Vi viser kontrolleret mønster transformation af kvældende gel rør ved elastisk ustabilitet. En simpel fremskrivning micro stereo-litografi setup er bygget ved hjælp af en off-the-shelf digital dataprojektor at fabrikere tredimensionelle polymere strukturer i et lag-for-lag mode. Hævelse hydrogel rør under mekanisk tvang vise forskellige perifere foldning tilstande afhængigt af dimension.
Buckling er en klassisk emne i mekanik. Mens buckling længe har været undersøgt som en af de store strukturelle fejltilstande 1, er det for nylig trukket ny opmærksomhed som en enestående mekanisme til mønster transformation. Naturen er fuld af sådanne eksempler, hvor et væld af eksotiske mønstre dannes ved mekanisk ustabilitet 2-5. Inspireret af denne elegante mekanisme, har mange undersøgelser vist oprettelse og omdannelse af mønstre ved hjælp af bløde materialer såsom elastomerer og hydrogeler 6-11. Hævelse geler er af særlig interesse, fordi de spontant kan udløse mekanisk ustabilitet at skabe forskellige mønstre uden behovet for ydre kraft 6-10. For nylig har vi rapporteret demonstration af fuld kontrol over buckling mønster af mikro-skaleret rørformede geler ved hjælp af projektion mikro-stereolitografi (PμSL), en tredimensional (3D) fremstillingsteknologi i stand til hurtigt at konvertere computer genererede 3D-modeller inFor fysiske objekter med høj opløsning 12,13. Her præsenterer vi en simpel metode til at opbygge et forenklet PμSL system ved hjælp af en kommercielt tilgængelig digital dataprojektor at studere hævelse-induceret buckling ustabilitet for kontrolleret mønster transformation.
En simpel desktop 3D-printer er bygget ved hjælp af en off-the-shelf digital data projektor og simple optiske komponenter såsom en konveks linse og et spejl 14. Tværsnitsbilleder ekstraheret fra en 3D solid model projiceres på den lysfølsomme harpiks overflade i rækkefølge, polymerisation flydende harpiks ind i en ønsket 3D fast struktur i et lag-for-lag mode. Selv med denne enkle konfiguration og nem proces, kan vilkårlige 3D-objekter let fremstilles med sub-100 um opløsning.
Denne desktop 3D-printer er potentiale i studiet af blødt materiale mekanik ved at tilbyde en fantastisk mulighed for at udforske forskellige 3D-geometrier. Vi bruger dette system til Fabricate rørformede hydrogelstrukturen med forskellige dimensioner. Fastgjort i bunden til substratet, den rørformede gel udvikler uensartet belastning under kvældning, som giver anledning til udbuling ustabilitet. Forskellige bølgemønstre forekommer langs omkredsen af røret, når gelstrukturer underkastes foldning. Eksperimenter viser, at omkredsen foldning af den ønskede tilstand kan laves på en kontrolleret måde. Mønster transformation af tre-dimensionelt struktureret rørformede geler har en betydelig konsekvenser ikke kun i mekanik og materiallære, men også i mange andre nye områder såsom afstemmelige matamaterials.
I hævelse af rørformet hydrogel begrænset på substratet, afhænger stabiliteten kun t / h og buckling tilstand kun afhænger h / D 12. Fire grupper af prøver (I-IV) med forskellige niveauer af normaliseret tykkelse t / h blev fremstillet, med gruppe jeg bliver tykkere og gruppe IV er mere slank. Hver gruppe består af fire prøver (I-IV) med forskellige niveauer af normaliseret højde h / D, med prøven i er kortere og prøven iv bliver højere. Dimensionerne af de fremstillede prøver er vist i tabel 1.. Gruppe I og II er designet til at forblive stabil under kvældning, medens gruppe III og IV er designet til at spænde og transformere efter kvældning. For udknækning prøver, Buckling tilstand skal falde med prøve højde. Figur 3A viser eksperimentelle resultat. Som teori forudsiger, prøver i gruppe I og II var stabile og forblev cirkulære om hævelse, mens prøver i gruppe III og IV alle gik gennem elastisk ustabilitet og spændte. Også prøver med det samme h / D viste lignende buckling mode. 3B sammenligner eksperimentelt observeret knækstænger former for prøver i gruppe III og IV med teoretisk forudsigelse. Vi kan se, at prøver med det samme h / D udgør samme post-buckling mønster uanset tykkelsen, og at eksperimentelle resultater stemmer godt overens med teorien.
Vi præsenterer hvordan man opbygger en simpel desktop 3D-print system ved hjælp af en kommercielt tilgængelig digital data projektor. Den foreslåede tilgang er baseret på fotohærdning af polymer til construct 3D strukturer, og derfor kan eventuelle fotohærdelige polymerer også anvendes i almindelighed, hvad angår fotoinitiatoren har passende absorbans i synlige bølgelængdeområde. Bemærk, at mange kommercielt tilgængelige fotoinitiatorer er beregnet til ultraviolet (UV) bølgelængder, men fotoinitiatoren anvendes her, har forholdsvis højere absorbans ved bølgelængder længere end 400 nm. Tilbyder en nem og hurtig måde at fremstille 3D-objekter, vil denne metode finder mange anvendelser inden for forskellige områder, herunder bløde materialer mekanik som demonstreret her.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne vil gerne takke Joseph Muskin og Matthew Ragusa ved University of Illinois i Urbana-Champaign for at levere tværsnitsdata billeder til 3D-strukturer er vist i figur 1D.
Name of the reagent | Company | Catalogue number | Comments (optional) |
Poly(ethylene glycol) diacrylate | Sigma-Aldrich | 437441 | Mw~575 |
Poly(ethylene glycol) | Sigma-Aldrich | P3015 | Mw~200 |
phenylbis(2,4,6-trimethylbenzoyl) phosphine oxide | Sigma-Aldrich | 511447 | Photo-initiator |
Sudan I | Sigma-Aldrich | 103624 | Photo-absorber |
Digital data projector | Viewsonic | PJD6221 | |
Convex lens | Thorlabs | LA1145 | f = 75.0 mm |
Mirror | 4″ silicon wafer | ||
Manual stage | Velmex | A2506DE-S2.5 |