Origami Inspired Zelf-assemblage van Patterned en Herconfigureerbare Deeltjes

We beschrijven eerst een algemeen protocol dat kan worden gebruikt om een ​​patroon, afgesloten deeltjes en herconfigureerbare grijpinrichtingen fabriceren. Samen met de algemeen protocol, bieden wij een specifiek, gevisualiseerd voorbeeld voor zowel de fabricage van verzegelde dodecaëdervorm deeltjes en herconfigureerbare microgrippers. 1. Masker Voorbereiding en Design Rules Typisch worden ten minste twee sets masker nodig, voor regio's die niet buigt of curve (stijve panelen) en de andere voor regio bocht, curve of afdichting (scharnieren). Extra maskers kunnen worden gebruikt om oppervlaktepatronen van poriën, moleculaire patches, optische of elektronische elementen te definiëren. Maskers kunnen worden ontworpen met behulp van een verscheidenheid van twee dimensionale vector graphics software programma's zoals AutoCAD, Adobe Illustrator, Freehand MX of Layout Editor. Empirische studies suggereren de volgende optimale ontwerpregels voor het genereren van maskers die worden gebruikt voor de oppervlaktespanning gedreven vouwen van een polyhedron van zijde lengte L. Voor een bepaalde polyhedral geometrie, het aantal panelen moet eerst worden vastgesteld. Bijvoorbeeld, een kubus zes vierkante panelen terwijl een dodecaëder heeft twaalf vijfhoekige panelen. De hoge opbrengst tweedimensionale opstelling van panelen, ook wel net moet worden bedacht. Netten die de laagste gyratiestraal en grootste aantal secundaire vertex verbindingen hebben zal doorgaans monteren met de hoogste opbrengst. De optimale netten voor verschillende veelvlakken zoals kubussen, octaeders, dodecaëders, afgeknot octaeders, icosahedra, gepubliceerd 23, 28. In het paneel masker, moet de panelen van de veelvlakken worden getrokken netten en de aangrenzende panelen worden gescheiden door een spleet met een breedte die ongeveer 0.1L. Register tekens zijn vereist voor verdere aanpassing aan de scharnier masker. In het scharnier masker beide vouwen scharnieren (tussen de panelen) en vergrendelen of afdichten scharnieren (aan de randen van de panelen)moeten worden bepaald. Folding scharnieren hebben een lengte van 0.8L en breedte van 0,2 l scharnieren de afdichting aan de omtrek van de panelen lengtes en breedtes van 0.8L 0.1L hebben met een overstek van 0,05 L (figuur 1 ac). Speciale zorg moet worden genomen om ervoor te zorgen dat het paneel en scharnier maskers overlay, met register. Met dit ontwerp regel, zijn we in staat om deeltjes met afmetingen variërend van 15 micrometer tot 2,5 cm te synthetiseren. Het volume van het scharnier controleert de plooihoeken, en voor een gegeven scharnierbreedte, eindige elementen modellering de noodzakelijke dikte van het scharnier te bepalen. De lezer wordt verwezen naar gepubliceerde modellen 29-32 deze dikte schatten. Echter, de aantrekkelijke eigenschap van onze aanpak is het gebruik van de vergrendeling of het verzegelen van scharnieren die aanzienlijke fout-tolerantie te verlenen tijdens zelf-vouwen. Dus als afdichting scharnieren worden gebruikt, het assemblageproces kan verdragen afwijkingen in volumes scharnier, waardoor ze slechts ongeveer targeted. Door aanzienlijke coöperativiteit tijdens de montage, zelfs dodecaëders met uitklapbare hoeken van 116,57 ° zijn massa geproduceerd. Verder afgeknotte octaeders twee verschillende tweevlakshoeken van 125,27 ° en 109,47 ° maar kan worden geassembleerd met dezelfde scharnier volumes. Een ander voordeel van de afdichting scharnieren dat de scharnieren naast elkaar versmelten bij verhitting tijdens vouwproces, goed gesloten en naadloos en stijf bij afkoeling deeltjes creëren. Empirische studies suggereren de volgende optimaal ontwerp regels voor de maskers van microgrippers die vouwen als gevolg van restspanningen aangedreven scharnieren. Een microgripper van tip tot tip-lengte (D) van 600-900 um, de scharnier gap (g) is typisch ongeveer 50 urn (figuur 1 df), terwijl voor kleinere microgrippers met D van 300 urn, een kleinere g van ongeveer 25 pm worden gebruikt. Het scharnier kloof afmetingen zijn afhankelijk van de stress, dikte en elastische contegen van de onderliggende films en meerlaagse analytische oplossingen kunnen worden gebruikt tot ongeveer schatten mate van vouwen 25,33. Nauwkeurige meting van spanningen en eindige elementen modellering moet nauwkeurig simuleren vouwen. Empirische studies wijzen erop dat ongeveer 100 micrometer is de ondergrens voor de deeltjes met gestreste chroom scharnieren. Na ontwerpen van de inrichting, dient de maskers worden afgedrukt op transparantie films met een hoge resolutie printers hetzij zelf of via verschillende afzetmogelijkheden (figuur 2a). Gewoonlijk moeten transparanten alleen worden gebruikt met minimale functie maten van 6 urn, terwijl chroom maskers zijn nodig voor constructies met kleinere openingen scharnier of functies. De typische bestandsformaat nodig voor het bestellen van commerciële maskers is ". Dxf". 2. Voorbereiding van de ondergrond Vlakke substraten zoals glas of silicium wafers slides moeten worden gebruikt. Voor een goede hechting is het important te reinigen en drogen van de substraten. Het is meestal voldoende om de substraten te reinigen met methanol, aceton en isopropyl alcohol (IPA), drogen met stikstof (N 2) en verwarm ze op een hete plaat of in een oven bij 150 ° C gedurende 5-10 minuten. 3. Afzetting van de Sacrificial Layer Om de templates van het substraat na patroon loslaat, wordt een te offeren laag nodig. Een verscheidenheid van films uit beide metalen (bijvoorbeeld koper), diëlektrica (bijvoorbeeld aluminiumoxide) of polymeren (bijvoorbeeld PMMA, PVA, CYTOP etc.) kunnen gebruikt worden. Bij het kiezen van een wegbrandfolie belangrijke overwegingen het gemak van afzetting en oplossen van het materiaal en de etsselectiviteit. 4. Patroonvorming van de panelen De panelen van de deeltjes kan worden afgezet door een verscheidenheid aan middelen. Voor polymere deeltjes, worden de films afgezet door spinbekleding of drop casting. Voormetaaldeeltjes, elektrodepositie of thermische verdamping kan worden gebruikt. Voor de vervaardiging van metalen deeltjes, moet een geleidende laag toe te voegen aan de te offeren laag beklede substraat aan elektrodepositie van de panelen en scharnieren vergemakkelijken. De panelen kunnen worden met elke patroon lithografisch proces zoals fotolithografie, vormen, nanoimprint lithografie of elektronenstraal lithografie. Een typische fotolithografie proces omvat het bekleden van een fotolaklaag op het substraat, dan bakken, belichten en ontwikkelen als aanbeveling van de fabrikant. Lichtgevoelige zoals SPR, AZ of SC serie kunnen worden uitgevoerd, als alternatief, kunnen de panelen worden gedefinieerd met fotoverknoopbare polymeren zoals SU8, PEGDA of fotoverknoopbare PDMS. Afhankelijk van de keuze van fotolak, dikte en dus centrifugetoerental, belichtingstijd en ontwikkelingstijd zal moeten dienovereenkomstig worden aangepast. Na fotolithografie, afhankelijk van de grootte van metallisch partikelen kan dikke panelen worden gevormd door elektrodepositie, waarbij dunne platen kan door verdamping of sputteren. Voor elektroafzetting van panelen moet Faraday wetten van elektrodepositie en de efficiëntie van het bad worden gebruikt om de galvanische stroom gebaseerd op het totale blootgestelde oppervlak van de panelen berekenen. Typische stroomdichtheden voor nikkel (Ni) en soldeer (Pb-Sn) plating zijn tussen 1-10 mA / cm 2 en 20-50 mA / cm 2 respectievelijk. 5. Patroonvorming van de Scharnieren Vergelijkbaar met de patronen van de panelen, om scharnieren patroon, een tweede fotolithografie moet gebeuren via het scharnier masker (figuur 2b-c). Het register merktekens op het paneel en scharnier maskers moeten worden bedekt om een ​​goede uitlijning te garanderen. Voor oppervlaktespanning gedreven montage moeten de materialen voor de panelen en scharnieren worden gekozen zodat het scharnier materiaal een laag iser smeltpunt dan de panelen en dus de panelen stijf blijven terwijl de scharnieren gesmolten. Assemblage gebeurt wanneer de templates worden verwarmd tot boven het smeltpunt van het scharnier materiaal. Bijvoorbeeld in geval van metalen deeltjes met Ni panelen we galvanische Pb-Sn soldeer op de scharnieren die smelt bij ~ 200 ° C en vraagt ​​de vouwen. Ook in het geval van polymere deeltjes met SU8 panelen aagegeven polycaprolacton scharnieren die verzamelen op ~ 58 ° C. 27 De werkwijze werkt het beste wanneer de scharnier materiaal vastgemaakt in het scharniergebied tijdens reflow, die geen extra verspreid over de panelen en niet volledig Dewet van het paneel. Dit pinning kan worden bereikt door de keuze van materialen met geschikte eigenschappen bevochtiging en viscositeit. In het geval van dunne film stress aangedreven zichzelf vouwen moet de scharnieren voorafgaand patroon om het paneel patronen. Gewoonlijk moet het scharnier bestaat uit een differentieel benadrukt dubbellaag,uit een gespannen metalen zoals chroom (Cr) of zirkonium (Zr) en een relatief onbelast metaal zoals goud (Au) of koper (Cu). Bijvoorbeeld voor microgrippers een scharnier afstand van 50 urn, gebruiken we een dubbellaag bestaande uit 50 nm en 100 nm Cr Au. Naast differentieel benadrukt metallic dubbellagen en differentieel polymeren 34-37 benadrukt, kunnen SiOx lagen 38 of epitaxiale lagen halfgeleider 5 ook worden gebruikt. Voor dunne film stress aangedreven zichzelf vouwen moet een thermo-gevoelige polymère laag trekker gebruikt worden om de apparaten met de structuren niet spontaan vouwen bij het loslaten van het substraat te beperken. De juiste keuze van materiaal en dikte trekker kan begiftigen de apparaten met verschillende stimuli-responsieve eigenschappen. Bijvoorbeeld, patronen 1,5 pm dikke fotoresistlaag (S1800 series) in het scharniergebied voldoende om de apparaten vlakke totdat zij verwarmd tot ~ 37 ° C om het vouwen activeren. <p class= "Jove_title"> 6. Het loslaten van de sjablonen van het substraat en vouwen Om kort op de patroon 2D sjablonen, het offer laag moet worden opgelost door middel van passende etsmiddelen (figuur 2d). Voor oppervlaktespanning aangedreven samenstel, het model vlakke precursors moeten worden verwarmd tot boven het smeltpunt van het scharnier materiaal. Bij verhitting, krijgen de scharnieren vloeibaar en de voorlopers assembleren tot het juiste type holle deeltjes (figuur 2e-i). Voor dunne film stress aangedreven vouwen, kunnen de vouwen plaats na de structuren vrijkomen van het substraat en de blootstelling de juiste stimulus, bijvoorbeeld bij verhitting, zodat de trekker verzacht en niet langer beperkt de ontspanning van de gestresste bilaag scharnieren. Aangezien de grijpinrichtingen zijn ferromagnetische kunnen worden geleid en geplaatst nabij passende lading en geactiveerd te vouwen rond (figuur 2j-n). Opmerkelijk is dat weefsel excisie kan worden bereikt met deze geactiveerd vouwen 25. Voorbeeld 1. Protocol voor de vervaardiging van oppervlaktespanning gedreven zelf-geassembleerde, permanent gebonden, 300 pm maat holle dodecaëders (schema in figuur 3): Bereid de maskers zoals beschreven in Stap 1. Voor fabricage van de dodecaëders met 300 urn paneelrand lengte, een panel masker zodanig dat de vijfhoekige panelen van de dodecaëder elkaar zijn geplaatst op 30 urn trekken. Teken een scharnier masker waar vouwen en afdichten scharnieren hebben afmetingen van 240 um x 60 urn en 240 urn x 30 urn respectievelijk. Bereid een silicium wafer zoals beschreven in stap 2. Spin coat ~ 5,5 pm dikke laag van 950 PMMA A11 bij 1.000 rpm op silicium wafers. Wacht 3 min en daarna bakken bij 180 ° C gedurende 60 sec. Met een thermische verdamper Borg 30 nm chroom (Cr) als adhesiepromotor en 150 nm koper (Cu) als thij geleidende laag. Spin jas ~ 10 micrometer dik SPR220 op 1.700 toeren per minuut op de wafers. Wacht 3 min. Voer de aanlooptijd softbake door het plaatsen van de wafer op een verwarmingsplaat bij 60 ° C gedurende 30 sec. Vervolgens over de wafer op een kookplaat bij 115 ° C gedurende 90 sec en daarna naar 60 ° C gedurende 30 sec. Koel de wafers bij kamertemperatuur en wacht gedurende 3 uur. Bloot de wafers aan het paneel masker met ~ 460 mJ / cm 2 van UV licht (365 nm) en een kwikverbinding masker aligner. Ontwikkelen MF-26A ontwikkelaar voor 2 min en wijzigen de ontwikkelaar ontwikkelen nog 2 min. Bereken de totale paneelgebied en gebruiken de huidige vereist Ni galvanische een commerciële nikkel sulfamaat oplossing met een snelheid van ongeveer 1-10 mA / cm 2 met een dikte van 8 urn berekenen. Los de fotoresist met aceton. Spoel de wafer met IPA, en droog met N2 gas. Spin jas ~ 10 micrometer dik SPR220 bij 1700 rpm op de wafers. Wacht 3 min. Voer de aanlooptijd softbake door het plaatsen van de wafer op een verwarmingsplaat bij 60 ° C gedurende 30 sec. Breng het wafer een andere kookplaat bij 115 ° C gedurende 90 sec en daarna naar 60 ° C gedurende 30 sec. Koel de wafers bij kamertemperatuur en wacht gedurende 3 uur. Bloot wafers het scharnier masker met ~ 460 mJ / cm 2 van UV licht (365 nm) en een kwikverbinding masker aligner. Zorg ervoor dat het register merktekens zijn zo opgesteld dat de scharnieren zijn uitgelijnd met de panelen. Ontwikkelen MF-26A ontwikkelaar voor 2 min en wijzigen de ontwikkelaar ontwikkelen nog 2 min. Met behulp van een diamantslijper, snijd de wafel in kleine stukjes, zodat een stuk van wafer bevat ~ 50-60 netten. Smeer de randen van de stukken met nagellak. Bereken de totale blootgestelde scharnierzone en gebruiken de huidige vereist galvanische Pb-Sn soldeer berekenen van een commerciële soldeer beplatingsoplossing met een snelheid van gebatterijvak ongeveer 20-50 mA / cm 2 tot een dikte van 15 pm. Los de fotoresist in aceton. Spoel de wafer stukken met IPA, en droog met N2 gas. Dompel de wafer stuk in etsmiddel APS 100 voor 25 tot 40 seconden om de omgeving Cu laag te ontbinden. Afspoelen met DI-water en droog met N2 gas. Dompel de wafer stuk in etsmiddel CRE-473 voor 30-50 seconden naar de omliggende Cr-laag te ontbinden. Afspoelen met DI-water en droog met N2 gas. Dompel de wafer stuk ~ 2-3 ml 1-methyl-2-Pyrollidinone (NMP), verwarm tot 100 ° C gedurende 3-5 min tot de templates worden vrijgegeven van het substraat. Transfer ~ 20-30 sjablonen in een kleine petrischaal en gelijkmatig verdelen. Voeg ~ 3-5 ml van NMP en ~ 5 tot 7 druppels van Indalloy 5RMA vloeibare flux. Warmte bij 100 ° C gedurende 5 minuten. In deze stap Indalloy 5RMA vloeibare flux reinigt en lost elke oxidelaag op het soldeer en aldus zorgt voor een goede soldeer reflow bij verhitting boven het smeltpunt. Verhoog de kookplaat temperatuur tot 150 ° C gedurende 5 min en vervolgens langzaam te verhogen tot 200 ° C tot vouwen optreedt. Wanneer de temperatuur wordt verhoogd tot 200 ° C vouwen begint na 5-8 minuten. Het mengsel kan blijken bruin als het begint te branden. Wanneer de dodecaëders zijn gevouwen, zodat de schotel afkoelen. Voeg aceton om de schotel en pipetteer de vloeistof en spoel de dodecaëders in aceton en ethanol. Bewaar de dodecaëdervorm deeltjes in ethanol. Voorbeeld 2. Protocol voor vervaardiging van herconfigureerbare, dunne film stress aangedreven zichzelf vouwen thermisch gevoelige microgrippers (schema in figuur 4): Bereid de maskers zoals beschreven in Stap 1. Ontwerp de maskers zodat tip to tip lengte van de grijpers is 980 urn, met het middenpaneel zijlengte van 111 urn en het scharnier afstand van 50 urn. Typische scharnier en paneel maskers kunnen worden ontworpen similar 1 de figuur. Bereid silicium wafers, zoals uitgelegd in stap 2. Borg 15 nm Cr hechting en 50-100 nm Cu offer lagen met behulp van een thermische verdamper. Spin-coat ~ 3 urn dik S1827 met spin coater, bij 3.000 rpm. Wacht 3 min en de wafel bakken bij 115 ° C gedurende 1 minuut op een verwarmingsplaat. Blootstellen aan ~ 180 mJ / cm 2 UV licht (365 nm) met een masker aligner en het scharnier masker. Ontwikkel voor 40-60 sec in 5:01 verdunde 351 Developer. Afspoelen met DI-water en droog met N2 gas. Deposit 50 nm en 100 nm Cr Au met een thermische verdamper. De Cr-Au fungeert als scharnier dubbellaag met een restspanning in de Cr film, terwijl de film een ​​Au bioinert steunlaag. Lift-off van de fotolak in aceton. Gebruik een sonicator gedurende 3-5 minuten om volledig op te heffen-het overtollige metaal. Was de wafer met aceton en IPA, droog met N2 gas. Spin jas ~ 10 micrometer dik SPR220 op1700 rpm op de wafers. Wacht 3 min. Voer de aanlooptijd softbake door het plaatsen van de wafer op een verwarmingsplaat bij 60 ° C gedurende 30 sec. Breng het wafer een andere kookplaat bij 115 ° C gedurende 90 sec en daarna naar 60 ° C gedurende 30 sec. Wachten gedurende 3 uur. Bloot fotolak op ~ 460 mJ / cm 2 UV licht (365 nm) met een masker aligner door het paneel masker. Ontwikkelen MF-26A ontwikkelaar voor 2 min en wijzigen de ontwikkelaar ontwikkelen nog 2 min. Bereken de totale paneelgebied en gebruiken de huidige vereist Ni galvanische een commerciële nikkel sulfamaat oplossing met een snelheid van ongeveer 1-10 mA / cm 2 tot een dikte van 5 urn berekenen. Spoel grondig af met DI-water. Galvanische of verdampen 100 nm Au. Deze laag helpt Ni beschermen tegen de etsmiddelen gebruikt om de offerlaag verwijderen. Strip de fotolak met aceton. Spoel de wafer met IPA, en droog met N2 gas. </li> Meng S1813 en S1805 photoresits bij 1:5 volume-verhouding. Spin laag het mengsel bij 1.800 rpm. Wacht 3 min bakken op een hete plaat bij 115 ° C gedurende 1 minuut. Deze fotolaklaag werkt als trigger laag. Blootstellen aan ~ 120 mJ / cm 2 UV licht (365 nm) op een masker aligner met het scharnier masker. Ontwikkel voor 30-50 sec in 5:01 verdunde 351 ontwikkelaar. Afspoelen met DI-water en droog met N2 gas. Snijd een stuk van de wafer met een diamantslijper. Dompel de wafer stuk in APS 100 tot etsen van de onderliggende Cu offer laag. Wacht tot de microgrippers volledig ontladen van het substraat. Spoel de microgrippers met DI-water en op te slaan in koud water. Activeer de vouwen Door de microgrippers in 37 ° C water. 7. Representatieve resultaten Representatieve resultaten in figuur 5 tonen zelf-geassembleerde polyhedral deeltjes in verschillende shapen en vouwen microgrippers. De fabricage en bediening proces is zeer parallel en 3D-structuren kunnen worden vervaardigd en gelijktijdig geactiveerd. Bovendien kan nauwkeurige patronen zoals bijvoorbeeld vierkant of driehoekig poriën worden gedefinieerd in drie dimensies, en geselecteerde vlakken indien nodig. De microgrippers kan worden gesloten onder biologisch goedaardige voorwaarden zodat zij kunnen worden gebruikt om weefsel of accijns geladen met biologische lading. Bovendien, aangezien de microgrippers kan met een ferromagnetisch materiaal, kunnen ze verplaatst van verre met magneetvelden. Figuur 1. Praktisch ontwerp van de synthese van patroon deeltjes (ac) Mask ontwerpregels voor de montage van patroon polyhedrale deeltjes;. (A) Schematische voorstelling van het paneel masker voor een veelvlak van side lengte L, (b) schematische weergave van het scharnier masker met vouwen(0,2 L x 0,8 L) en vergrendeling of afdichting (0,1 L x 0,8 L) scharnieren, en (c) schematische voorstelling van de overlappende 2D precursor of net. (Df) Mask praktisch ontwerp van de zelf-vouwen microgripper, (d) schematische weergave van het scharnier masker voor een microgripper met punt tot punt D lengte, (e) schema van het paneel masker met scharnier gap g, en (f) schematische weergave van de overlay 2D voorloper. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken . Figuur 2. Experimentele beelden en conceptuele animaties van belangrijke stappen in de fabricage en assemblage proces. (A) Screenshot van een AutoCAD-panel masker voor dodecaëdervorm voorlopers. (Bc) Optische beelden van 2D precursors, (b) dodecaëders, en (c) microgrippers op een siliciumsubstraat. (D) Uitgebracht dodecaëdervorm netten. Schaal van de balk: 200 pm. (Nl) Conceptuele eennimation van, (ei) de oppervlaktespanning gedreven montage van een dodecaëder, en (JN) dunne film stress gedreven vouwen van een microgripper rond een kraal (Animatie door David Filipiak). Figuur 3. Schematische weergave van de belangrijkste fabricagestappen voor de oppervlaktespanning aangedreven samenstel van een kubieke deeltje. Figuur 4. Schematische weergave van de belangrijkste fabricage stappen voor de restspanning gedreven vouwen van een zes-cijferige grijpinrichting. Figuur 5. Afbeeldingen van origami geïnspireerde zelf-geassembleerde patroon en herconfigureerbare deeltjes. </strong> (a) Optisch van zelf-geassembleerde deeltjes in een verscheidenheid van vormen. (Be) SEM beelden van een (b) zelf-geassembleerde poreuze kubus, (c) piramide, (d) partiële octaëder en (e) dodecaëder. Schaal van de balk: 100 urn. (Fh) Optische snapshots van zelf-vouwen microgrippers, en (i) SEM beeld van een gevouwen microgripper (Afbeelding door Timothy Leong). Schaal van de balk: 200 pm.