Origami Inspired autoensamblaje de partículas modeladas y Reconfigurable

En primer lugar, describir un protocolo general que puede ser utilizado para fabricar partículas estampadas, sellados y reconfigurables dispositivos de agarre. Junto con el protocolo general, proporcionamos un ejemplo específico, visualizó tanto para la fabricación de sellados partículas dodecaédricas micropinzas y reconfigurables. 1. Máscara de Preparación y reglas de diseño Típicamente, al menos dos conjuntos de máscara son necesarios, uno para las regiones que no se doblan o curva (paneles rígidos) y el otro para las regiones que se doblan, curva o sello (bisagras). Máscaras adicionales pueden ser utilizados para definir patrones de superficie de poros, parches moleculares, elementos ópticos o electrónicos. Las máscaras pueden ser diseñados usando una variedad de dos programas de software de gráficos vectoriales bidimensionales, como AutoCAD, Adobe Illustrator, FreeHand MX o el Editor de Diseño. Los estudios empíricos sugieren las siguientes reglas de diseño óptimo para la generación de máscaras que se pueden utilizar para la tensión superficial impulsado plegado de una polyhedron de longitud de lado L. Para una geometría poliédrica particular, el número de paneles primero hay que determinar. Por ejemplo, un cubo tiene seis paneles cuadrados, mientras que un dodecaedro tiene doce paneles pentagonales. La alta rindiendo dos disposición dimensional de los paneles, también llamada una red necesita ser resuelto. Redes que tienen el menor radio de giro y mayor número de conexiones secundarias vértice típicamente se reunirán con los rendimientos más altos. Las redes óptimas para una variedad de poliedros tales como cubos, octaedros, dodecaedros, truncado octaedros, icosaedros, se publican 23, 28. En la máscara del panel, los paneles de los poliedros debe ser dibujado como las redes y los paneles adyacentes deben estar separados por un hueco de anchura que es de aproximadamente 0,1 L. Marcas de registro son necesarios para la posterior alineación con la máscara de la bisagra. En la máscara de la bisagra, las dos bisagras plegables (entre los paneles) y las bisagras de cierre o sellado (en los bordes de los paneles)debe ser definido. Bisagras plegables deben tener longitudes de 0,8 L y anchuras de 0,2 L mientras que el sellado bisagras en la periferia de los paneles deben tener longitudes de 0,8 L y anchuras de 0,1 L con un voladizo de 0,05 L (Figura 1 ac). Especial cuidado se debe tomar para asegurarse de que el panel de bisagra y máscaras de superposición, con registro. Con esta regla de diseño, hemos sido capaces de sintetizar partículas con tamaños que van desde 15 micras a 2,5 cm. El volumen de la bisagra controla los ángulos de plegado, y para una anchura de la bisagra dado, modelización de elementos finitos es necesaria para determinar el espesor necesario de la bisagra. Se remite al lector a los modelos publicados 29-32 para estimar este espesor. Sin embargo, la característica más importante de nuestro enfoque es el uso de cierre o la hermeticidad bisagras que proporcionan considerable error de tolerancia durante el auto-abatible. Por lo tanto, cuando se utilizan bisagras de sellado, el proceso de montaje es tolerante a desviaciones en los volúmenes de la bisagra, lo que les permite ser sólo aproximadamente targeted. Debido a cooperatividad significativa durante el montaje, incluso dodecaedros con ángulos de plegado de 116,57 ° han sido producidos en masa. Además, octaedros truncados tienen dos ángulos diedros diferentes de 125,27 º y 109,47, pero podría ser ensamblado usando los volúmenes misma bisagra. Otro beneficio de las bisagras de sellado es que las bisagras adyacentes a cada fusible otro juntos en calefacción durante el proceso de plegado, la creación de partículas fuertemente sellados, sin costuras y rígida al enfriarse. Los estudios empíricos sugieren las siguientes reglas óptimas de diseño de las máscaras de micropinzas que se doblan debido a las bisagras con alimentación de tensión residual. Para una micropinza de punta-a-punta de la longitud (D) de 600-900 micras, el hueco de articulación (g) es típicamente de alrededor de 50 micras (Figura 1 df), mientras que para las pequeñas micropinzas con un D de 300 micrómetros, con una menor g de alrededor de 25 micras debe ser utilizado. Las dimensiones de hueco de bisagra dependen de la tensión, el grosor y conte elásticonts de las películas de múltiples capas subyacentes y las soluciones analíticas se puede utilizar para calcular aproximadamente la medida de plegado 25,33. La medición precisa de las tensiones y la modelización de elementos finitos se requiere para simular con precisión el plegado. Los estudios empíricos sugieren que aproximadamente 100 micras es el límite inferior para las partículas con bisagras de cromo estresados. Después de diseñar el trazado, las máscaras se debe imprimir en transparencias utilizando impresoras de alta resolución ya sea internamente oa través de una variedad de puntos de venta comerciales (Figura 2a). Típicamente, las películas de transparencia debe ser utilizado únicamente con tamaños de las características mínimas de 6 micras, mientras que las máscaras de cromo son necesarios para estructuras con espacios más pequeños de bisagra o características. El formato de archivo típico requerido para ordenar las máscaras comerciales es ". Dxf". 2. Preparación del soporte Sustratos planos tales como portaobjetos de vidrio u obleas de silicio que se utiliza. Para una buena adherencia, es importante para limpiar y secar los sustratos. En general, es suficiente para limpiar los sustratos con metanol, acetona y alcohol isopropílico (IPA), secar con nitrógeno (N 2) y luego calentar en un plato caliente o en un horno a 150 ° C durante 5-10 min. 3. La deposición de la capa de sacrificio Con el fin de liberar las plantillas del sustrato después de patrones, una capa de sacrificio se requiere. Una variedad de películas compuestas de cualquiera de los metales (por ejemplo, cobre), dieléctricos (por ejemplo, alúmina) o polímeros (por ejemplo, PMMA, PVA, CYTOP etc) pueden ser utilizados. Al elegir una película de sacrificio, las consideraciones importantes son la facilidad de deposición y la disolución del material y la selectividad etch. 4. Patrones de los paneles Los paneles de las partículas puede ser depositado por una variedad de medios. Para las partículas poliméricas, las películas se deposita mediante revestimiento por rotación o colada gota. Parapartículas metálicas, electrodeposición o evaporación térmica puede ser utilizada. Para la fabricación de partículas metálicas, es necesario añadir una capa conductora sobre el sustrato de capa de recubrimiento de sacrificio para facilitar la electrodeposición de los paneles y bisagras. Los paneles se pueden modelar utilizando cualquier proceso litográfico tal como fotolitografía, la litografía por nanoimpresión moldeo, o litografía por haz de electrones. Un proceso de fotolitografía típico implica el recubrimiento de una capa fotosensible sobre el sustrato, y luego hornear, exponiendo y desarrollando como recomendación del fabricante. Fotorresistentes como SPR, AZ o una serie SC se puede utilizar, como alternativa, los paneles pueden ser definidos usando polímeros fotorreticulables tales como SU8, PEGDA, o PDMS fotorreticulable. Dependiendo de la elección de material fotorresistente, el espesor y por lo tanto la velocidad de centrifugado, el tiempo de exposición y el tiempo de desarrollo tendrá que ser ajustada en consecuencia. Después de fotolitografía, dependiendo del tamaño de metálico particulos, paneles de grosor se puede formar por electrodeposición, mientras que los paneles finos puede ser definido por evaporación o pulverización catódica. Para la electrodeposición de los paneles, de Faraday leyes de la electrodeposición y la eficiencia del baño debe ser utilizado para calcular la corriente de galvanoplastia basado en el área de la superficie total expuesta de los paneles. Típicos densidades de corriente para el níquel (Ni) y de las planchas de soldadura (Pb-Sn) están entre 1-10 mA / cm 2 y 20-50 2 mA / cm respectivamente. 5. Patrones de las bisagras Similar al patrón de los paneles, con el fin de bisagras modelo, una segunda ronda de fotolitografía se necesita hacer uso de la máscara de la bisagra (Figura 2b-c). Las marcas de registro en el panel de máscaras y bisagras deben ser superpuestas para asegurar una alineación correcta. Para el montaje de la tensión superficial impulsado, los materiales para los paneles y bisagras deben elegirse de modo que el material de la bisagra tiene una bajaer punto de fusión de los paneles y por lo tanto, los paneles siguen siendo rígidas, mientras que las bisagras se derrita. Asamblea se produce cuando las plantillas se calienta por encima del punto de fusión del material de la bisagra. Por ejemplo, en el caso de las partículas metálicas con paneles NI, electrodepósito de Pb-Sn soldadura en las bisagras que se funde a ~ 200 ° C, que indica el plegado. Del mismo modo, en el caso de partículas poliméricas con SU8 paneles, depósito bisagras policaprolactona que se ensamblan a ~ 58 ° C. 27 El proceso funciona mejor cuando el material de la bisagra se fija dentro de la región de bisagra durante el reflujo, es decir que no se extienda por todo el paneles y no completamente Dewet desde el panel. Esta colocación de clavos se puede lograr mediante la selección de materiales con características de humectación adecuados y viscosidad. En el caso de tensión de película delgada impulsado auto-plegado, las bisagras deberían estar decoradas antes del patrón panel. Típicamente, la bisagra debe estar compuesta de una bicapa diferencialmente estresado,compuesta de un metal estresado tales como cromo (Cr) o circonio (Zr) y un metal relativamente sin tensión, tal como oro (Au) o cobre (Cu). Por ejemplo, para micropinzas con una brecha de bisagra de 50 micras, se utiliza una bicapa formada de Cr 50 nm y 100 nm de Au. Además de diferencialmente estresados ​​bicapas metálicos, polímeros diferencialmente destacó 34-37, capas de SiOx o 38 epitaxial de semiconductores 5 capas también pueden ser utilizados. Para el estrés película delgada impulsado auto-plegable, una capa termosensible gatillo polimérico deben ser utilizados para limitar los dispositivos de modo que las estructuras no se pliegan espontáneamente después de la liberación del sustrato. La elección adecuada del material y el espesor de gatillo puede dotar a los dispositivos con propiedades sensibles a estímulos diferentes. Por ejemplo, los patrones de 1,5 micras de espesor fotorresistentes (S1800 serie) en la región de bisagra es suficiente para mantener los dispositivos plana hasta que se calentó a ~ 37 ° C para provocar el plegado. <p class= "Jove_title"> 6. La liberación de las plantillas desde el sustrato y plegables Para liberar las plantillas de patrones 2D, la capa de sacrificio necesita ser disuelto por agentes de ataque apropiados (Figura 2d). Por tensión superficial impulsado montaje, los precursores planas Autorizaciones necesita ser calentado por encima del punto de fusión del material de la bisagra. En el calentamiento, las bisagras en líquidas y los precursores ensamblan en partículas huecas de forma apropiada (Figura 2e-i). Por plegable fina película de estrés impulsado, el plegado puede ser activado después de las estructuras se libera del sustrato y en la exposición al estímulo correcto, por ejemplo, por calentamiento, de modo que el gatillo se ablanda y ya no se limita la relajación de las bisagras de la bicapa de tensión. Dado que los dispositivos de agarre son ferromagnéticos que puede ser guiado y posicionado cerca de carga apropiada y dispara para plegar alrededor de ella (Figura 2j-n). Es digno de mención que el tejido excisión se puede lograr utilizando plegable tal disparado 25. Ejemplo 1. Protocolo para la fabricación de la tensión superficial impulsado auto-ensamblado, unido permanentemente, 300 micras tamaño de hueco dodecaedros (representación esquemática en la Figura 3): Preparar las máscaras como se explica en el paso 1. Para la fabricación de la dodecaedros con 300 m longitud del borde del panel, dibuja una máscara del panel de manera que los paneles pentagonales del dodecaedro están separadas entre sí por 30 micras. Dibuje una máscara bisagra donde bisagras plegables y sellado tienen unas dimensiones de 240 micras x 60 micras micras y 240 x 30 m, respectivamente. Preparar un sustrato de oblea de silicio como se ha explicado en el paso 2. Capa giro ~ 5,5 micras de espesor de capa de 950 PMMA A11 a 1.000 rpm, sobre las obleas de silicio. Esperar durante 3 min y luego se hornea a 180 ° C durante 60 sec. El uso de un evaporador térmico, depósito 30 nm de cromo (Cr) como promotor de adhesión y 150 nm de cobre (Cu) como tque la capa de conducción. Abrigo giro ~ 10 micras de espesor SPR220 a 1.700 rpm en las obleas. Espere a 3 min. Realizar una softbake de aceleración mediante la colocación de la oblea en una placa caliente a 60 ° C durante 30 sec. A continuación, transferir la oblea a otra placa caliente a 115 ° C durante 90 seg y luego de vuelta a 60 º C durante 30 sec. Enfriar las obleas a temperatura ambiente y esperar durante 3 horas. Exponga las obleas a la máscara de panel utilizando ~ 460 mJ / cm 2 de la luz UV (365 nm) y un alineador de máscara basada en mercurio. Desarrollar en MF-26A programador durante 2 min y cambiar la solución de revelador y desarrollar para otra min 2. Calcular el área total del panel y utilizarla para calcular la corriente requerida para electrodepositar Ni a partir de una solución de sulfamato de níquel comercial a una velocidad de aproximadamente 1-10 mA / cm 2 hasta un espesor de 8 micras. Disolver la sustancia fotorresistente con acetona. Enjuagar la placa con IPA, y secar con N 2 gas. Abrigo giro ~ 10 m de espesor SPR220 a 1.700 rpm en las obleas. Espere a 3 min. Realizar una softbake de aceleración mediante la colocación de la oblea en una placa caliente a 60 ° C durante 30 sec. A continuación, transferir la oblea a otra placa caliente a 115 ° C durante 90 seg y luego de vuelta a 60 º C durante 30 sec. Enfriar las obleas a temperatura ambiente y esperar durante 3 horas. Exponga las obleas a la máscara de bisagra con ~ 460 mJ / cm 2 de la luz UV (365 nm) y un alineador de máscara basada en mercurio. Asegúrese de que las marcas de registro están alineados de manera que las bisagras están alineadas con los paneles. Desarrollar en MF-26A programador durante 2 min y cambiar la solución de revelador y desarrollar para otra min 2. Usando un cortador de diamante, corte de la oblea en trozos pequeños para que un trozo de oblea contiene ~ 50-60 redes. Escudo de los bordes de las piezas con esmalte de uñas. Calcular el área total expuesta de bisagra y utilizarlo para calcular la corriente requerida para electrodepósito de Pb-Sn soldadura a partir de una solución comercial de soldadura chapado a una velocidad de apromadamente 20-50 mA / cm 2 hasta un espesor de 15 micras. Disolver la sustancia fotorresistente en acetona. Lavar los trozos de barquillo con IPA, y secar con N 2 gas. Sumergir la pieza de oblea en APS reactivo de ataque 100 de 25-40 segundos para disolver la capa que rodea Cu. Enjuague con agua y seque con DI N 2 gas. Sumerja la pieza oblea en el grabador CRE-473 para 30-50 segundos para disolver la capa de Cr circundante. Enjuague con agua y seque con DI N 2 gas. Sumergir la pieza de oblea en ~ 2-3 ml de 1-metil-2-Pyrollidinone (NMP) y se calienta a 100 ° C durante 3-5 min hasta que las plantillas se libera del sustrato. Transferencia ~ 20-30 plantillas en una pequeña placa de Petri y distribuirlos de manera uniforme. Añadir ~ 3-5 ml de gotas NMP y ~ 5-7 de Indalloy 5RMA flujo de líquido. Se calienta a 100 ° C durante 5 min. En este paso, el flujo de líquido Indalloy 5RMA limpia y se disuelve cualquier capa de óxido formada en la soldadura y asegura así una buena soldadura reflow al calentarla por encima del punto de fusión. Aumentar la temperatura de la placa a 150 ° C durante 5 min y luego, lentamente, aumentar a 200 ° C hasta que se produce plegable. Cuando se aumenta la temperatura a 200 ° C plegado comienza después de 5-8 min. La mezcla puede volverse de color marrón, ya que comienza a arder. Cuando el dodecaedros se han retirado, permitir que el plato se enfríe. Añadir acetona al plato, pipetear el líquido y enjuagar los dodecaedros en acetona y después etanol. Guarde las partículas de dodecaedro en etanol. Ejemplo 2. Protocolo para la fabricación de reconfigurable, estrés película delgada impulsado auto-plegables termo-sensibles micropinzas (representación esquemática en la Figura 4): Preparar las máscaras como se explica en el paso 1. Diseño de las máscaras de manera que la longitud de punta a punta de las pinzas es de 980 micras, con la longitud del panel lateral central de 111 micras y la brecha de bisagra de 50 micras. Máscaras típicas bisagras y panel se pueden diseñar similar a la Figura 1 de. Preparar las obleas de silicio, como se explica en el paso 2. Depósito 15 nm de adhesión de Cr y Cu 50-100 nm capas de sacrificio utilizando un evaporador térmico. Abrigo Spin-~ 3 m de espesor S1827 usando recubridora de rotación, a 3.000 rpm. Esperar durante 3 min y después hornear la oblea a 115 ° C durante 1 min en una placa calefactora. Exponer a ~ 180 mJ / cm 2 luz UV (365 nm) con un alineador de la máscara y la máscara de la bisagra. Desarrollar por 40-60 segundos en 5:1 diluido desarrollador 351. Enjuague con agua y seque con DI N 2 gas. Depósito de 50 nm y 100 Cr Au nm utilizando un evaporador térmico. Los Cr-Au funciona como la bicapa bisagra con la tensión residual en la película de Cr, mientras que la película de Au es una capa de soporte bioinerte. Quitar la fotoprotección en acetona. Utilice un aparato de ultrasonidos durante 3-5 min para el despegue por completo el exceso de metal. Lavar la placa con acetona e IPA, seco con N 2 gas. Girar capa ~ 10 micras de espesor en SPR2201.700 rpm en las obleas. Espere a 3 min. Realizar una softbake de aceleración mediante la colocación de la oblea en una placa caliente a 60 ° C durante 30 sec. A continuación, transferir la oblea a otra placa caliente a 115 ° C durante 90 seg y luego de vuelta a 60 º C durante 30 sec. Espere 3 horas. Exponer el fotoprotector en ~ 460 mJ / cm 2 luz UV (365 nm) con un alineador de la máscara a través de la máscara del panel. Desarrollar en MF-26A programador durante 2 min y cambiar la solución de revelador y desarrollar para otra min 2. Calcular el área total del panel y utilizarla para calcular la corriente requerida para electrodepositar Ni a partir de una solución de sulfamato de níquel comercial a una velocidad de aproximadamente 1-10 mA / cm 2 hasta un espesor de 5 micras. Enjuagar a fondo con agua desionizada. Electrodepósito o evaporarse 100 nm Au. Esta capa ayuda a proteger Ni de los reactivos de ataque utilizados para eliminar la capa de sacrificio. Pele el fotoprotector con acetona. Enjuagar la placa con IPA, y secar con N 2 gas. </li> Mezclar S1813 y S1805 photoresits en relación de volumen 1:5. Derivado capa de la mezcla a 1.800 rpm. Esperar durante 3 min, luego hornear en una placa caliente a 115 ° C durante 1 min. Esta capa fotorresistente actúa como la capa de gatillo. Exponer a ~ 120 mJ / cm 2 luz UV (365 nm) en un alineador de la máscara con la máscara bisagra. Desarrollar un 30-50 seg en 5:1 diluido desarrollador 351. Enjuague con agua y seque con DI N 2 gas. Cortar una pieza de la oblea usando un cortador de diamante. Sumerja la pieza oblea en APS 100 para grabar la subyacente capa de sacrificio Cu. Esperar hasta que las micropinzas están completamente libera del sustrato. Enjuague los micropinzas con agua desionizada y almacenar en agua fría. Activar el plegamiento mediante la colocación de las micropinzas en agua a 37 ° C. 7. Los resultados representativos Los resultados representativos en la Figura 5 muestran auto-ensamblado de partículas poliédricas en una variedad de SHsimios, así como micropinzas plegables. El proceso de fabricación y el accionamiento es altamente paralelo y estructuras 3D se puede fabricar y activan simultáneamente. Además, los patrones precisos como los ejemplificados por los poros de forma cuadrada o triangular puede definirse en las tres dimensiones, y en las caras seleccionadas si es necesario. Los micropinzas puede ser cerrado bajo condiciones biológicamente benignos para que puedan ser utilizados para extirpar tejido o cargado con carga biológica. Adicionalmente, puesto que las micropinzas se puede hacer con un material ferromagnético, que se puede mover desde lejos usando campos magnéticos. Figura 1. Las reglas de diseño para la síntesis de partículas modeladas (ac) Máscara reglas de diseño para el conjunto de patrones partículas poliédricas.; (A) Esquema de la máscara de panel para un poliedro de lado L longitud, (b) Representación esquemática de la máscara de bisagra con plegable(0,2 L x 0,8 L) y de bloqueo o de sellado (0,1 L x 0,8 L) bisagras, y (c) Representación esquemática del precursor superpuesto 2D o neta. (Df) Máscara de reglas de diseño para la micropinza auto-plegable; (d) Esquema de la máscara de bisagra para una micropinza con punta a punta de longitud D, (e) Esquema de la máscara de panel con espacio de separación g de bisagra, y (f) Representación esquemática de el precursor superpuesto 2D. Haga clic aquí para ampliar la cifra . Figura 2. Imágenes experimentales y animaciones conceptuales de los pasos importantes en la fabricación y el proceso de montaje. (A) Captura de pantalla de una máscara de panel de AutoCAD para los precursores de dodecaedro. (Bc) imágenes ópticas de los precursores de 2D para dodecaedros, (b) y (c) micropinzas sobre un sustrato de silicio. (D) Fecha de lanzamiento redes dodecaedro. Las barras de escala: 200 m. (Es) Conceptual unanimation de, (ei) la tensión superficial impulsado montaje de un dodecaedro, y (JN) estrés película delgada impulsado plegado de una micropinza alrededor de un talón (Animación por David Filipiak). Figura 3. Ilustración esquemática de los pasos de fabricación importantes para el conjunto de la tensión superficial de una partícula impulsada cúbico. Figura 4. Ilustración esquemática de los pasos de fabricación importantes para el esfuerzo residual impulsado plegado de un dispositivo de seis dígitos de agarre. Figura 5. Imágenes de partículas origami inspirados auto-ensamblados con dibujos y reconfigurable. </strong> (a) óptico de la imagen de auto-ensamblado de las partículas en una variedad de formas. (Be) imágenes de SEM de una (b) autoensamblada cubo porosa, (c) la pirámide, (d) octaedro truncado y dodecaedro (e). Barras de escala: 100 m. (Fh) instantáneas ópticas de auto-plegables micropinzas, y (i) Imagen de MEB de una micropinza plegada (Imagen por Timothy Leong). Las barras de escala: 200 m.