыть новые возможности для приложений мягких привода. Дальнейшие модификации Janus частиц мульти реагировать частиц уже выполняется. Таким образом мы стремимся для введения второй температуры реагировать полимера, помимо исполнительные LCE. Дальнейшие возможности для новых конструкций частицы также могут возникнуть от использования жидкий кристаллический Азо мономеры, что приводит к инициативе свет срабатывания LCE частиц-17,18. В этом случае мы можем думать о Janus частиц, содержащих как температура отзывчивым, а также часть фото исполнительные. Синтез света driven ядро оболочка частиц или труба подобных структур предлагает другой дизайн возможных частиц, который приведет к фото отзывчивым Микронасосы. Модификация принцип microfluidic процедуры, которые мы представили выше следует разрешить целый ряд новых приводов.
The authors have nothing to disclose.
Авторы благодарят немецкого научного фонда для финансирования этой работы (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 |