Dieser Artikel beschreibt den mikrofluidischen Prozess und Parameter zu betätigende Partikel aus flüssigen kristallenen Elastomere vorzubereiten. Dieser Prozess ermöglicht die Vorbereitung der Betätigung Partikel und die Variation der Größe und Form (aus Oblaten zu stark prolate, Kern-Schale und Janus Morphologien) sowie das Ausmaß der Betätigung.
Dieser Beitrag konzentriert sich auf mikrofluidischen Prozess (und seine Parameter) zu betätigende Partikel aus flüssigen kristallenen Elastomere vorzubereiten. Die Vorbereitung besteht in der Regel bei der Bildung von Tröpfchen mit geringen molaren Masse Flüssigkristalle bei erhöhten Temperaturen. Anschließend sind diese Partikel Vorstufen in das Strömungsfeld der Kapillare orientiert und verfestigt durch eine Vernetzung-Polymerisation, die die endgültige betätigende Partikel produziert. Die Optimierung des Prozesses notwendig, die betätigende Partikel und die richtige Variation der Prozessparameter (Temperatur und Durchflussmenge Rate) zu erhalten und erlaubt Variationen in Größe und Form (aus Oblate zu stark prolate Morphologien) sowie die Ausmaß der Betätigung. Darüber hinaus ist es möglich, die Art der Betätigung von Dehnung Kontraktion je nach Direktor Profil veranlasst, die Tropfen während des Fließens in der Kapillare, die wieder abhängig von der Mikrofluidik-Prozess und seine Parameter variieren. Darüber hinaus können Teilchen von komplexeren Formen, wie Kern-Schale-Strukturen oder Janus Partikel durch Anpassen der Installation vorbereitet werden. Durch die Variation der chemischen Struktur und Vernetzung (Verfestigung) von der flüssigen kristallenen Elastomer-Modus kann auch betätigende Partikel ausgelöst durch Wärme oder UV-Vis-Bestrahlung vorzubereiten.
Mikrofluidische Synthesen sind eine bekannte Methode zur Herstellung von flüssigen kristallenen Elastomer (LCE) Aktoren in den letzten paar Jahren1,2,3geworden. Dieser Ansatz nicht nur ermöglicht die Herstellung einer großen Anzahl von gut betätigende Teilchen, sondern ermöglicht auch die Herstellung von Formen und Morphologien, die nicht auf andere Weise zugänglich sind. Da LCE Aktoren aussichtsreiche Kandidaten für eine Anwendung als künstliche Muskeln in der Mikro-Robotik, sind neue Methoden, um solche Teilchen zu synthetisieren von großer Bedeutung für diese Zukunftstechnologie4.
In LCEs hängen die mesogene ein Flüssigkristall (LC) auf die Polymerketten ein Elastomer Netzwerk5,6,7,8. Die Verknüpfung von mesogene an der Polymerkette kann dabei in Form von einer Seitenkette, eine Haupt-Kette oder eine kombinierte LC-Polymer9,10,11passieren. Der Abstand zwischen den Punkten der Vernetzung sollte weit genug, um eine kostenlose Neuorientierung der Polymerkette dazwischen zu ermöglichen (in der Tat, dies gilt für alle Elastomer, das unterscheidet sie von “Duroplaste”). Dabei kann Vernetzung permanente oder reversible aufgrund starken nicht-kovalente Wechselwirkungen12,13,14. Diese Art von Material vereint die Eigenschaften beider das anisotrope Verhalten von einem Flüssigkristall mit der entropische Elastizität ein Elastomer. Im Temperaturbereich von seiner kristallinen Flüssigphase übernehmen die Polymerketten eine (mehr oder weniger) gestreckte Konformation, verursacht durch die Anisotropie der kristallinen Flüssigphase, die durch die nematische Ordnung Parameter quantifiziert ist. Wenn die Probe über die Übergangstemperatur nematische isotropen Phase gebracht wird, verschwindet die Anisotropie, und das Netzwerk entspannt, energetisch begünstigt zufällige Spule Konformation. Dies führt zu einer makroskopischen Verformung und damit Betätigung5,15. Neben der Erwärmung der Probe, kann dieses Phasenübergangs auch durch andere Reize wie Licht oder Lösungsmittel Diffusion in die LCEs16,17,18,19induziert werden.
Um eine starke Verformung zu erhalten, ist es notwendig, dass die Probe entweder ein Monodomain oder Features mindestens eine bevorzugte Ausrichtung der einzelnen Domäne Verwaltungsrat während der Vernetzung Schritt20bildet. Für die Herstellung von LCE Filme geschieht dies oft durch die Dehnung einer Pre polymerisierten Probe, über der Ausrichtung der Domänen in einem elektrischen oder magnetischen Feld, mit Hilfe von Foto-Alignment Layer oder per 3D-Druck21 ,22,23,24,25,26.
Ein anderer Ansatz ist die kontinuierliche Vorbereitung der LCE Partikel mit Kapillar-basierte Mikrofluidik Tröpfchen Generatoren. Flüssige kristalline Monomer Tröpfchen werden in einem hochviskosen dauerphase umströmt die Tröpfchen und gilt eine scherrate auf die Tröpfchen Oberfläche verteilt. Daher wird eine Zirkulation innerhalb des tröpfchens Monomer beobachtet, wodurch eine allgemeine Angleichung der kristallinen Flüssigphase27. Dabei ist das Ausmaß der Scherraten auf die Tröpfchen einen starken Einfluss auf die Tropfenform und die Größe sowie die Ausrichtung des Feldes flüssig kristallinen Direktor. Diese gut orientierten Tröpfchen können dann weiter flussabwärts im mikrofluidischen Setup polymerisiert werden. So sind die Vorbereitung der Antriebe mit unterschiedlichen Formen (z.B., Partikel und Fasern) und komplexer Morphologien wie Kern-Schale und Janus Partikel möglich28,29,30,31. Es ist sogar möglich, oblate Partikel vorzubereiten, erstrecken sich entlang ihrer Symmetrieachse und höchst prolate, Faser-wie Partikel, die bei den Phasenübergang zu schrumpfen. Beide Arten von Teilchen können mit der gleichen Art von mikrofluidischen Setup nur durch Variation der Scherung Rate27erfolgen. Hier präsentieren wir Ihnen das Protokoll wie solche LCE-Aktoren von verschiedenen Morphologien in selbst hergestellten Kapillar-basierte Mikrofluidik Geräte zu produzieren.
Neben der Wirkung der Mesogen Ausrichtung in LCE Tröpfchen und die Zugänglichkeit von Polymeren mit unterschiedlichen Formen haben mikrofluidischen Ansätze weitere Vorteile. Im Vergleich zu anderen Teilchen Herstellungsmethoden wie Niederschlag in einer nicht-Lösungs- oder Suspensionsmittel Polymerisation32 (führt zu Teilchen mit einer breiten Größenverteilung), Monodisperse Partikel (der Variationskoeffizient der Partikelgröße ist < 5 %) mit Mikrofluidik33,34synthetisiert werden kann. Darüber hinaus ist es leicht, die Kugel Symmetrie der Tröpfchen durch eine Strömung zu brechen. So sind große Partikel mit einer zylindrischen Symmetrie zu erreichen, für Antriebe benötigt wird. Dies unterscheidet sich von LC-Teilchen, die durch Aussetzung Polymerisation32. Darüber hinaus die Partikelgröße ist gut einstellbar durch Mikrofluidik in einem Bereich von mehreren Mikrometern bis Hunderte von Mikron und Zusatzstoffe können leicht gebracht werden, in der Partikel oder an ihrer Oberfläche. Deshalb mikrofluidischen Partikel Vorbereitung oft in Themen wie Drogen Lieferung35 oder der Herstellung von Kosmetika36verwendet wird.
Die mikrofluidischen Setups verwendet in diesem Artikel wurden von Serra Et Al. eingeführt. 33 , 37 , 38 . Diese sind selbst hergestellt und bestehen aus Polytetrafluorethylen (PTFE) Röhren Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie (HPLC) sowie T-junctions und Fused-Silica Kapillaren, die die einzelnen Phasen zur Verfügung zu stellen. So das Setup kann leicht geändert werden, und einzelne Teile können einfach ausgetauscht werden, wie sie im Handel erhältlich sind. Die Monomer-Mischungen, die ermöglicht die Verwendung einer geeigneten Lichtquelle induzieren die Polymerisation von den Tröpfchen on-the-Fly, nachdem sie die Kapillare verlassen einen Photoinitiator ergänzt. Bestrahlung neben der Kapillaren ist notwendig um zu verhindern, eine Verstopfung des Setups. Andere Arten der Polymerisation Polymerisation erst, nachdem das Tröpfchen die Kapillare (z. B.mit Initiatoren basierend auf redoxprozessen) verlassen hat39. Allerdings ist aufgrund der Schnelligkeit der Foto-induzierte Vernetzung Polymerisation und die Fähigkeit, aus der Ferne gesteuert werden, Photoinitiation die günstigste.
Da die LCE Monomer Mischung bei Raumtemperatur kristalline ist, ist eine sorgfältige Temperaturregelung des ganzen mikrofluidischen Setup erforderlich. Deshalb wird der Teil der Einrichtung, in der die Tropfenbildung auftritt, in ein Wasserbad gelegt. Dabei sind die Tropfen bei hohen Temperaturen in der isotropen Schmelze des Gemisches ausgebildet. Die Ausrichtung müssen die Tröpfchen in der Flüssigphase kristalline gekühlt werden. Daher wird die Polymerisation Rohr auf einer heißen Platte gelegt, auf den unteren Temperaturbereich der LC-Phase (Abbildung 1) eingestellt ist.
Hier beschreiben wir eine flexible und einfache Methode für die Herstellung von LCE Aktoren in einem Fluss. Dieses Protokoll enthält die Schritte erforderlich, um das mikrofluidischen Setup für die Synthese von einzelnen Teilchen sowie Janus und Kern-Schale-Partikel in wenigen Minuten erstellen. Anschließend beschreiben wir wie eine Synthese ausgeführt und zeigen das typische Ergebnis sowie die Eigenschaften der betätigende Partikel. Schließlich diskutieren wir die Vorteile dieser Methode und warum wir denken, dass es Fortschritte auf dem Gebiet der LCE Antriebe bringen könnte.
Wir haben die Herstellung von Partikeln mit verschiedenen Morphologien über einen mikrofluidischen Ansatz herstellen LCE mikroaktoren beschrieben. Zu diesem Zweck entstanden Kapillar-basierte Mikrofluidik-Setups, die Tropfenbildung gefolgt von Photopolymerisation bei definierten Temperaturen ermöglichen.
Hier ist ein kritischer Aspekt der eine gelungene Synthese der korrekten Montage der Einrichtung. Alle Verbindungen zwischen den einzelnen Teilen richtig korrigiert werden müssen, um jedes Durchsickern von Flüssigkeiten verhindern muss, und das Gerät sauber vor jeder Synthese, Verstopfung zu verhindern. Es ist auch wichtig, dass das Experiment wird unter UV-freien Bedingungen seit durchgeführt, ansonsten vorzeitigen Polymerisation der Monomere Mischung und damit wieder Verstopfungen des Setups wäre die Folge.
Der hier beschriebene Ansatz mikrofluidischen ist bis zum heutigen Tag die einzige Methode, die in der Lage zu betätigende LCE-Teilchen erzeugen. Hiermit, erfüllt der mikrofluidischen Prozess zwei Anforderungen zur gleichen Zeit. Neben der Herstellung einer Vielzahl von gleichgroßen Mikro-Objekte wird eine Orientierung des flüssigen kristallenen Direktors in diesen Partikeln induziert. Darüber hinaus ist es ein ganz einfaches Verfahren, da eine große Anzahl von Aktoren in einem einzigen Schritt synthetisiert werden kann. Andere Methoden anwenden, erfordert die Ausrichtung der mesogene in der Regel einen zusätzlichen Schritt wie die Dehnung der Probe oder der Anwendung von Foto-Alignment Layer. Darüber hinaus sind diese Prozesse manuell, was bedeutet, dass die Produktion von vielen Antrieben sehr zeitaufwendig ist. Darüber hinaus die LCE-Morphologie ist-in meisten Fällen-limitiert auf Polymerfolien. Nachteile des mikrofluidischen Ansatzes sind die Beschränkung des Partikels Größe (wie der Durchmesser beschränkt sich auf Werte zwischen 200 und 400 µm), die Anfälligkeit für Verstopfung der Kapillaren und die Notwendigkeit der UV-freien Bedingungen während der Vorbereitung der Partikel in die Datei Setup.
On-Chip-Systeme werden häufig für mikrofluidischen Partikel Erfindungen verwendet, da sie leicht herstellbar und aus nur einem Stück bestehen. Diese Setups jedoch nicht nur fehlen die notwendigen Justierbarkeit des unterschiedlichen Temperaturen während des Fließens, sondern sind auch nicht flexibel genug, um leicht verstopft oder gebrochene Teile von der mikroreaktortechnik auszutauschen. Daher eignen sich die Kapillare-basierten Setups verwenden wir mehr für die Synthese von LCE Aktoren, wie sie die entscheidenden Anforderungen erfüllen.
Abgesehen von unseren vorgestellten Ergebnisse der Betätigung Janus-Partikel und Kern-Schale-Mikropumpen komplexere Betätigung Partikel mit neuen Eigenschaften könnten in Zukunft synthetisiert werden und eröffnen neue Möglichkeiten für weiche Antrieb Anwendungen. Die Weiterentwicklung von Janus Teilchen auf Multi-responsive Partikel ist bereits im Gange. Daher streben wir für die Einführung eines zweiten Temperatur reagieren Polymers neben betätigende LCE. Weitere Möglichkeiten für neue Teilchen Designs können auch entstehen durch die Verwendung von flüssigen kristallenen azo-Monomere, die Ergebnisse in der lichtgetriebenen Betätigung der LCE-Partikel17,18. In diesem Fall können wir Janus Partikel enthält sowohl eine Temperatur reagierende sowie ein Foto-Betätigung Teil vorstellen. Die Synthese der lichtgetriebenen Kern-Schale-Partikel oder Rohr-ähnliche Strukturen bietet ein weiteres möglich Partikel Design, Foto-responsive Mikropumpen führen würde. Die Änderung der Grundsatz mikrofluidischen Verfahren, die wir oben dargestellt sollte eine Vielzahl von neuen Antriebe ermöglichen.
The authors have nothing to disclose.
Die Autoren danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft für die Finanzierung dieser Arbeit (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 |