Вдохновленные оригами самосборки Узорчатое и Reconfigurable Частицы

Сначала мы опишем общий протокол, который может быть использован для изготовления узорной, запечатанные частицы и реконфигурируемые захвата устройства. Наряду с общим протоколом, мы предоставляем одну конкретную, визуализировать например для изготовления запечатанных додекаэдрических частиц и реконфигурируемые microgrippers. 1. Подготовка маски и правила проектирования Как правило, по крайней мере, два комплекта маски необходимы, по одному для регионов, которые не сгибаются или кривой (сэндвич-панели), а другой для регионов, изгиб, кривой или печать (петли). Дополнительные маски могут быть использованы для определения поверхности моделей поры, молекулярная патчи, оптических или электронных элементов. Маски могут быть разработаны с использованием различных двумерной векторной графики программ, таких как AutoCAD, Adobe Illustrator, FreeHand MX или Layout Editor. Эмпирические исследования показывают следующие оптимальные правила проектирования для создания масок, которые могут быть использованы для поверхностного натяжения приводом складывания полyhedron с длиной стороны L. Для конкретного многогранных геометрии, количество панелей, сначала должен быть определен. Например, куб имеет шесть квадратных панелей в то время как додекаэдр имеет двенадцать пятиугольных панелей. Высокоурожайных двумерного расположения панелей, также называемые чистые должно быть выяснили. Сети, которые имеют низкий радиус инерции и наибольшее число вторичных вершин соединения, как правило, собирают с самой высокой урожайности. Оптимальных сеток для различных многогранников, таких как кубы, октаэдры, додекаэдры, усеченные октаэдры, икосаэдров, опубликованы 23, 28. На панели маски, панно из многогранников должно быть обращено в сети и соседних панелей должны быть расположены щелью шириной, что составляет примерно 0,1 л. Реестр знаков, необходимых для последующего согласования с шарниром маски. В шарнире маску, как складные петли (между панелями) и блокировка или герметизации петли (по краям панели)должны быть определены. Складные петли должны иметь длину 0,8 л и шириной 0,2 л, уплотнение петли на периферии панели должны иметь длину 0.8L и 0.1L шириной с навеса 0.05L (рис. 1-в). Особое внимание должны быть приняты для того, чтобы накладка панели и петли масках, с реестром. Благодаря такой конструкции правило, мы смогли синтезировать частицы с размерами от 15 мкм до 2,5 см. Объем петли контролирует складные углы, и для данной ширины петли, метод конечных элементов моделирования требуется определить необходимую толщину петли. Мы отсылаем читателя к опубликованной модели 29-32 оценить эту толщину. Тем не менее, привлекательной особенностью нашего подхода является использование блокирующих или герметизации петли, которые обеспечивают значительную ошибку толерантности во время самостоятельной складывания. Следовательно, когда уплотнение петли используются, процесс сборки устойчив к отклонениям в петлю объемах, что позволяет им быть только примерно таrgeted. В связи со значительным кооперативности во время сборки, даже с додекаэдры раз углов 116,57 ° было массовое производство. Кроме того, усеченного октаэдра имеют два различных двугранных углов 125,27 °, 109,47 °, но могут быть собраны с использованием тех же объемах шарнира. Еще одно преимущество уплотнительной петли является то, что петли рядом друг с другом сливаются на отопление в процессе сворачивания, создавая плотно закрытыми, бесшовных и твердых частиц при охлаждении. Эмпирические исследования показывают следующие оптимальные правила дизайна для маски microgrippers, которые складываются в связи с остаточными напряжениями питания петли. Для microgripper от носа до кончика длины (Д) 600-900 мкм, петля разрыва (г) обычно составляет около 50 мкм (рис. 1, г), тогда как для меньших microgrippers с D 300 мкм, меньше г около 25 мкм должны быть использованы. Петля размеры зазора зависят от напряжения, толщины и упругой ConteНТС базовых пленок и многослойных аналитические решения могут быть использованы для грубой оценки степени складывающееся 25,33. Точное измерение напряжения и конечно-элементного моделирования необходимо точно имитировать складывания. Эмпирические исследования показывают, что около 100 мкм является нижним пределом для частиц с напряженной петли хром. После разработки макета, маски должны быть напечатаны на прозрачность пленок с использованием принтеров с высоким разрешением либо в доме или с помощью различных торговых точек (рис. 2а). Как правило, прозрачность пленки должны быть использованы только с минимальными размерами особенность 6 мкм, в то время как хром маски необходимы для структуры с меньшим петли пробелов и возможностей. Типичный формат файла, необходимого для заказа коммерческих масок ". DXF". 2. Подготовка основания Плоский субстратов, таких как стекло слайдов или кремниевые пластины должны быть использованы. Для хорошей адгезии, это чертенокortant очистить и высушить поверхности. Как правило, достаточно для очистки подложек с метанол, ацетон и изопропиловый спирт (IPA), высушить их с помощью азота (N 2), а затем нагреть их на горячей плите или в духовке при температуре 150 ° С в течение 5-10 мин. 3. Нанесение жертвенного слоя Для того, чтобы освободить шаблоны от подложки после рисунка, жертвенный слой не требуется. Различные фильмы состоят либо металлов (например, меди), диэлектриков (например, алюминия) или полимеров (например, PMMA, PVA, CYTOP и т.д.) могут быть использованы. При выборе жертвенного фильма, важные соображения являются простота осаждения и растворения материала и травления селективности. 4. Паттерна панелей Панели из частиц может быть нанесен с помощью различных средств. Для полимерных частиц, фильмы, сданный на хранение покрытия спина или падение литья. Дляметаллических частиц, электроосаждения или термического испарения могут быть использованы. Для изготовления металлических частиц, необходимо добавить проводящий слой на жертвенный слой подложки с покрытием для облегчения электроосаждения панелей и шарниров. Панели могут быть узорными использовании любых литографических процессов, таких как фотолитография, литье, литографии nanoimprint или литографии электронным пучком. Типичный процесс фотолитографии предусматривает покрытие слоем фоторезиста на подложку, то выпечка, выявления и разработки в качестве рекомендации на производителя. Фоторезистов, таких как SPR, AZ или SC серии могут использоваться, как альтернатива, панели могут быть определены с помощью photocrosslinkable полимеров, таких как SU8, PEGDA, или photocrosslinkable PDMS. В зависимости от выбора фоторезиста, толщина и, следовательно, скорости отжима, времени экспозиции и время разработки должны быть соответствующим образом скорректированы. После фотолитографии, в зависимости от размера металлических частицчастиц, толстые панели могут быть образованы путем электроосаждения, в то время как тонкие панели может быть определена путем испарения или распыления. Для электроосаждения панелей, законы Фарадея электроосаждения и эффективность ванны должна быть использована для расчета гальванических текущим расчете на общую площадь открытой поверхности панелей. Типичная плотность тока на никель (Ni) и припоя (Pb-Sn) покрытия составляет от 1-10 мА / см 2 и 20-50 мА / см 2 соответственно. 5. Создание массивов Петли Подобный паттерн панелей для того, чтобы картина петли, второй тур фотолитографии должно быть сделано с помощью шарнира маски (рис. 2, б-в). В реестре знаков на панели и петли маски должны быть наложены, чтобы обеспечить надлежащее выравнивание. Для поверхностного натяжения приводом сборки, материалов для панелей и петли должны быть выбраны так, чтобы петля Материал имеет низкийэ точку плавления, чем панелей и, следовательно, панели остаются жесткими, а петли растаял. Ассамблея происходит, когда шаблоны нагревается выше температуры плавления материала петли. Например, в случае металлических частиц с Ni панелей, мы электролитическое Pb-Sn припой на петлях, которая плавится при ~ 200 ° C и предлагает складные. Кроме того, в случае полимерных частиц с SU8 панелей, мы месторождения поликапролактон петли, которые собираются на ~ 58 ° C. 27 Процесс работает лучше всего, когда петля Материал возлагали в шарнирной области во время оплавления, то есть она не распространилась по всему Панели и не полностью dewet от панели. Это пиннинга может быть достигнуто путем подбора материалов с соответствующими характеристиками смачивания и вязкости. В случае тонких стресс фильме приводится Убирающиеся, петли должны быть составлены по образцу до панели рисунка. Как правило, петля должна состоять из дифференциально подчеркнул бислоя,состоят из напряженных металлов, таких как хром (Cr) или циркония (Zr) и относительно безударный металлов, таких как золото (Au) или меди (Cu). Например, для microgrippers с шарниром зазор 50 мкм, используется двухслойная состоит из 50 нм Cr и 100 нм Au. В дополнение к дифференциально подчеркнул металлическим бислоев, дифференцированно подчеркнул полимеров 34-37, SiOx слоев 38 или эпитаксиальных полупроводниковых 5 слоев также может быть использован. Для тонких стресс фильме приводится самостоятельно складывающиеся, термочувствительных полимерных слоев триггеров должны быть использованы для ограничения устройств, так что структуры не складываются стихийно после освобождения от подложки. Соответствующий выбор материала и толщины триггер может наделять устройства с различными стимулами реагировать свойства. Например, структурирование 1,5 мкм фоторезиста (S1800 серии) в шарнирной области достаточно, чтобы держать устройство плоской, пока они не нагреваются до ~ 37 ° C, чтобы вызвать складывания. <p class= "Jove_title"> 6. Освобождение Шаблоны от подложки и складные Чтобы освободить узорные 2D шаблонов, жертвенный слой должен быть распущен соответствующих травильных растворов (Рис. 2d). Для поверхностного натяжения приводом сборки, выпустили прекурсоров плоских должны быть нагревается выше температуры плавления материала петли. При нагревании, петли получить сжиженный и прекурсоров собираться в соответствующую форму полых частиц (рис. 2e-я). Для тонкой пленки стресс приводом складной, складные может быть вызвана после того, как структуры освобождаются от поверхности и от воздействия права стимула, например, на отопление, так что триггер смягчает и больше не сдерживает релаксации напряженных петли бислоя. После захвата устройства ферромагнитных они могут руководствоваться и расположен рядом с соответствующим грузом и вызвал сложить вокруг него (рис. 2j-п). Следует отметить, что ткани возбужденияния может быть достигнуто с помощью таких вызвало складывающиеся 25. Пример 1. Протокол для изготовления поверхностного натяжения приводом самоорганизующихся, постоянно соединены, 300 мкм, размер полых додекаэдров (схематическое изображение на рисунке 3): Подготовка маски, как описано в шаге 1. Для изготовления додекаэдров с 300 мкм, длина ребра панели, сделать маску панели таким образом, что пятиугольная панелей додекаэдра разнесены на 30 мкм. Нарисуйте петли маску, где спинка и герметизации петли имеют размеры 240 мкм х 60 мкм и 240 мкм х 30 мкм соответственно. Подготовка субстрата кремниевых пластин, как описано в шаге 2. Спин пальто ~ 5,5 мкм слой из 950 PMMA A11 на 1000 оборотов в минуту, на кремниевых пластинах. Подождите в течение 3 минут, а затем выпекать при температуре 180 ° С в течение 60 сек. Использование термического испарителя, депозит 30 нм хрома (Cr), как промотор адгезии и 150 нм медь (Cu), а тОн проводящего слоя. Спин пальто ~ 10 мкм SPR220 при 1700 оборотов в минуту на пластинах. Подождите 3 мин. Выполните разгона softbake путем размещения пластин на плите при температуре 60 ° С в течение 30 сек. Затем перенесите пластины на другую конфорку при 115 ° С в течение 90 секунд, а затем обратно до 60 ° С в течение 30 сек. Охладить пластины при комнатной температуре и ждать 3 часа. Expose пластин к панели маску, используя ~ 460 мДж / см 2 УФ-светом (365 нм) и на основе ртути выравниватель маски. Разработать в MF-26A разработчик в течение 2 мин и изменить разработчик решения и развивать еще в течение 2 мин. Расчет общей площади панели и использовать его, чтобы вычислить ток, необходимый для электролитическое Ni от коммерческого решения сульфамат никеля в размере примерно 1-10 мА / см 2 толщиной до 8 мкм. Растворите фоторезиста с ацетоном. Промыть пластины с ПНД и насухо N 2 газ. Спин пальто ~ 10 мкм SPR220 при 1700 оборотов в минуту на пластинах. Подождите 3 мин. Выполните разгона softbake путем размещения пластин на плите при температуре 60 ° С в течение 30 сек. Затем перенесите пластины к другой плите при температуре 115 ° С в течение 90 секунд, а затем обратно до 60 ° С в течение 30 сек. Охладить пластины при комнатной температуре и ждать 3 часа. Expose пластин с шарниром маску, используя ~ 460 мДж / см 2 УФ-светом (365 нм) и на основе ртути выравниватель маски. Убедитесь, что реестр знаков выровнены так, чтобы петли были совмещены с панелями. Разработать в MF-26A разработчик в течение 2 мин и изменить разработчик решения и развивать еще в течение 2 мин. Используя алмазный резец, нарезать пластины на маленькие кусочки так, чтобы одна часть пластина содержит ~ 50-60 сетями. Смазать края частей с лаком для ногтей. Рассчитайте общую площадь подвергается петли и использовать его для вычисления ток, необходимый для электролитическое Pb-Sn припой от коммерческого решения покрытием припоя в размере соответствуюximately 20-50 мА / см 2 толщиной до 15 мкм. Растворите фоторезиста в ацетоне. Промыть пластины частей с ПНД и насухо N 2 газ. Опустите пластину кусок в травителя APS 100 на 25-40 секунд, чтобы растворить окружающих Cu слоя. Промойте водой и высушите DI с N 2 газ. Опустите пластину кусок в травителя CRE-473 в течение 30-50 секунд, чтобы растворить окружающих Cr слоя. Промойте водой и высушите DI с N 2 газ. Опустите пластину кусок в ~ 2-3 мл 1-метил-2-Pyrollidinone (NMP) и тепла при температуре 100 ° C в течение 3-5 мин, пока шаблоны освобождены от подложки. Передача ~ 20-30 шаблонов в небольшой чашке Петри и распределять их равномерно. Добавить ~ 3-5 мл NMP и ~ 5-7 капель Indalloy 5RMA жидкого потока. Тепло при 100 ° С в течение 5 мин. На этом этапе Indalloy 5RMA потока жидких очищает и растворяет любые оксидного слоя сформированы на пайку и тем самым обеспечивает хорошую пайку Reflвл при нагревании выше температуры плавления. Увеличение конфорки температуры до 150 ° C в течение 5 мин, а затем постепенно увеличить ее до 200 ° C до складывающиеся происходит. При повышении температуры до 200 ° C складывающиеся начинается через 5-8 мин. Смесь может оказаться коричневатые, как он начинает гореть. Когда додекаэдры сбросили карты, позволяющие блюдо остынет. Добавить ацетона на блюдо, пипетки из жидкости, и промойте додекаэдры в ацетоне, а затем этанолом. Хранить додекаэдрических частиц в этанол. Пример 2. Протокол для изготовления реконфигурируемых, тонкий стресс фильме приводится Убирающиеся термочувствительных microgrippers (схематическое изображение в рисунок 4): Подготовка маски, как описано в шаге 1. Дизайн маски, так что от носа до кончика Длина захватов составляет 980 мкм, с центральной длиной боковой панели из 111 мкм и петли зазора 50 мкм. Типичные маски петли и панели могут быть разработаны similAR на рисунке 1 де. Подготовка кремниевых пластин, как описано в шаге 2. Депозит 15 нм Cr адгезии и 50-100 нм Cu жертвенных слоев с помощью термического испарителя. Спин-пальто ~ 3 мкм S1827 использованием спин нанесения покрытий, при 3000 оборотах в минуту. Подождите в течение 3 минут, а затем выпекать пластины при температуре 115 ° С в течение 1 мин на плите. Expose на ~ 180 мДж / см 2 УФ-светом (365 нм) с помощью выравниватель маске и шарниром маски. Разработать в течение 40-60 сек в 5:01 разбавленного разработчика 351. Промойте водой и высушите DI с N 2 газ. Депозит 50 нм Cr и Au 100 нм с использованием теплового испарителя. Cr-Au функции, как петля с двухслойной остаточных напряжений в пленке Cr, в то время как фильм Аи биоинертными слой поддержки. Старт фоторезиста в ацетоне. Использование ультразвукового течение 3-5 мин, чтобы полностью снять-излишки металла. Промыть пластины с ацетоном и ПНД, сухой газ N 2. Спин пальто ~ 10 мкм в SPR2201700 оборотов в минуту на пластинах. Подождите 3 мин. Выполните разгона softbake путем размещения пластин на плите при температуре 60 ° С в течение 30 сек. Затем перенесите пластины к другой плите при температуре 115 ° С в течение 90 секунд, а затем обратно до 60 ° С в течение 30 сек. Подождите в течение 3 часов. Expose фоторезиста на ~ 460 мДж / см 2 УФ-светом (365 нм) с помощью маски Aligner через панель маски. Разработать в MF-26A разработчик в течение 2 мин и изменить разработчик решения и развивать еще в течение 2 мин. Расчет общей площади панели и использовать его, чтобы вычислить ток, необходимый для электролитическое Ni от коммерческого решения сульфамат никеля в размере примерно 1-10 мА / см 2 толщиной до 5 мкм. Промыть водой DI тщательно. Электролитическое или испаряться 100 нм Au. Этот слой предназначен для защиты от Ni травителей используется для удаления жертвенного слоя. Снимите фоторезиста с ацетоном. Промыть пластины с ПНД и насухо N 2 газ. </li> Смешать S1813 и S1805 photoresits в соотношении объемов 1:5. Побочные слой смеси при 1800 оборотах в минуту. Подождите в течение 3 мин, затем выпекать на плите при температуре 115 ° С в течение 1 мин. Этот слой фоторезиста выступает в качестве триггера слоя. Expose на ~ 120 мДж / см 2 УФ-светом (365 нм) по маске выравниватель помощью шарнира маски. Разработать в течение 30-50 сек в 5:01 разбавленного разработчика 351. Промойте водой и высушите DI с N 2 газ. Вырежьте кусок пластины помощью алмазной фрезы. Опустите пластину кусок в APS 100 до травления основных Cu жертвенного слоя. Подождите, пока microgrippers полностью освобождаются от подложки. Промойте microgrippers с дистиллированной водой и хранят в холодной воде. Запуск складывающиеся при размещении microgrippers в 37 ° C водой. 7. Представитель Результаты Представитель результаты на рисунке 5 показаны самоорганизующихся полиэдрических частиц в различных шобезьян, а также складывающиеся microgrippers. Изготовление и запуск процесса является высоко параллельные и 3D-структур могут быть изготовлены и срабатывает одновременно. Кроме того, точные модели на примере квадратной или треугольной поры могут быть определены во всех трех измерениях, а на отдельных лиц, если это необходимо. Microgrippers могут быть закрыты в соответствии биологически доброкачественных, так что они могут быть использованы для акцизных ткани или загружены с биологическим грузом. Кроме того, поскольку microgrippers может быть сделано с ферромагнитными материалами, они могут быть перемещены издалека с помощью магнитных полей. Рисунок 1. Правила проектирования для синтеза узорные частиц (переменного тока) Маска правил проектирования для сборки узорные многогранных частиц;. (А) Схема панели маски для многогранника сторону L длины, (б) схема шарнира маска с участием складывающиеся(0,2 л х 0,8 л) и замок или уплотнение (0,1 л х 0,8 L) петли, и (с) схема наложения 2D-предшественника или сети. (DF) Маска правил проектирования для самостоятельной складывающиеся microgripper; (г) схема шарнира маски для microgripper с кончика до кончика длиной D, (е) схема панели маску с шарниром г щель, и (е) схема наложенные 2D предшественника. Нажмите, чтобы увеличить показатель . Рисунок 2. Экспериментальные изображения и концептуальные анимации важные шаги в изготовлении и сборке. (А) Скриншот маски AutoCAD панели для додекаэдрических прекурсоров. (ВС) оптическое изображение 2D прекурсоров, (б) додекаэдров, и (с) microgrippers на кремниевой подложке. (D) Дата выхода додекаэдрических сетей. Шкала баров: 200 мкм. (EN) Концептуальныеnimation из, (е) поверхностное натяжение приводом сборке додекаэдра, и (п) тонкие стресса фильма приводом складывания microgripper вокруг шарика (Animation Дэвид Filipiak). Рисунок 3. Схематическое изображение из важных шагов производства для поверхностного натяжения управляемой сборки кубических частиц. Рисунок 4. Схематическое изображение из важных шагов по изготовлению остаточных напряжений приводом складывания шестизначный захвата устройства. Рисунок 5. Изображения оригами вдохновило самоорганизующихся узорные и реконфигурируемые частиц. </сильная> () Оптическое изображение самоорганизующихся частиц в различных формах. (Быть) СЭМ изображения (б) самоорганизующихся пористых кубе, (в) пирамида, (г) усеченный октаэдр и (д) додекаэдр. Шкала баров: 100 мкм. (FH) Оптические снимки самостоятельно складывающиеся microgrippers, и (я) SEM изображение сложенной microgripper (Image Тимоти Leong). Шкала баров: 200 мкм.