Vi først beskrive en generel protokol, der kan anvendes til fremstilling af mønstrede, forseglede partikler og rekonfigurerbar gribning enheder. Sammen med den generelle protokol, giver vi en konkret, visualiseret eksempel for både fremstilling af lukkede dodecahedral partikler og rekonfigurable microgrippers. 1. Mask Forberedelse og Design Regler Typisk er mindst to maske sæt nødvendigt, en for regioner, der ikke bøjer eller kurve (stive plader) og den anden for regioner, bend, kurve eller segl (hængsler). Yderligere masker kan anvendes til at definere overflademønstre af porer, molekylære plastre, optiske eller elektroniske elementer. Masker kan designes ved hjælp af forskellige todimensionale vektorgrafik software programmer som AutoCAD, Adobe Illustrator, FreeHand MX eller Layout Editor. Empiriske undersøgelser tyder på følgende optimale design regler for generering af masker, der kan anvendes til overfladen drevet spænding foldning af en polyhedron af sidelængde L. For en bestemt polyedrisk geometri for det første antallet af paneler skal bestemmes. For eksempel har en terning seks kvadratiske felter, mens en dodekaeder har tolv femkantede paneler. Den højtydende todimensionalt arrangement af paneler, også kaldet en netto skal regnet ud. Nets, der har den laveste gyrationsradius og største antal sekundære vertex forbindelser vil typisk samles med det højeste udbytte. De optimale net til en bred vifte af polyedre, såsom terninger, oktaedre, dodecahedra, trunkerede oktaedre, icosahedra, offentliggøres 23, 28. I panelet maske, skal panelerne i polyedre tegnes som net, og de tilstødende paneler bør være adskilt af en spalte med en bredde, som er omtrent 0,1 L. Registreringsdatabasen varemærker er nødvendige til efterfølgende tilpasning til hængslet masken. I hængslet maske, både folde hængsler (i mellem pladerne) og låse eller forsegling af hængsler (ved kanterne af panelerne)skal defineres. Folde hængsler bør have længder på 0,8 l og bredder af 0.2L samtidig forsegling hængsler ved periferien af panelerne skal have længder på 0,8 l og bredder af 0,1 L med et overhæng 0.05L (fig. 1 ac). Særlig omhu skal tages for at sikre, at panelet og hængslet masker overlay, med registreringsdatabasen. Med dette design regel, har vi været i stand til at syntetisere partikler med størrelser fra 15 um til 2,5 cm. Volumenet af hængslet styrer folde vinkler, og for en given hængsel bredde, er finite element modellering for at afgøre den nødvendige tykkelse af hængslet. Læseren henvises til offentliggjorte modeller 29-32 at estimere denne tykkelse. Men den attraktive træk ved vores tilgang er brugen af låse eller forsegling hængsler, der giver en betydelig fejl-tolerance under selvforskyldt foldning. Derfor, når forseglende hængsler anvendes, samleprocessen er tolerant over for afvigelser i hængsel mængder, der giver dem mulighed for at være kun ca targeted. På grund af kraftig kooperativitet under samlingen, har selv dodecahedra med fold vinkler på 116,57 ° blevet masseproduceret. Endvidere trunkerede oktaedre to forskellige to-plans vinkler på 125,27 ° og 109,47 °, men kan samles med de samme hængseldele mængder. En anden fordel ved de tætnende hængsler er, at hængslerne støder op til hinanden, smelter sammen ved opvarmning under foldning proces, skaber tætsluttende, problemfri og stive partikler ved afkøling. Empiriske undersøgelser tyder følgende optimale design regler for masker af microgrippers, fold på grund af restspændinger drevne hængsler. For en microgripper spids-til-spids længde (D) i 600 til 900 um, er hængslet afstanden (g) typisk omkring 50 um (fig. 1 df), mens for mindre microgrippers med en D på 300 um, en mindre g på omkring 25 um bør anvendes. Hængslet gap dimensioner afhænger af stress, tykkelse og elastisk content'er af de underliggende film og flerlags analytiske løsninger kan anvendes til groft estimere omfanget af foldning 25,33. Præcis måling af spændinger og finite element modellering er nødvendig for nøjagtigt simulere foldningen. Empiriske undersøgelser tyder på, at omkring 100 um er den nedre grænse for partiklerne med stressede krom hængsler. Efter at designe layoutet, skal maskerne skal udskrives på transparenter med høj opløsning printere enten internt eller via en række forskellige afsætningsmuligheder (figur 2a). Typisk bør gennemsigtighed film kun bruges med minimale funktionen størrelser på 6 um, mens krom masker er behov for strukturer med mindre hængsel huller eller funktioner. Den typiske filformat der kræves til bestilling af kommercielle masker er ". Dxf". 2. Forberedelse af underlaget Flade substrater, såsom glas-objektglas eller silicium wafers skal bruges. For god vedhæftning er det important at rengøre og tørre underlag. Det er normalt tilstrækkeligt at rense substrater med methanol, acetone og isopropylalkohol (IPA), tørre dem med nitrogen (N2) og derefter opvarme dem på en varmeplade eller i en ovn ved 150 ° C i 5-10 minutter. 3. Aflejring af offerlaget For at frigøre de skabeloner fra substratet efter mønsterdannelse er et offerlag påkrævet. En række forskellige film sammensat af enten metal (f.eks kobber), dielektrika (fx aluminiumoxid) eller polymerer (fx PMMA, PVA, CYTOP osv.) kan anvendes. Ved valg af en offer-film, vigtige overvejelser er den lette aflejring og opløsning af materialet og etch selektivitet. 4. Mønsterdannelse de paneler Panelerne af partiklerne kan afsættes ved en række måder. For polymere partikler er filmene afsættes ved spin-coating eller slip casting. Formetalliske partikler, elektroaflejring eller termisk fordampning kan anvendes. Til fremstilling af metalliske partikler, er det nødvendigt at tilføje et ledende lag på offerlaget belagte substrat for at lette elektroaflejring af panelerne og hængsler. Panelerne kan være mønstret ved hjælp af en litografisk proces, såsom fotolitografi, støbning, nanoimprint litografi eller elektronstråle litografi. En typisk fotolitografisk proces involverer coating af et fotoresist lag på substratet, derefter bagning, eksponering og fremkaldelse som pr producentens anbefaling. Fotoresister såsom SPR, AZ eller SC serien kan anvendes, alternativt kan pladerne defineres ved hjælp af fotokrydsbindbare polymerer såsom SU8, PEGDA eller fototværbindelige PDMS. Afhængigt af valget af fotoresist, tykkelse og derfor centrifugeringshastighed, eksponeringstid og udvikling tid vil skulle tilpasses i overensstemmelse hermed. Efter fotolitografi, afhængigt af størrelsen af metallisk deltaCles, kan tykke paneler dannes ved elektroafsætning, mens tynde paneler kan defineres ved fordampning eller sputtering. Til elektroaflejring af paneler, bør Faradays love elektroaflejring og effektiviteten af badet til at beregne den elektroplettering strøm baseret på det totale frilagte overfladeareal af panelerne. Typiske strømtætheder for nikkel (Ni) og lodning (Pb-Sn) udpladning er mellem 1-10 mA / cm 2 og 20-50 mA / cm 2 hhv. 5. Mønsterdannelse hængslerne Svarer til mønstret af panelerne, for at mønstret hængsler, behov for en anden runde af fotolitografi at ske ved hjælp af hængslet masken (figur 2b-c). De registreringsdatabasen mærker på panelet og hængslet masker skal overlejres for at sikre korrekt justering. For overfladespænding drevet samling, skal materialerne til panelerne og hængsler vælges således, at hængslet materiale har en lavis smeltepunkt end panelerne og dermed panelerne forbliver stive under hængslerne er smeltet. Montering opstår, når skabelonerne opvarmes til over smeltepunktet af hængslet materiale. For eksempel i tilfælde af metalliske partikler med Ni paneler, vi electrodeposit Pb-Sn solder på hængslerne som smelter ved ~ 200 ° C og beder foldning. Tilsvarende, i tilfælde af polymerpartikler med SU8 paneler, vi deposit polycaprolacton hængsler som samles ved ~ 58 ° C. 27 Processen fungerer bedst, når hængslet materiale er fastgjort inden i hængselregionen ved reflow; dvs. som ikke spredt over hele paneler og ikke helt dewet fra panelet. Dette pinning kan opnås ved udvælgelsen af materialer med passende befugtningsegenskaber og viskositet. I tilfælde af tynde film stress drevet selv-foldning, bør hængslerne være mønstret før panelet mønster. Typisk hængslet skal være sammensat af et differentielt understreget dobbeltlag,sammensat af en stresset metal, såsom chrom (Cr) eller zirconium (Zr) og en forholdsvis ubelastet metal, såsom guld (Au) eller kobber (Cu). For eksempel, for microgrippers med et hængsel åbning på 50 um vi bruger et dobbeltlag sammensat af 50 nm Cr og 100 nm Au. Ud over differentielt belastede metalliske dobbeltlag, understregede differentielt polymerer 34-37, kan SiOx lag 38 eller epitaksial halvleder 5 lag også anvendes. For tyndfilm stress drevet selv-foldning, bør en termo-følsom polymer trigger lag anvendes til at begrænse enhederne, så strukturerne må ikke foldes spontant efter frigørelse fra underlaget. Et passende valg af aftrækker materiale og tykkelse kan give de enheder med forskellige stimuli responsive egenskaber. For eksempel 1,5 um tyk fotoresist (S1800 serie) i hængselsregionen mønsterdannelse er nok til at holde enhederne flad, indtil de opvarmes til ~ 37 ° C for at udløse foldningen. <p class= "Jove_title"> 6. Frigivelse Skabeloner fra underlaget og folde At frigive de mønstrede 2D skabeloner, offerlaget skal opløses ved passende ætsemidler (figur 2d). For overfladespænding drevet samling, de frigivne plane forstadier skal opvarmes til over smeltepunktet af hængslet materiale. Ved opvarmning, bliver hængslerne flydende og prækursorerne samles i passende formede hule partikler (figur 2e-i). For tyndfilm stress drevet foldning, kan foldningen udløses efter strukturerne frigives fra substratet og ved udsættelse for højre stimulus, fx ved opvarmning, således at udløseren blødgøres og ikke længere begrænser lempelse af de stressede dobbeltlagede hængsler. Da de gribende enheder er ferromagnetisk de kan styres og positioneres nær passende last og udløst at folde omkring det (fig. 2j-n). Det er bemærkelsesværdigt, at vævs excisionen kan opnås ved anvendelse sådan udløst foldning 25. Eksempel 1. Protokol til fremstilling af overfladespændingen drevet selv-samlet, permanent bundet, 300 um størrelse hul dodecahedra (skematisk i figur 3): Forberede masker som beskrevet i trin 1.. Til fremstillingen af dodecahedra med 300 um panel kantlængde, et panel maske, således at de femkantede paneler dodekaedret er adskilt med 30 um trække. Tegn et hængsel maske, hvor foldning og forsegling hængsler har dimensioner på 240 um x 60 um og 240 um x 30 um hhv. Der fremstilles en silicium wafer-substrat som beskrevet i trin 2. Spin frakke ~ 5,5 um tykt lag på 950 PMMA A11 ved 1.000 rpm, på de siliciumskiver. Vent i 3 minutter og derefter bage det ved 180 ° C i 60 sekunder. Under anvendelse af en termisk fordamper, deponering 30 nm chrom (Cr) som et adhæsionsfremmende middel og 150 nm kobber (Cu) som than ledende lag. Spin coat ~ 10 um tykke SPR220 ved 1700 rpm på skiverne. Vent i 3 minutter. Udføre en ramp-up softbake ved at anbringe skiven på en varmeplade ved 60 ° C i 30 sek. Derefter overføre skiven på en anden varmeplade ved 115 ° C i 90 sekunder og derefter tilbage til 60 ° C i 30 sek. Afkøling af wafers ved stuetemperatur og vente i 3 timer. Udsætte de wafere til panelet masken ved hjælp ~ 460 mJ / cm 2 i UV-lys (365 nm) og en kviksølv baseret maske aligner. Udvikle i MF-26A udvikler i 2 minutter og ændre udvikleren løsning og udvikle en anden 2 min. Beregn det samlede panel område og bruge det til at beregne den aktuelle forpligtet til electrodeposit Ni fra en kommerciel nikkel sulfamat løsning med en hastighed på cirka 1-10 mA / cm 2 op til en tykkelse på 8 um. Opløs fotoresist med acetone. Skyl wafer med IPA og tørres med N2 gas. Spin coat ~ 10 um tyk SPR220 ved 1700 opm over på skiverne. Vent i 3 minutter. Udføre en ramp-up softbake ved at anbringe skiven på en varmeplade ved 60 ° C i 30 sek. Derefter overføre waferen til en anden varmeplade ved 115 ° C i 90 sekunder og derefter tilbage til 60 ° C i 30 sek. Afkøling af wafers ved stuetemperatur og vente i 3 timer. Udsætte de wafere til hængslet masken ved hjælp ~ 460 mJ / cm 2 i UV-lys (365 nm) og en kviksølv baseret maske aligner. Sørg for, at registreringsdatabasen varemærker er justeret således, at hængslerne er afstemt med panelerne. Udvikle i MF-26A udvikler i 2 minutter og ændre udvikleren løsning og udvikle en anden 2 min. Ved hjælp af en diamant cutter, wafer skæres i små stykker, så et stykke af wafer indeholder ~ 50-60 garn. Coat kanterne af stykkerne med neglelak. Beregn den samlede udsatte hængsel område og bruge det til at beregne den aktuelle forpligtet til electrodeposit Pb-Sn lodde fra en kommerciel loddemetal plating løsning med en hastighed på hensigtsximately 20 til 50 mA / cm 2 op til en tykkelse på 15 um. Opløs fotoresist i acetone. Skyl wafer stykker med IPA, og tør efter med N 2 gas. Fordyb wafer brik i ætsemidlet APS 100 til 25-40 sek at opløse den omgivende Cu lag. Skyl med DI-vand og tør med N2 gas. Fordyb wafer brik i ætsemidlet CRE-473 for 30-50 sekunder at opløse den omgivende Cr lag. Skyl med DI-vand og tør med N2 gas. Nedsænkes wafer piece i ~ 2-3 ml 1-methyl-2-Pyrollidinone (NMP) og der opvarmes til 100 ° C i 3-5 min, indtil de skabeloner frigives fra substratet. Transfer ~ 20-30 skabeloner til en lille petriskål og distribuere dem ensartet. Tilføj ~ 3-5 ml NMP og ~ 5-7 dråber Indalloy 5RMA flydende flux. Opvarmning ved 100 ° C i 5 minutter. I dette trin, renser Indalloy 5RMA flydende flux og opløser ethvert oxidlag dannet på lodde og dermed sikrer god lodde reflow ved opvarmning over smeltepunktet. Øge kogepladen temperaturen til 150 ° C i 5 minutter og derefter langsomt øge det til 200 ° C, indtil foldning forekommer. Når temperaturen forøges til 200 ° C foldning starter efter 5-8 min. Blandingen kan blive brunlig da det begynder at brænde. Når dodecahedra har foldet, skal du lade fadet at køle ned. Tilsættes acetone til skålen, pipetteres væsken ud, og skyl dodecahedra i acetone og derefter ethanol. Opbevar dodecahedral partikler i ethanol. EKSEMPEL 2. Protokol til fremstilling af omkonfigurerbare, tynd film stress drevet selv-foldning temperaturfølsomme microgrippers (skematisk i figur 4): Forbered masker som forklaret i trin 1. Designe de masker, således at spids-til-spids længde af griberne er 980 um, idet den centrale plade sidelængde på 111 um og hængslet mellemrum på 50 um. Typiske hængsel og panel masker kan udformes similar til figur 1 de. Forbered siliciumskiver, som forklaret i trin 2. Depositum 15 nm Cr vedhæftning og 50-100 nm Cu offerlagene ved hjælp af en termisk fordamper. Spin-coat ~ 3 um tykke S1827 hjælp spin coater, ved 3000 opm. Vent i 3 minutter og derefter bage waferen ved 115 ° C i 1 minut på en varmeplade. Udsætte på ~ 180 mJ / cm 2 UV-lys (365 nm) under anvendelse af en maske aligner og hængslet masken. Udvikle for 40-60 sek i 5:1 fortyndet 351 Developer. Skyl med DI-vand og tør med N2 gas. Deposit 50 nm Cr og 100 nm Au ved anvendelse af en termisk fordamper. De Cr-Au fungerer som hængsel dobbeltlag med restspændinger i Cr film, mens Au filmen er en bioinert bærelag. Lift-off fotoresisten i acetone. Anvende en sonikator i 3-5 min til fuldstændig lift-off det overskydende metal. Vask wafer med acetone og IPA, tørt med N2 gas. Spin coat ~ 10 um tyk SPR220 ved1700 rpm på skiverne. Vent i 3 minutter. Udføre en ramp-up softbake ved at anbringe skiven på en varmeplade ved 60 ° C i 30 sek. Derefter overføre waferen til en anden varmeplade ved 115 ° C i 90 sekunder og derefter tilbage til 60 ° C i 30 sek. Vent i 3 timer. Udsætte fotoresist på ~ 460 mJ / cm 2 UV-lys (365 nm) under anvendelse af en maske aligner igennem panelet masken. Udvikle i MF-26A udvikler i 2 minutter og ændre udvikleren løsning og udvikle en anden 2 min. Beregn det samlede panel område og bruge det til at beregne den aktuelle forpligtet til electrodeposit Ni fra en kommerciel nikkel sulfamat løsning med en hastighed på cirka 1-10 mA / cm 2 op til en tykkelse på 5 um. Skyl med DI vand grundigt. Electrodeposit eller fordampe 100 nm Au. Dette lag hjælper med at beskytte Ni mod ætsemidler, der anvendes til at fjerne offerlaget. Strip fotoresist med acetone. Skyl wafer med IPA og tørres med N2 gas. </li> Bland S1813 og S1805 photoresits på 01:05 volumenforhold. Spin coating af blandingen ved 1800 rpm. Vent i 3 min, og derefter bage på en varmeplade ved 115 ° C i 1 min. Dette fotoresistlag fungerer som udløser laget. Udsætte på ~ 120 mJ / cm 2 UV-lys (365 nm) på en maske aligner med hængslet masken. Udvikle for 30-50 sek i 5:1 fortyndet 351 udvikler. Skyl med DI-vand og tør med N2 gas. Skær et stykke af skiven ved hjælp af en diamanthandler. Fordyb wafer brik i APS 100 til etch det underliggende Cu offerlag. Vente til microgrippers fuldstændigt frigjort fra underlaget. Skyl microgrippers med DI vand og opbevares i koldt vand. Udløse foldningen ved at anbringe microgrippers i 37 ° C vand. 7. Repræsentative resultater Repræsentative resultater i figur 5 viser selv-samlet polyhedrale partikler i forskellige shaberne samt folde microgrippers. Fremstillingen og aktivering processen er meget parallelle og 3D-strukturer kan fremstilles og aktiveres samtidigt. Derudover kan præcise mønstre som eksemplificeret af firkantede eller trekantede porer defineres i alle tre dimensioner, og på udvalgte flader hvis nødvendigt. De microgrippers kan lukkes under biologisk godartede tilstande, således at de kan anvendes til udskæring af væv eller fyldt med biologisk last. Derudover, da de microgrippers kan fremstilles med et ferromagnetisk materiale, kan de flyttes på afstand ved hjælp af magnetfelter. Figur 1. Designregler til syntese af mønstrede partikler (ac) Maske Konstruktionsregler for samling af mønstrede polyhedrale partikler. (A) Skematiske af panelet maske for et polyeder af sidelængde L, (b) skematisk af hængslet maske med foldelås(0,2 L x 0,8 L) og låsning eller forsegling (0,1 L x 0,8 L) hængsler, og (c) skematisk i overlejret 2D precursor eller net. (Df) Maske design regler for self-folding microgripper (d) skematiske af hængslet maske for en microgripper med spids til spids længde D, (e) skematiske af panelet maske med hængsel hul g, og (f) skematiske af den overlejret 2D precursor. Klik her for at se større figur . Figur 2. Eksperimentelle billeder og konceptuelle animationer af vigtige skridt i fabrikation og montage proces. (A) Screenshot af en AutoCAD panel maske for dodecahedral prækursorer. (Bc) Optiske billeder af 2D prækursorer til, (b) dodecahedra, og (c) microgrippers på et siliciumsubstrat. (D) Udgivet dodecahedral net. Scale bars: 200 um. (En) Conceptual ennimation af, (ei) overfladespændingen drevet samling af en dodekaeder, og (jn) tyndfilm stress drevet foldning af en microgripper omkring en vulst (Animation af David Filipiak). Figur 3. Skematisk illustration af de vigtige fabrikationstrin for overfladespænding drevne samling af en kubisk partikel. Fig. 4. Skematisk illustration af de vigtige fabrikationstrin for restspændinger drevet foldning af et sekscifret gribe indretningen. Figur 5. Billeder af origami inspirerede selv-samlet mønstret og rekonfigurerbar partikler. </strong> (a) Optisk billede af selv-samlet partikler i en række forskellige former. (Be) SEM billeder af en (b) selv-samlet porøs terning, (c) pyramide, (d) trunkerede oktaeder og (e) dodecahedron. Scale bars: 100 um. (FH) Optiske snapshots af selv-foldbare microgrippers, og (i) SEM billede af en foldet microgripper (Billede af Timothy Leong). Scale bars: 200 um.