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Chemistry

Preparazione di microfluidica di liquido cristallino elastomero attuatori

Published: May 20, 2018 doi: 10.3791/57715
Automatic Translation
*1, *1, 2, 1
1Department of Organic Chemistry, Johannes Gutenberg University, 2CNRS, ICS UPR 22, Université de Strasbourg
* These authors contributed equally

Summary

Questo articolo viene descritto il processo di microfluidica e parametri per preparare particelle azionamento da liquidi cristallini elastomeri. Questo processo permette la preparazione di azionamento di particelle e la variazione delle loro dimensioni e la forma (da oblato a fortemente prolata, core-shell e morfologie di Janus) così come la grandezza dell'azionamento.

Abstract

Questa carta si concentra sul processo di microfluidica (e relativi parametri) per preparare particelle azionamento da liquidi cristallini elastomeri. La preparazione di solito consiste nella formazione di goccioline contenenti cristalli di liquido massa molare Bassi alle temperature elevate. Successivamente, questi precursori delle particelle sono orientati al campo di flusso del capillare e solidificati di una polimerizzazione di reticolazione, che produce le particelle di azionamento finale. L'ottimizzazione del processo è necessario ottenere le particelle di azionamento e la corretta variazione dei parametri del processo (tasso di flusso e temperatura) e permette variazioni di dimensione e forma (da oblate di morfologie fortemente prolate) nonché la grandezza dell'azionamento. Inoltre, è possibile variare il tipo di azionamento da allungamento alla contrazione a seconda del profilo di direttore indotto per le goccioline durante il flusso nel capillare, che dipende ancora il processo di microfluidica e i relativi parametri. Inoltre, particelle di forme più complesse, come strutture di nucleo-guscio o particelle di Janus, possono essere preparate regolando l'installazione. La variazione della struttura chimica e la modalità di reticolazione (solidificazione) dell'elastomero liquido cristallino, è anche possibile preparare particelle azionamento innescate dal calore o irradiazione UV-vis.

Introduction

Sintesi di microfluidica sono diventati un metodo ben noto per la realizzazione di attuatori di elastomero liquido cristallini (LCE) negli ultimi pochi anni1,2,3. Questo approccio non solo consente la produzione di un gran numero di particelle ben azionamento ma permette anche la realizzazione di forme e morfologie che non sono accessibili da altri metodi. Poiché gli attuatori LCE sono promettenti candidati per un'applicazione come muscoli artificiali in micro-robotica, nuovi metodi di sintetizzare tali particelle sono di grande importanza per la futura tecnologia4.

In LCEs, nematiche a cristalli liquidi (LC) sono fissati per le catene polimeriche di un elastomero rete5,6,7,8. Il sollevatore di nematiche alla catena del polimero può accadere quindi sotto forma di una side-chain, una catena principale o un combinato LC-polimero9,10,11. La distanza tra i punti di reticolazione dovrebbe essere abbastanza lontano da permettere un riorientamento gratuito della catena polimerica in mezzo (in realtà, questo è vero per qualsiasi elastomero, che li differenzia dai "termoindurenti"). In tal modo, la reticolazione può essere permanente o reversibile a causa di interazioni non-covalenti forti12,13,14. Questo tipo di materiale combina le proprietà di entrambi, il comportamento anisotropo a cristalli liquidi con l'elasticità entropica di un elastomero. Nel campo di temperatura del suo liquido fase cristallina, le catene polimeriche adottano una conformazione (più o meno) allungata causata dall'anisotropia della fase cristallina liquida, che è quantificata dal parametro di ordine nematico. Quando il campione è portato sopra la temperatura di transizione di fase nematica-isotropa, l'anisotropia scomparirà, e la rete si rilassa alla conformazione energeticamente favorito bobina casuale. Questo porta ad una deformazione macroscopica e così azionamento5,15. Oltre il riscaldamento del campione, questa transizione di fase può essere indotta anche da altri stimoli come la diffusione di luce o solvente in LCEs16,17,18,19.

Al fine di ottenere una forte deformazione, è necessario che il campione sia forma un monodominio o caratteristiche almeno un orientamento preferito di amministrazione del dominio singolo durante la reticolazione passo20. Per la produzione di film LCE, questo è spesso raggiunto dallo stiramento di un campione pre-polimerizzato, attraverso l'orientamento dei domini in elettrico o campo magnetico, con l'ausilio di foto-allineamento livelli o tramite stampa 3D21 ,22,23,24,25,26.

Un approccio diverso è la preparazione continua di particelle LCE con generatori di gocciolina microfluidici basati su capillare. Goccioline di monomero liquido cristallino sono dispersi in una fase continua altamente viscosa, che scorre intorno le goccioline e si applica un tasso di taglio sulla superficie delle goccioline. Pertanto, si osserva una circolazione dentro la goccia di monomero, che provoca un allineamento globale della fase cristallina liquida27. In tal modo, la grandezza dei tassi di taglio agendo sulle goccioline ha una forte influenza sia forma della goccia e le dimensioni, così come l'orientamento del campo cristallino liquido direttore. Queste goccioline ben orientate possono quindi essere polimerizzate ulteriormente a valle nel setup microfluidica. Così, la preparazione degli attuatori con varie forme (per esempio, particelle e fibre) e morfologie più complesse come core-shell e particelle di Janus sono possibili28,29,30,31. È anche possibile preparare particelle delle oblate, che si estendono lungo il loro asse di simmetria e particelle altamente prolate, fibra-like, che restringono alla transizione di fase. Entrambi i tipi di particelle possono avvenire con lo stesso tipo di installazione di microfluidica, semplicemente variando il tasso di taglio27. Qui, presentiamo il protocollo di come produrre tali attuatori LCE di morfologie diverse in dispositivi microfluidici fabbricati basati su capillare.

Oltre l'effetto di allineamento di mesogen nelle goccioline di LCE e l'accessibilità dei polimeri con varie forme, microfluidica approcci hanno ulteriori vantaggi. Rispetto ad altri metodi di fabbricazione delle particelle come precipitazione in un non-solvente o sospensione polimerizzazione32 (che conduce a particelle con un'ampia distribuzione di dimensione), particelle monodisperse (il coefficiente di variazione delle dimensioni delle particelle è < 5%) può essere sintetizzato utilizzando microfluidica33,34. Inoltre, è facile da rompere la simmetria della sfera delle goccioline di un flusso. Così, particelle di grandi dimensioni con una simmetria cilindrica sono accessibili, che è necessario per attuatori. Questo è diverso da LC-particelle fatte di sospensione polimerizzazione32. Inoltre, la dimensione delle particelle è ben regolabile di microfluidica in una gamma da parecchi micrometri a centinaia di micron, e additivi possono essere portati facilmente nelle particelle o alla loro superficie. Ecco perché la preparazione delle particelle microfluidica è spesso usato in argomenti come droga consegna35 o la produzione di cosmetici36.

Le installazioni di microfluidica utilizzate in questo articolo sono stati introdotti da Serra et al. 33 , 37 , 38 . Questi sono auto-realizzati e sono costituiti da tubi di politetrafluoroetilene (PTFE) ad alte prestazioni cromatografia liquida (HPLC) e smorze, come pure i capillari di silice fusa che forniscono le singole fasi. Così, il programma di installazione può essere facilmente modificato e singole parti possono essere scambiati semplicemente quanto sono commercialmente disponibili. Un fotoiniziatore è aggiunto per le miscele di monomero, che consente di utilizzare una sorgente di luce appropriata per indurre la polimerizzazione delle goccioline on-the-fly, dopo che avevano lasciato il capillare. L'irradiazione a parte i capillari è indispensabile per evitare un intasamento del setup. Altri tipi di polimerizzazione solo avviare la polimerizzazione dopo la goccia ha lasciato il capillare (ad es., con iniziatori basato su processi ossidoriduttivi)39. Tuttavia, a causa della rapidità di polimerizzazione reticolazione foto-indotta e la capacità di essere controllati a distanza, photoinitiation è quella più vantaggiosa.

Poiché la miscela di monomero di LCE è cristallino a temperatura ambiente, è necessario un controllo di temperatura accurata dell'apparato microfluidico intero. Di conseguenza, la parte dell'installazione in cui si verifica la formazione della gocciolina è posto in un bagno di acqua. Qui, le goccioline si formano ad alte temperature nella fusione isotropica della miscela. Per l'orientamento, le gocce devono essere raffreddate in fase liquida e cristallina. Di conseguenza, il tubo di polimerizzazione è collocato su una piastra calda che è impostata per l'intervallo di temperatura inferiore della LC-fase (Figura 1).

Qui, descriviamo un metodo flessibile e semplice per la realizzazione di attuatori LCE in un flusso. Questo protocollo fornisce i passaggi necessari per costruire il setup di microfluidica per la sintesi di singole particelle nonché Janus e particelle di core-shell in pochi minuti. Descriveremo come eseguire una sintesi e mostrare il risultato tipico così come le proprietà delle particelle d'attuazione. Infine, si discutono i vantaggi di questo metodo e perché pensiamo che potrebbe portare progresso nel campo degli attuatori LCE.

Protocol

1. sintesi delle particelle LCE azionamento singolo

  1. Montaggio del dispositivo
    Nota: Tutti i materiali utilizzati per l'installazione di microfluidica sono HPLC forniture e commercialmente disponibili.
    1. Equipaggiare un piatto di vetro acqua vasca [Diametro (D): 190 mm, connessioni: giunti di vetro smerigliato due 29/24 flangia] con due setti. Broccia entrambi setti con un punteruolo per montare un tubo con un diametro esterno (OD) di 1/16 di pollice attraverso il foro di apertura.
    2. Collegare un raccordo per tubazione OD 1/16 di pollice e la ghiera corrispondente all'estremità di un tubo PTFE (tubo 1.1; OD: 1/16 di pollice, diametro interno (ID): 0,17 mm, lunghezza (L): 5 cm) e bastone la punta (ca. 1 cm) di un capillare di silice rivestite con polyimide (ID: 100 µm, OD: 165 µm, l: 7 cm) in esso.
    3. Avvitare il tubo su uno dell'opponente le braccia di un polietere etere chetone incrocio a t (PEEK) per 1/16 di pollice OD tubi, che è montato su un piccolo tavolo di metallo. Ora, il capillare deve sporgere qualche centemeters fuori all'incrocio a t.
      Nota: I tubi di PTFE sono taglio migliore con l'aiuto di una taglierina per tubi. Per i capillari, è preferibile utilizzare una pietra che fende.
    4. Collegare un idoneo raccordo e puntale all'estremità di un secondo tubo PTFE (tubo 1.2; OD: 1/16 di pollice, ID: 0,75 mm), che è abbastanza a lungo per raggiungere una pompa a siringa fuori dal bagno di acqua e avvitare il braccio laterale di incrocio a t.
    5. Attaccare un terzo tubo PTFE (tubo 1.3; OD: 1/16 di pollice, ID: 0,17 mm) attraverso uno dei setti. Tubo 1.3 deve essere sufficientemente lungo collegare una seconda pompa a siringa con tubo 1.1 all'interno del bagno d'acqua. Aggiungere due serrature luer femmina per tubi in pollici 1/16 OD alla fine ricambio dei tubi 1.1 e 1.3, rispettivamente.
    6. Preparare un quarto Tubo PTFE (tubo di polimerizzazione 1.4; OD: 1/16 di pollice, ID: 0,75 mm) con un raccordo plus puntale e bastone attraverso il setto secondo. Tubo 1.4 dovrebbe essere abbastanza a lungo per lasciare il bagno d'acqua e passare una precisione piastra riscaldante. Collegare tubo 1.4 tramite suo montaggio al braccio restante di incrocio a t e posizionare l'estremità del vetro capillare all'interno del tubo.
    7. Mettere il bagno di acqua su un piatto caldo, dotato di un termometro, utilizzare nastro adesivo per fissare tubo 1.4 in cima la precisione piastra riscaldante e allegare un flaconcino di vetro da 5 mL fino alla fine del tubo 1.4. Collegare l'estremità del tubo di 1.2 per una siringa riempita con la fase continua (olio siliconico; viscosità: 1.000 m2/s), collegare il tubo 1.3 ad una siringa riempita di olio idraulico per la fase di monomero (olio siliconico; viscosità: 100 m2/s) e collegare entrambi siringhe in una pompa a siringa.
      Nota: Al fine di collegare i tubi per le siringhe, connettori di barb-a-donna-luer-lock per l'utilizzo con tubi ID 3/32 di pollice sono i migliori da utilizzare.
    8. Installare uno stereomicroscopio con lo stato attivo viene impostato sulla punta del capillare per consentire l'osservazione della formazione della gocciolina e montare una fonte di luce UV (ad es., una lampada a vapori di mercurio a W 500) con il cono di luce concentrata sul tubo 1.4.
  2. Preparazione della miscela di monomero
    1. Per preparare la miscela di monomero40, aggiungere 200 mg di (4-acryloyloxybutyl) - 2,5 - di(4-butyloxybenzoyloxy) benzoato per un pallone da 50 mL a forma di pera.
    2. Aggiungere 7,2 mg di 1,6-esandiolo dimetacrilato (10% in moli) e 6,2 mg di Fenilfosfinato di ethyl(2,4,6-trimethylbenzoyl) (fotoiniziatore, 3% w) al pallone. Sciogliere la miscela in circa 1 mL di diclorometano.
      Nota: A partire dal punto 1.2.2., tutti i passaggi devono essere eseguiti in condizioni privo di luce UV (ad es., sotto la luce gialla).
    3. Togliere il solvente completamente sotto vuoto a 313 K e sciogliere il residuo solido in 383 K in bagno d'olio.
    4. Preparare una siringa con un ardiglione-a-femmina-connettore luer lock per l'uso con tubi in ID 3/32 pollici e collegare un tubo PTFE (tubo 1,5; OD: 1/8 di pollice, ID: 1,65 mm) tramite un collegamento del tubo (OD: 1/16 di pollice, ID: 0,75 mm). Aspirare la miscela di monomero in tubo 1.5 con l'ausilio della siringa.
      Nota: La quantità di monomero non deve essere inferiore a 70 mg. altrimenti, diventa molto difficile disegnare abbastanza miscela di monomero nel tubo 1.5. Il protocollo può essere messo in pausa qui. In questo caso, è possibile conservare la provetta in un frigorifero.
  3. Preparazione delle particelle
    1. Allegare un luer lock maschio per tubo OD 1/8 di pollice di entrambe le estremità del tubo 1.5 contenente la miscela di monomero. In seguito, collegare entrambe le estremità del tubo 1,5 con le serrature di luer femmina alle estremità dei tubi 1.1 e 1.3.
      Nota: I tubi devono essere risciacquati con i liquidi forniti dalle pompe siringa prima la sintesi.
    2. Impostare temperatura del bagnomaria 363K e impostare la precisione riscaldamento temperatura della piastra a K. 338
    3. Assicurarsi di punta del capillare è al centro del tubo polimerizzazione 1.5 e non toccare il muro.
      Nota: Le temperature indicate qui sono ottimizzate per questa miscela di monomero. In generale, la temperatura del bagno d'acqua dovrebbe essere sufficiente a fondere la miscela di monomero e temperatura della piastra di riscaldamento dovrebbe essere nella gamma di temperature della fase cristallina liquida.
    4. Dopo la miscela di monomero è fuso, impostare la portata della fase continua (Qc) su un valore compreso tra 1,5 e 2,0 mL/h e scegliere flusso rapporti dei tassi di Qc/qd (Qd = la portata della fase olio idraulico/monomero) tra 20 e 200.
      Nota: Per portate di Qc = 1,75 mL/h e Qd = 0,35 mL/h, ben azionamento particelle con una D di 270 µm sono osservate, per esempio.
    5. Dopo la formazione della gocciolina comincia, attendere fino a quando le goccioline sono tutte della stessa dimensione prima di accendere la luce UV. Per la miscela di monomero descritti, posizionare la fonte di UV 1 cm sopra il tubo di polimerizzazione 1.4 all'estremità destra della piastra di riscaldamento di precisione. Raccogliere le diverse frazioni delle particelle polimerizzate nel flaconcino 5 mL vetro all'estremità del tubo 1.4. Mentre che scorre sotto la luce UV, colore delle goccioline dovrebbe cambiare da trasparente a bianco.
      Attenzione: Indossare occhiali di protezione UV per proteggere gli occhi.
    6. Mettere uno scudo (ad es., una scatola di carta) tra la sorgente luminosa e il bagno di acqua, al fine di evitare qualsiasi intasamento del capillare.
      Nota: In caso di un tubo di polimerizzazione intasamento, potrebbe aiutare a riscaldare la parte ostruita con una pistola termica.
    7. Dopo tutto il monomero è consumato, è possibile pulire l'installazione iniettando acetone nel tubo 1.3.

2. sintesi delle particelle di Core-shell LCE

  1. Montaggio del dispositivo
    1. Seguire il passaggio 1.1.1. ma utilizzare un piatto di vasca d'acqua con una D di 190 mm.
    2. Collegare un raccordo e puntale a entrambe le estremità di una manica di tubi di gas fluorurati etilene propilene (FEP) (ID: 395 µm, OD: 1/16 di pollice, l: 1,55 pollici), rispettivamente. In primo luogo, attaccare un capillare di silice fusa (ID: 280 µm, OD: 360 µm, l: 8 cm) attraverso la manica, in modo tale che si sporge di circa 3 mm su un lato. Poi bastone un capillare più sottile (ID: 100 µm, OD: 165 µm, l: 11 cm) attraverso il più grande, così che si sporge a pochi millimetri dal suo lato più lungo.
    3. Avvitare il manicotto su uno dei bracci opposti di un incrocio a t PEEK per tubi di OD 1/16 di pollice (incrocio a t 1) che è montato su un piccolo tavolo in metallo, con l'estremità più corta del capillare più grande raggiungendo in incrocio a t.
    4. Attaccare un tubo PTFE (tubo 2.1; OD: 1/16 di pollice, ID: 0,17 mm) che è abbastanza a lungo per collegare una pompa a siringa con incrocio a t 1 attraverso uno dei setti di bagno d'acqua. Collegare un raccordo e puntale all'estremità del tubo all'interno della vasca di acqua, collegarlo al braccio laterale gratuito di incrocio a t 1 e bastone il capillare più sottile all'interno tubo 2.1.
    5. Preparare un secondo tubo PTFE (tubo 2.2; OD: 1/16 di pollice, ID: 0,5 mm) con un raccordo e un puntale e collegarlo al ricambio braccio di incrocio a t 1. Attaccare un altro tubo di PTFE (tubo 2.3; OD: 1/16 di pollice, ID: 0,5 mm) attraverso un secondo foro nel setto accanto al tubo di 2.1. Tubo 2.3 deve essere sufficientemente lungo collegare un'altra pompa a siringa con tubo 2.2.
    6. Aggiungere due serrature luer femmina per tubi OD 1/16 di pollice per le estremità libere dei tubi 2.2 e 2.3 all'interno della vasca di acqua, rispettivamente.
    7. Collegare l'estremità libera del manicotto a uno dei bracci opposti di un secondo incrocio PEEK (incrocio a t 2) che è anche montato sul tavolino in metallo. Preparare un quarto Tubo PTFE (tubo 2.4; OD: 1/16 di pollice, ID: 0,75 mm) con un raccordo più puntale. Tubo 2.4 è abbastanza a lungo per raggiungere una terza pompa siringa fuori dal bagno di acqua e collegarlo al braccio laterale di incrocio a t 2.
    8. Preparare un quinto Tubo PTFE (tubo di polimerizzazione 2.5; OD: 1/16 di pollice, ID: 0,75 mm) con un raccordo plus puntale e bastone attraverso altri setto. Tubo 2,5 dovrebbe essere abbastanza a lungo per lasciare il bagno d'acqua e passare una piastra riscaldante di alta precisione. Collegare il raccordo del tubo 2.5 con braccio restante di incrocio a t. Ora consigli dei capillari di vetro dovrebbero essere situati all'interno di tubo 2.5.
    9. Mettere il bagno di acqua su un piatto caldo, dotato di un termometro, utilizzare nastro adesivo per fissare tubo 2.5 sulla cima di una precisione piastra riscaldante e associare un flaconcino di vetro da 5 mL alla fine del tubo. Collegare l'estremità del tubo di 2.1 ad una siringa riempita con glicerolo (fase interna), collegare il tubo 2.3 ad una siringa riempita di olio idraulico per la fase di monomero (olio siliconico; viscosità: 100 m2/s), collegare il tubo 2.4 ad una siringa riempita con la fase continua ( olio di silicone; viscosità: 1.000 m2/s) e collegare tutte le siringhe in pompe a siringa.
    10. Seguire punto 1.1.7., ma leggere tubo 2.5 invece di tubo 1.4.
  2. Preparazione della miscela di monomero
    1. Segui tutti i passaggi di 1.2.
  3. Preparazione delle particelle core-shell
    1. Allegare un luer lock maschio per tubi OD 1/8 di pollice di entrambe le estremità del tubo contenente la miscela di monomero, rispettivamente. In seguito, collegare entrambe le estremità di questo tubo con le serrature di luer femmina alle estremità dei tubi 2.2 e 2.3.
    2. Seguire i passi 1.3.2-1.3.4.
    3. Osservare la gocciolina formazione tramite un microscopio stereo.

3. sintesi delle particelle LCE Janus

  1. Montaggio del dispositivo
    1. Seguire il passaggio 1.1.1.
    2. Allegare un raccordo e puntale a entrambe le estremità di un manicotto del tubo di FEP (ID: 395 µm, OD: 1/16 di pollice, l: 1,55 pollici), rispettivamente. Attaccare due capillari di silice fusa parallelamente allineati (ID: 100 µm, OD: 165 µm, L1: 8 cm, L2: 11cm) attraverso la manica. Il capillare corto sporge di circa 3 mm su un lato della manica. Da altra parte della manica, entrambi capillari hanno la stessa lunghezza.
    3. Super-colla i capillari mettendo alcune colla su un'estremità del manicotto e attendere finché non si è curata.
    4. Collegare due PEEK smorze avvitando il manicotto su uno dei bracci avversari, rispettivamente e montare entrambi su un piccolo tavolo di metallo.
    5. Seguire i passi 2.1.4-2.1.7.
    6. Preparare un quinto Tubo PTFE (tubo 3,5; OD: 1/16 di pollice, ID: 0,75 mm, l: 5 cm) con un raccordo plus puntale e collegarlo con il braccio restante di incrocio a t 2. Entrambe le punte dei capillari di vetro sono situate all'interno del tubo 3.5.
    7. Attaccare un altro tubo di PTFE (tubo 3.6; OD: 1/16 di pollice, ID: 0,5 mm) attraverso altri setto. Tubo 2.6 deve essere sufficientemente lungo lasciare il bagno d'acqua e passare una precisione piastra riscaldante. Collegare tubi 3.5 e 3.6 tramite raccordi per tubi OD 1/16 di pollice.
    8. Mettere il bagno di acqua su un piatto caldo, dotato di un termometro, utilizzare nastro adesivo per fissare tubo 3.6 sulla cima di una precisione piastra riscaldante e associare un flaconcino di vetro da 5 mL alla fine del tubo. Collegare l'estremità del tubo 3.1 a una siringa riempita con una miscela acquosa monomero (fase di monomero AQ.), collegare il tubo 3.3 a una siringa riempita di olio idraulico per la fase di LC-monomero (olio siliconico; viscosità: 100 m2/s), collegare il tubo 3.4 ad una siringa riempita con la fase continua (olio siliconico; viscosità: 1.000 m2/s) e collegare tutte le siringhe in pompe a siringa.
    9. Seguire il passaggio 1.1.8, ma leggere tubo 3.6 invece di tubo 1.4.
  2. Preparazione della miscela liquida cristallina (LC) monomero
    1. Segui tutti i passaggi di 1.2.
  3. Preparazione della miscela acquosa monomero
    1. Preparare una soluzione di 40 wt % di acrilammide in acqua distillata. Aggiungere il 10% in moli dell'agente di reticolazione N, N'-methylenebis(acrylamide) e 2% in peso dell'iniziatore 2-idrossi-2-methylpropiophenone alla soluzione. (Entrambi gli importi sono per quanto riguarda l'acrilamide).
      Nota: Al fine di aumentare la viscosità della miscela acquosa monomero, poliacrilammide può essere aggiunto.
    2. Agitare la miscela per 24 h a RT e riempire una siringa da 1 mL, in seguito.
  4. Preparazione delle particelle Janus
    1. Allegare un luer lock maschio per tubi OD 1/8 di pollice di entrambe le estremità del tubo contenente la miscela di monomero di LC, rispettivamente. In seguito, collegare entrambe le estremità di questo tubo con i blocchi di raccordo luer sulle estremità dei tubi 3.2 e 3.3.
    2. Seguire i passi 1.3.2-1.3.4.
    3. Osservare la gocciolina formazione tramite un microscopio stereo.

4. analisi delle particelle

  1. Mettere le particelle su una fase di caldo sotto un microscopio ottico collegato ad un computer con software di imaging. Per analizzare l'attuazione le particelle, scattare foto alle temperature sopra e sotto la loro temperatura di transizione di fase e misurare la loro D.
    Nota: Una goccia di olio di silicone che le particelle incolli sulla diapositiva oggetto.
  2. Per stimare la temperatura di compensazione le particelle, determinare la temperatura alla quale le particelle perdono la loro birifrangenza sotto un microscopio ottico polarizzato (POM).

Representative Results

In questo protocollo, vi presentiamo la sintesi delle particelle LCE con morfologie differenti tramite un approccio di microfluidica. Le installazioni di microfluidica per la realizzazione di singole, core-shell e particelle di Janus sono mostrati in Figura 129,38,41. Uno dei vantaggi della produzione a flusso continuo è il controllo molto buono dimensione e la forma delle particelle. Figura 2 un illustra il vantaggio dell'installazione singola goccia: una distribuzione delle dimensioni molto stretta con tutte le particelle aventi la stessa forma41. Con la presente, la dimensione delle sfere può facilmente essere regolata modificando il rapporto di velocità di flusso delle diverse fasi. Seguendo il protocollo, i diametri delle particelle comprese tra 200 e 400 µm può essere prodotto in modo ben controllato scegliendo il flusso rapporti di tasso, come illustrato nella Figura 2b1. I migliori risultati sono ottenuti per portate la fase continua (Qc) compreso tra 1,5 e 2,0 mL/h e per i rapporti di tasso di flusso di QC/qd (Qd = la portata della fase monomero) tra 20 e 200. Per le portate di Qc = 1,75 mL/h e Qd = 0,35 mL/h, ben azionamento particelle con un diametro di 270 µm sono osservate, per esempio. Se sono selezionati più elevati rapporti Qc/qd , la formazione della gocciolina è meno controllato e distribuzione di dimensione delle particelle del diventa molto più ampio. Per rapporti più bassi, le particelle non siano affatto sferiche. Oltre le rettifiche del tasso di flusso, la distanza della lampada UV per il tubo di polimerizzazione, come pure la posizione tra la sinistra e all'estremità destra della piastra riscaldante precisione possibile modificare le proprietà di azionamento di particelle LCE, che succede, ad esempio, se il cinetica di polimerizzazione cambiare a causa di scelta monomero composizioni di miscela o applicate temperature di polimerizzazione diverse dai valori descritti qui.

Figura 3 una Mostra una particella di azionamento che si allunga fino al 70% quando è riscaldato sopra la sua temperatura di transizione di fase, che dimostra che la condizione di indurre un orientamento del direttore cristallino liquido prima della polimerizzazione è soddisfatta. Questo allineamento dei risultati nematiche dal taglio tra la fase continua altamente viscosa e superficie via le goccioline di monomero. Se vengono utilizzati oli di silicone di bassa viscosità, azionamento della particella è ridotto.

Inoltre, il dispositivo microfluidico permette il controllo su tipi diversi di modelli di azionamento, quali l'allungamento o la contrazione durante la transizione di fase, variando la velocità di taglio che agisce sulle goccioline durante la polimerizzazione. Questo può essere elaborato facilmente a velocità di flusso costante di fase continua tramite diversi diametri interni del tubo polimerizzazione. Figura 3 una Mostra un prolata a forma di particella, che si allunga lungo il suo asse di rotazione ed è stata sintetizzata ai più bassi tassi di taglio in un più ampio tubo di polimerizzazione (ID: 0,75 mm). Le molecole di liquide cristalline (nematiche) sono allineate lungo un campo concentrici direttore in questo caso. Da altro lato, asta-come le particelle (come illustrato nella Figura 3b) presentano una contrazione durante la transizione di fase e un allineamento bipolare del campo direttore degli nematiche. Questa particella è stata prodotta a più alti tassi di taglio in un sottile tubo di polimerizzazione (ID: 0,5 mm).

Il protocollo descrive un altro vantaggio del processo di microfluidica. Oltre alle singole particelle, campioni di morfologie più complesse possono anche essere sintetizzati. Figura 3 c Mostra un azionamento della particella core-shell e Figura 3d una particella di Janus che entrambe sono state prodotte seguendo la parte 2 e 3 del protocollo29,30.

Se tutti i passaggi del protocollo vengono eseguiti correttamente,3,41dovrebbero essere ottenute da particelle aventi le proprietà visualizzate nella Figura 4 . In Figura 4un, il riscaldamento e il raffreddamento curve sono tracciate per singole particelle sintetizzate alle diverse portate. Riscaldando la particella dalla temperatura ambiente, l'ordine cristallino liquido è - in un primo momento - ridotto per un po ', con conseguente una piccola deformazione della particella. Tuttavia, vicina alla temperatura di transizione di fase, tutto l'orientamento viene improvvisamente perso e la particella mostra un forte allungamento solo di che si formi un paio di gradi. Dal raffreddarsi la particella, un'isteresi possono essere osservata, e si ottiene la forma originale. Questo processo è reversibile in molti cicli di azionamento, come mostrato nella Figura 4b.

Figure 1
Figura 1 : Microfluidici Setup. (un) il generale programma di installazione include tre siringhe, che contengono l'olio di silicone idraulico (1), la miscela di monomero acquosa (3) e l'olio di silicone di fase continua (4). La miscela di monomero liquido cristallino (2) è collocata nel bagno d'acqua (5) a 363 K, che si riscalda il cristallo liquido allo stato isotropo. Polimerizzazione di goccia è iniziata sulla piastra calda (6) a 338 K nello stato del cristallo liquido nematico da irradiazione UV (7). (Il programma di installazione di singola particella è uguale il setup generale, ma manca la seconda capillare, siringa (3) e il secondo incrocio a t). (b) questo pannello mostra una configurazione contenente due capillari fianco a fianco a vicenda, che permette la formazione di goccioline di Janus. (c), il core-shell setup è composto da un capillare che si è infilato in un capillare secondo più ampio. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2: rappresentante particelle ottenute nell'impostazione di singola particella di microfluidica. (un) questo pannello mostra un'immagine di microscopia di monodisperse particelle LCE preparati nell'impostazione di singola particella di microfluidica. Barra della scala = 200 µm. (b) questo pannello mostra la dipendenza del diametro di particelle per quanto riguarda il rapporto di velocità di flusso dell'olio (Qc) alla portata di miscela di monomero (Q,d). La dimensione delle particelle ottenute dipende solo il rapporto di velocità di entrambe le fasi e non il loro valore assoluto. (Questa figura è stata modificata da Ohm, Fleischmann, Kraus, Serra e Zentel1 e Ohm, Serra e Zentel41). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3 : Immagini di microscopia ottica di quattro morfologie diverse particelle nel nematic stato (a 353 K) e dopo la transizione di fase nell'isotropo stato (a K 413). Questi pannelli mostrano (un) l'allungamento di una a forma di oblate particella LCE (direttore concentrici campo), (b), la contrazione di un'asta-come forma LCE-particella (direttore bipolare campo), (c) l'allungamento di una core-shell a forma di oblate particella e (d), la contrazione di un Giano prolata forma della particella (parte sinistra: LCE, parte destra: idrogel di acrilammide). Scala bar = 100 µm. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. 

Figure 4
Figura 4 : Proprietà di azionamento del rappresentante singole particelle. (un) questo pannello mostra il riscaldamento e il raffreddamento curve di particelle LCE essere preparati nell'impostazione di microfluidica di singola particella alle diverse portate per la fase continua. Le particelle preparate presso il più alto tasso di flusso mostrano l'azionamento più forte (circa il 70%) ed entrambe le curve formano un'isteresi, rispettivamente. (b) si tratta di un terreno di 10 cicli di azionamento delle particelle LCE non risultati nessuna diminuzione della loro attuazione sopra il numero di ciclo. Questo dimostra che le particelle sono reticolati, e l'azionamento è completamente reversibile. Nota: Questo grafico è stato disegnato per una particella effettuata da un sistema LCE principale-catena ma sembra lo stesso per il sistema LCE utilizzato in questo articolo. (Questa figura è stata modificata da Ohm, Serra e Zentel41). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. 

Discussion

Abbiamo descritto la fabbricazione delle particelle con morfologie differenti tramite un approccio di microfluidica per produrre MICROATTUATORI LCE. Per questo scopo, basati su capillare microfluidici configurazioni sono state costruite che permettono la formazione di goccioline seguita da fotopolimerizzazione a temperature definite.

Qui, un aspetto critico di una riuscita sintesi è il corretto montaggio del setup. Tutte le connessioni tra le singole parti devono essere fissate correttamente per evitare qualsiasi fuoriuscita dei liquidi, e il dispositivo deve essere pulito prima di ogni sintesi per impedire intasamenti. Inoltre è fondamentale che l'esperimento viene eseguito in condizioni di protezione UV, poiché, in caso contrario, la polimerizzazione prematura della miscela di monomero e così nuovamente intasamento dell'installazione sarebbe il risultato.

Fino ad oggi, l'approccio di microfluidica descritto qui è l'unico metodo in grado di produrre particelle di LCE azionamento. Con la presente, il processo di microfluidica soddisfa due requisiti allo stesso tempo. Oltre la fabbricazione di una moltitudine di uguali dimensioni micro-oggetti, un orientamento del direttore cristallino liquido è indotto in queste particelle. Inoltre, è una procedura abbastanza semplice dal momento che un gran numero di attuatori possa essere sintetizzato in un unico passaggio. L'applicazione di altri metodi, l'orientamento del nematiche solitamente richiede un ulteriore passaggio come l'allungamento del campione o l'applicazione di strati di foto-allineamento. Inoltre, questi processi sono manuali, ovvero che la produzione di molti attuatori è richiede molto tempo. Inoltre, la morfologia LCE è-in più casi limitata ai film di polimero. Svantaggi dell'approccio microfluidica sono la limitazione della particella di dimensioni (come il diametro è limitato a valori compresi tra 200 e 400 µm), la vulnerabilità all'occlusione capillare e la necessità di condizioni senza UV durante la preparazione delle particelle in il programma di installazione.

Sistemi su chip sono spesso utilizzati per fabrications particella microfluidica poiché essi possono essere prodotte facilmente e sono fatti di un solo pezzo. Queste configurazioni, tuttavia, non solo mancano la necessaria regolabilità delle differenti temperature durante il flusso ma anche non sono abbastanza flessibili per scambiare facilmente parti rotte o intasati del microreattore. Quindi, le configurazioni basate su capillare che utilizziamo sono più adatte per la sintesi degli attuatori LCE, se soddisfano i requisiti cruciali.

A parte i nostri risultati presentati di azionamento Janus-particelle e micropompe core-shell, più complesso particelle di azionamento con nuove proprietà potrebbe essere sintetizzato in futuro e aprire nuove possibilità per le applicazioni morbide attuatore. L'ulteriore modifica delle particelle di Janus a particelle multi-sensible a reagire è già in corso. Di conseguenza, puntiamo per l'introduzione di un secondo polimero reattivo temperatura oltre l'azionamento LCE. Ulteriore possibilità per i nuovi progetti di particelle possono anche derivare da uso di liquidi cristallini azo-monomeri, che si traduce in attuazione della luce-driven LCE-particelle17,18. In tal caso, possiamo pensare di particelle di Janus contenente sia una temperatura-sensible a reagire così come una parte di foto di azionamento. La sintesi di particelle di luce-driven core-shell o tubo-come le strutture offre un'altra particella possibile design, che porterebbe a Micropompe foto-sensible a reagire. La modifica delle procedure di microfluidica di principio che abbiamo presentato qui sopra dovrebbe consentire una varietà di nuovi attuatori.

Disclosures

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Acknowledgments

Gli autori ringraziano la Fondazione di scienza tedesca per il finanziamento di questo lavoro (Ze 230/24-1).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

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References

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Hessberger, T., Braun, L. B., Serra, C. A., Zentel, R. Microfluidic Preparation of Liquid Crystalline Elastomer Actuators. J. Vis. Exp. (135), e57715, doi:10.3791/57715 (2018).

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