Denna artikel beskriver mikroflödessystem processen och parametrar för att förbereda påverkande partiklar från liquid crystalline elastomerer. Denna process gör att beredningen ansätta partiklar och variationen i deras storlek och form (från oblate till starkt prolate, core-skal och Janus morfologier) samt omfattningen av aktivering.
Denna uppsats fokuserar på mikroflödessystem processen (och dess parametrar) att förbereda påverkande partiklar från liquid crystalline elastomerer. Förberedelsen består vanligen i bildandet av droppar som innehåller låg molar massa flytande kristaller vid förhöjda temperaturer. Därefter är dessa partikel prekursorer orienterade i fältet flöde av kapillären och stelnat genom en crosslinking polymerisation, som producerar de slutliga påverkande partiklarna. Optimering av processen är nödvändigt att få påverkande partiklarna och ordentlig variationen av processparametrar (temperatur och flöde klassar) och tillåter variationer av storlek och form (från oblate till starkt prolate morfologier) samt omfattningen av aktivering. Dessutom är det möjligt att variera typen av aktivering från töjning sammandragning beroende på direktör profil förmås att droppar under flödet i kapillären, som igen beror på mikroflödessystem processen och dess parametrar. Partiklar av mer komplexa former, som core-shell strukturer eller Janus partiklar, kan dessutom förberedas genom att justera inställningarna. Av variationen i den kemiska strukturen och funktionsläget av crosslinking (stelning) av den flytande kristallin elastomer är det också möjligt att förbereda påverkande partiklar utlöses av värme eller UV-vis bestrålning.
Mikroflödessystem synteser har blivit en välkänd metod för tillverkning av flytande kristallin elastomer (LCE) ställdon i sista par år1,2,3. Detta tillvägagångssätt inte bara möjliggör produktion av ett stort antal väl påverkande partiklar men också tillåter tillverkning av former och morfologier som inte är tillgängliga av andra metoder. Eftersom LCE manöverdon finns lovande kandidater för ett program som konstgjorda muskler i mikro-robotics, är nya metoder att syntetisera sådana partiklar av stor betydelse för denna framtida teknik4.
I LCEs bifogas mesogens hos en flytande kristall (LC) polymern kedjar av en elastomer nätverk5,6,7,8. Sammanlänkningen av mesogens till polymer kedjan kan därmed ske i form av en sidokedja, en main-kedja eller en kombinerad LC-polymer9,10,11. Avståndet mellan de crosslinking punkterna bör vara tillräckligt långt för att tillåta en gratis omorientering av polymer kedjan mellan (i själva verket, detta är sant för alla elastomer, vilket skiljer dem från ”härdplast”). Därmed, kan crosslinking vara permanent eller reversibla på grund av starka icke-kovalenta interaktioner12,13,14. Denna typ av material kombinerar egenskaperna av båda, Anisotrop beteendet hos en flytande kristall med en elastomer entropisk elasticitet. I dess flytande kristallin fas temperaturområde anta polymerkedjorna en (mer eller mindre) sträckt konformation orsakas av anisotropin av flytande kristallin fas, som kvantifieras i parametern nematic ordning. När provet förs över nematic till-isotropiskt fas övergångstemperaturen, anisotropin försvinner och nätverket slappnar till energiskt gynnade slumpmässiga spolen konformation. Detta leder till en makroskopisk deformation och därmed aktivering5,15. Förutom uppvärmning av provet, kan detta arrangera gradvis övergången också induceras av andra stimuli som ljus eller lösningsmedel diffusion i LCEs16,17,18,19.
För att få en stark deformering, är det nödvändigt att provet antingen bildar en monodomain eller funktioner minst en rekommenderad orientering enda domänens styrelse under crosslinking steg20. För produktion av LCE filmer uppnås detta ofta genom sträckningen av en före polymeriserat prov, via orienteringen domäner i ett elektriska eller magnetiska fält, med hjälp av foto-justering lager eller via 3D-printing21 ,22,23,24,25,26.
En annan strategi är kontinuerlig utarbetandet av LCE partiklar med kapillär-baserade mikroflödessystem droplet generatorer. Flytande kristallina monomer droppar är spridda i en mycket trögflytande kontinuerlig fas, som flödar runt droppar och tillämpar en skjuvning på droppar yta. Därför observeras en cirkulation inuti monomer droplet-programmet, vilket orsakar en övergripande anpassning av flytande kristallin fas27. Därmed, har omfattningen av de skeva priser agerar på dropparna en stark påverkan på både droplet-programmets form och storlek, samt på orienteringen för fältet flytande kristallin direktör. Dessa väl orienterad droppar kan sedan vara polymeriseras ytterligare nedströms i ultrakalla setup. Beredning av ställdon med varierande former (t.ex., partiklar och fibrer) och mer komplexa morfologier som core-shell och Janus partiklar är således möjliga28,29,30,31. Det är även möjligt att förbereda oblate partiklar, som sträcker sig längs sin symmetri-axeln och mycket prolate, fiber-liknande partiklar som krympa på fas övergången. Båda typerna av partiklar kan göras med samma typ av mikrofabricerade setup, bara genom att variera de shear rate27. Här presenterar vi protokollet av hur man producerar sådana LCE ställdon av olika morfologier i egentillverkade kapillär-baserade mikroflödessystem enheter.
Förutom effekten av mesogen justering i LCE droppar och tillgängligheten av polymerer med varierande former har ultrakalla metoder ytterligare fördelar. Jämfört med andra partikel fabrication metoder som nederbörd i en icke-lösningsmedel eller suspension polymerisation32 (vilket leder till partiklar med en bred storlek-distribution), monodisperse partiklar (variationskoefficienten partikelstorlek är < 5%) kan syntetiseras använda mikrofluidik33,34. Det är dessutom lätt att bryta sfär symmetri droppar av ett flöde. Stora partiklar med en cylindrisk symmetri finns alltså tillgänglig, som behövs för ställdon. Detta skiljer sig från LC-partiklar av suspension polymerisation32. Dessutom partikelstorlek är väl justerbar av mikrofluidik i intervallet från flera mikrometer till hundratals µm, och tillsatser kan lätt föras in partiklarna eller på deras yta. Det är därför mikroflödessystem partikel preparatet används ofta i ämnen som drogen leverans35 eller tillverkning av kosmetika36.
De mikroflödessystem installationerna används i denna artikel infördes genom Serra o.a. 33 , 37 , 38 . Dessa tillverkas själv och består av högpresterande vätskekromatografi (HPLC) polytetrafluoretylen (PTFE) rör och t-korsningar, samt smält kiseldioxid kapillärer som ger de enda faserna. Således setup kan lätt ändras, och inre delar kan enkelt bytas ut eftersom de är kommersiellt tillgängliga. En photoinitiator läggs till monomer blandningarna, som möjliggör användning av en lämplig ljuskälla att inducera polymerisation av den droppar on-the-fly, efter att de lämnat kapillären. Bestrålning bortsett från kapillärerna är nödvändiga för att förhindra en igensättning av installationen. Andra typer av polymerisation bara starta polymerisering efter droplet-programmet har lämnat kapillären (t.ex., med initiativtagarna baserat på redox processer)39. Dock på grund av snabbhet av foto-inducerad crosslinking polymerisation och möjlighet att fjärrstyras, är photoinitiation den mest fördelaktiga.
Eftersom den LCE monomer blandningen är kristallin i rumstemperatur, krävs en noggrann temperaturkontroll av hela mikroflödessystem installationen. Därför placeras delen av installationen där droplet bildandet sker i ett vattenbad. Här bildas droppar vid höga temperaturer i isotropiskt melten av blandningen. För orientering, måste droppar kylas till flytande kristallin fas. Därför placeras polymerisation röret på en värmeplatta som är satt till det lägre temperatur spänner av LC-fasen (figur 1).
Här beskriver vi en flexibel och enkel metod för tillverkning av LCE manöverdon i ett flöde. Detta protokoll innehåller de steg som krävs för att bygga den mikroflödessystem setup för syntesen av enstaka partiklar och Janus samt core-shell partiklar i några minuter. Därefter beskriver vi hur du kör en syntes och Visa typiska resultatet samt påverkande partiklarna egenskaper. Slutligen diskuterar vi fördelarna med denna metod och varför vi tror att det kan leda till framsteg inom LCE ställdon.
Vi har beskrivit tillverkning av partiklar med olika morfologier via en mikroflödessystem strategi att producera LCE microactuators. För detta ändamål byggdes kapillär-baserade mikroflödessystem uppställningar som tillåter droplet bildandet följt av fotopolymerisation vid definierade temperaturer.
Här är en kritisk aspekt av en framgångsrik syntes rätt montering av installationen. Alla anslutningar mellan de enda delarna måste fastställas ordentligt att förhindra eventuella läckage av vätskor, och enheten måste vara rena före varje syntes att förhindra igensättning. Det är också viktigt att experimentet utförs under UV-fri förhållanden, sen, annars tidig polymerisation av monomerer blandningen och thus igen igensättning av installationen skulle vara resultatet.
Till denna dag, är den ultrakalla strategin beskrivs här den enda metoden som kan producera påverkande LCE partiklar. Härmed, uppfyller ultrakalla processen två krav samtidigt. Förutom tillverkning av en mängd lika stora mikro-objekt induceras en orientering av flytande kristallin direktören i dessa partiklar. Dessutom är det en ganska enkel procedur eftersom ett stort antal ställdon kan syntetiseras i ett enda steg. Tillämpa andra metoder, kräver orienteringen av mesogens vanligtvis ett extra steg som sträckningen av provet eller tillämpningen av foto-justering lager. Dessa processer är dessutom manuell, vilket innebär att produktionen av många ställdon är mycket tidskrävande. Dessutom LCE Morfologi är-i de flesta fall – begränsat till Polymerplaster. Nackdelarna med metoden mikroflödessystem är begränsning av partikeln storleksanpassar (som diametern är begränsad till värden mellan 200 och 400 µm), sårbarhet för igensättning kapillären, och nödvändigheten av UV-fri villkor under partikel förberedelsen i setup.
På-chip system används ofta för mikroflödessystem partikel påhitt eftersom de lätt kan produceras och görs av bara en bit. Dessa uppställningar, inte bara saknar nödvändiga inställningsmöjligheter för olika temperaturer under flödet men också är inte tillräckligt flexibla för att enkelt utbyta igensatt eller trasiga delar av microreactor. Därmed, det kapillär-baserade konfigurationer vi använder är mer lämpade för syntesen av LCE ställdon, som de uppfyller de viktigaste kraven.
Bortsett från våra presenterade resultaten ansätta Janus-partiklar och core-shell micropumps, mer komplexa ansättes partiklar med nya egenskaper kunde syntetiseras i framtiden och öppna nya möjligheter för mjuk ställdon program. Ytterligare ändring av Janus partiklar till flera lyhörd partiklar pågår redan. Därför siktar vi på införandet av en andra temperatur lyhörd polymer förutom den påverkande LCE. Ytterligare möjligheter för ny partikel design kan också uppstå vid användning av flytande kristallin azo-monomerer, vilket resulterar i det ljus-driven aktivering av LCE-partiklar17,18. I så fall kan vi tänka på Janus partiklar som innehåller både en temperatur-lyhörd samt en foto-ansättes del. Syntesen av ljus-driven core-shell partiklar eller pipe-liknande strukturer erbjuder en annan möjlig partikel-design, vilket skulle leda till foto-lyhörda micropumps. Ändring av de förfaranden som princip mikroflödessystem som vi presenterat ovan bör tillåta en mängd nya ställdon.
The authors have nothing to disclose.
Författarna vill tacka de tyska Science Foundation för att finansiera detta arbete (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 |