This work is supported by the NSF-EPSCoR (grant #0814194) and the Department of Bioengineering.

<html> 1. Ausrüstung Set-up <ol><li> Zubauen Abgabesystem und verbinden Ventilsteuerung und Spritzenkörper zum Pneumatikquelle über einen Druckregler, um den Druck auf 15 psi eingestellt, die Polymerlösung von der Nadelspitze mit einer Fließgeschwindigkeit von 2,45 ml / min abzugeben. </li><li> Legen Sie die 3-Achsen-Roboter und Abgabesystem in eine Wärmekammer, um eine stabile Arbeitsumgebung (Abbildung 2) zu gewährleisten. </li><li> Installieren Joint-Robot Control Points (JR-C-Punkte) Software, die vom Systemhersteller und schließen 3-Achs-Roboter mit einem Computer über serielle Schnittstelle. </li><li> Montieren Sie Zapfventil, um 3-Achsen-Roboter und installieren Nadelspitze auf das Ventil. </li><li> Richten Sie die Roboter-Bühne Platte nach den Richtlinien des Herstellers, um Flachheit in Bezug auf die Höhe der Ventilspitze 15 zu gewährleisten. </li><li> Bauen Sie ein Feedback-gesteuerte Heizung in dem Gehäuse, um das Klima hinzuzufügen. </li></ol>Inhalt &quot;fo: keep-together.within-page =&quot; always &quot;&gt; <img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig2.jpg" /> Abbildung 2. (A) 3-Achsen-Roboter mit Abgabe erforderliche Zubehör in einem Gehäuse untergebracht ist; und (B) Nahaufnahme Bild des Abgabeventils mit angeschlossenem USB-Mikroskop für die Visualisierung. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> 2. Experimentelle Materialien und Controlling Factors <ol><li> Steuern Faktoren und deren Kombination. <ol><li> Variieren von 1% Geschwindigkeit (5 mm / sec) Vorschubgeschwindigkeit bis zu 100% (500 mm / s), die von der JR C-Points-Software. Für diese Anwendung mit einem 2% Geschwindigkeit (10 mm / sec) auf die Herstellung Faserstrukturen in dieser Arbeit vorgestellt. </li><li> Vary Polymerlösung Konzentrationen auf bestimmte Viskosität, Oberflächenspannung und die Volatilität Parameter erforderlich zu erreichenzur gewünschten Anwendung. Für diese Anwendung verwenden eine 24% Polymethylmethacrylat (PMMA) in Chlorbenzol-Lösung, die in dieser Arbeit vorgestellten Faserstrukturen herzustellen. </li><li> Vary Steuerventil Abgabezeit von 0,02 s bis 1 s, um Lösungen über pneumatische Luft auszuwerfen. Für diese Anwendung verwenden, 0,02 sec, um die in dieser Arbeit vorgestellten Faserstrukturen herzustellen. </li><li> Wählen Sie einen Messgröße von hochpräzisen Nadelspitzen zu Polymerlösungen zu verzichten. Für diese Anwendung verwenden eine 30 G (Innendurchmesser (ID) = 152,4 um) Spitze, die in dieser Arbeit vorgestellten Faserstrukturen herzustellen. </li><li> Stellen Sie den Betriebstemperaturbereich zwischen 70 ° F bis 100 ° F in der thermisch isolierten Box, um eine konstante Verdampfungsrate der Polymerprobe zu erhalten. Für diese Anwendung verwenden, eine Temperatur von 70 ° F, die in dieser Arbeit vorgestellten Faserstrukturen herzustellen. </li></ol></li><li> Herstellung von Polymerlösungen. <ol><li> MischenPolymerharze von Polymethylmethacrylat (PMMA; 0,72 g) mit dem Lösungsmittel Chlorbenzol (2,28 g) unter einer chemischen Strömungshaube. </li><li> Berechnen des Gewichts des Polymers (PMMA) und deren Lösungsmittel (Chlorbenzol), um die gewünschte Konzentration des Polymers in Lösung zu erreichen. Für diese Anwendung verwenden eine 24% Polymethylmethacrylat (PMMA) in Chlorbenzol-Lösung, die in dieser Arbeit vorgeFaserStrukturen herzustellen. </li><li> Platzieren gewünschte Menge an Polymer-Pulver / Kunstharz in Glasfläschchen. Für diese Anwendung verwenden 0,72 g PMMA-Harz, um eine 24% ige Konzentration von PMMA zu erreichen. </li><li> Übertragen Sie Lösungsmittel auf Polymer innerhalb Fläschchen mit einer Pipette, bis die Gesamtgewicht von 3 g erreicht ist. </li><li> Mischen Sie das Fläschchen für 1 min auf dem Vortex-Schüttler und mit Ultraschall verarbeiten sie 5 Stunden, um das Polymerpulver / Harz vollständig zu lösen. </li><li> Überprüfen Sie die Transparenz der Lösungen, wenn es irgendeine Trübung oder Opazität zu Probe weiter, bis klar beschallen. </li></ol></li><li> Viskositätsmessung von Polymerlösungen. <ol><li> Measure Lösungsviskositäten über Kegel-Platte-Viskosimeter (zB LVDV-II + und RVDV-II +) 16. </li><li> Last 0,5 ml bekannter Viskosität Standardprobe (a Glycerinbasis und Wasser-Mischung), die vom Hersteller bereitgestellt Viskosimeter, das Viskosimeter, um Fehler bei den Viskositätsmessungen minimiert kalibrieren. Der Hersteller versorgte eine Vielzahl von Standard-Proben für die Kalibrierung des Viskosimeters. Verwenden Sie die Glycerin-basierten Standardprobe mit einer Viskosität von 100.000 cP. </li><li> Verbinden Sie Wassermantel zu Viskosimeter, um die Testflüssigkeit auf einem konstanten Betriebstemperatur zu halten. </li><li> Starten Testflüssigkeit Messung, indem Sie den Ein- / Ausschalter in die Position, um die Drehung der Spindel zu starten. Sobald der Wert des Drehmoments auf der Anzeigetafel stabilisiert hat, aufzeichnen das Drehmoment und die Berechnung der endgültigen Viskositäten unter Verwendung der Beziehung zwischen dem Drehmoment, Spindel Multiplizierer konstant und die Geschwindigkeit der Spindel 16 <img alt="Gleichung 1" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq1.jpg" /> wobei die Viskosität ist RPM die Drehzahl der Spindel auf Konus befestigt ist, ist die TK das Drehmoment (0,09373 für LVDV-II +, 1 für RVDV-II +) SMC ist die Spindel Multiplizierer Konstante, die von speziellen Spindel hängt während der Viskosität verwendet Messung. Für diese Studie wurde das CP-52 Spindel verwendet, die eine Spindel Multiplikatorkonstante von 9,83 hat. </li></ol></li><li> Oberflächenspannungsmessung von Polymerlösungen. <ol><li> Messverfahren bezieht sich auf die Wilhelmy-Technik. 14 </li><li> Zeigen 1 ml Testlösungen in einem Glasfläschchen auf eine hochauflösende Waage (Stufenauflösung = 0,001 g). Tauchen Sie einen Glasstab von bekannten Durchmesser in Testlösungen. </li><li> Kontrollieren Sie die Position der Stange über eine Servo- oder Schritt gesteuerte Linearantrieb zur Oberfläche berühren und teilweise in Testlösungen eintauchen mit Null-Kontakt. </li><li> Überwachung und Aufzeichnung der Änderung der Massenmessung auf die Waage, wennEntfernen Stange aus Lösung Oberfläche. </li><li> Berechnen der Oberflächenspannung von Kraftänderung, Umfang des Stabes und der Kontaktwinkel des Fluids an der Stange. <img alt="Gleichung 2" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq2.jpg" /> wo ist der benetzte Umfang der Stange (l = 10,05 mm Durchmesser = 3,2 mm), ist θ Kontaktwinkel von Flüssigkeit auf der Stange, ist F Kraftänderung aufgrund der Spannung der Testflüssigkeitsoberfläche an der Spitze der Stange. </li></ol></li><li> Stoffübergangskoeffizienten Messung von Lösungen. <ol><li> Messen Stoffübergangskoeffizienten von Polymerlösungen durch thermogravimetrische Analyse. 14 </li><li> Last 30 ul der 24% (nach Gewicht) PMMA Polymerlösung auf einer Platinplatte vor der Tarierung der Waage. </li><li> Entlüftungskammerprogramm das Gerät auf die gewünschte Arbeitstemperatur (70 ° F) für 2 h durchgeführt, um Masse von der Ziellösungen zu überwachen. </li><li> Berechnen Sie die Stoffübergangskoeffizienten durch Änderungen in der Masse der Lösung,Fläche Lösung / Luft-Grenzfläche und Dichte. <img alt="Gleichung 3" src="/files/ftp_upload/52834/52834eq3.jpg" /> wobei m (t) die Masse der PMMA-Lösungen, A die Fläche der Lösung / Luft-Grenzfläche (entspricht 78,5 mm 2 für Standardplatte) ist mPOLYMER die Polymermasse in der Lösung und die Dichte der Lösung. </li></ol></li></ol> 3. mit Direktschreibversuchsdurchführung <ol><li> Spendersystem Probenbeladung Protokoll. <ol><li> Last 3 ml Polymerlösung in den Spritzenzylinder, legen Kolbens in den Spritzenzylinder zu inkonsistenten Druckluftverteiler eliminieren. </li><li> Drehen Sie die Einlassleitung Adapter auf dem Spritzenzylinder, schließen Sie es an die Source-Leitung Luftschlauch. </li><li> Wählen Sie die gewünschte Messgröße der Präzisionsnadelspitze zu Experiment durchzuführen. </li><li> Auf der Ausgabe Controller Panel, wechseln in den Zustand zu reinigen und klicken Sie auf &quot;Zyklus&quot;, um das Ausgabeventil mit Polymer so zu füllensung, bis von der Nadelspitze ausgestoßen. </li><li> Wischen Restpolymerlösung von der Spitze in der Vorbereitung einer programmierten Faserschreibprozedur. </li></ol></li><li> Direktschreibpolymerfasern mit 3-Achsen-Roboter und Ausgabesystem. <ol><li> Bestimmen Sie den Roboter Stufe versetzt, um die Spitze der Dosiernadel aus der Standard-Ausgangsposition in die Initiationspunkt der vorgeschriebenen Mikro- / Sub-Mikrometer Faserstruktur neu gezeichnet werden soll. Mount ein USB-Mikroskop (Vergrößerung = 200X) zur Abgabesystemventil Halterung, die sich entlang der Z-Achse übersetzt. Auf der Spenderspitze eine manuelle Fokussierung durch Einstellen der Fokussierknopf auf dem USB-Mikroskop, das in genauer Positionierung der Ventilspitze auf die gewünschte Stelle, vorgefertigten Substrats oder Gerät erleichtern. </li><li> Erstellen / Design der gewünschten Faserstrukturmuster (Figuren 3A, 4A und 5A) mit Hilfe eines CAD-Softwarepaket. Eingabe der räumlichen Koordinaten (x, y, z) in der Robot JR-C Steuerungssoftware für alle Einleitung und Beendigung Punkte in sequentieller Reihenfolge in Bezug auf das gewünschte Muster in dem CAD-Programm (3B, 4B und 5B) erstellt. 15 </li><li> Bringen Sie das ausgefüllte Faserstruktur-Design-Programm vom Computer an den Roboter, indem Sie auf &quot;senden C &amp; T Data&quot; unter dem Robot-Menü innerhalb der JR-C-Software 15. </li><li> Last 3 ml PMMA Lösungsprobe bekannter Konzentration (24%) in den Spritzenzylinder, Spülventil und Nadel gesetzt alle Ausgabeparameter für die Ventilsteuerung und Robotersteuersoftware. </li><li> Zeigen vorgefertigten Substrat, auf dem Roboter Bühne Platte, schließen Sie die thermische Gehäusetüren auf Umgebungsluftstrom, der instabilen Verdampfen der Polymerlösung auslösen können zu vermeiden. </li><li> Schreiben beginnen die Fasern auf das Substrat, indem Sie auf den Roboter-Menü von der JR-C-Software und wählen Sie &quot;Test läuft&quot; 15. </li><li> DC-Sputter-Beschichtung eines leitfähigen Goldmetallschicht für 2 min, bis eine 2 nm dicke Goldschicht auf die gezogenen Fasern aufgebracht, um die Visualisierung der Fasern in dem Rasterelektronenmikroskop ermöglichen. </li><li> Der Durchmesser und die Struktur der Fasern mittels Rasterelektronenmikroskop 17. Mikroskopparameter: Hochspannungsebene: 2.00 kV; Ziel: InLens, Arbeitsabstand (9,0 mm). </li></ol></li><li> Führen Sie das Dosiersystem Reinigungsverfahren unter einer chemischen Flow-Haube. <ol><li> Legen Sie das Dosiersystem in einer chemischen Flow-Haube, um den Reinigungsvorgang durchzuführen. </li><li> Zerlegen Nadelventil nach dem Protokoll des Herstellers. </li><li> Ort alle Metallteile in ein Becherglas gießen Aceton in den Becher bis alle Teile eintauchen. </li><li> Becherglas in einem Ultraschallbad für 30 Minuten, um alle Polymerreste zu entfernen. </li><li> Sie alle Teile unter fließendem DI Wasser spülen, dann verwenden Sie Luftpistole, um sie trocken zu blasen. </li></ol></<html> li&gt; </ol><img alt="Figur 3" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig3.jpg" /> Abbildung 3. (A) Beispiel entwickelt &quot;quad&quot; Web-Struktur auf einem 10 mm x 10 mm Rahmen, (B) sequentiellen Punkt-zu-Punkt-Raum Anweisungen in JR C-Punkt-Software eingegeben werden. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um einen Blick Größere Version der Figur.</a> <img alt="Figur 4" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig4.jpg" /> Abbildung 4 (A) Beispiel entwickelt &quot;symmetrisch&quot; Web-Struktur auf einem 10 mm x 10 mm Rahmen, (B) sequentiellen Punkt-zu-Punkt-Raum Anweisungen in JR C-Punkt-Software eingegeben werden.blank &quot;&gt; Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. <img alt="Figur 5" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig5.jpg" /> Abbildung 5 (A) Beispiel entwickelt &quot;Dual Chevron&quot; Web-Struktur auf einem 10 mm x 10 mm Rahmen, (B) sequentiellen Punkt-zu-Punkt-Raum Anweisungen in JR C-Punkt-Software eingegeben werden. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig5large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um zu sehen eine größere Version dieser Figur.</a>

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	<li>Andrew, K. E., Glenn, D. P., Simon, M. C., Dietmar, W. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Combining+Electrospun+Scaffolds+with+Electrosprayed+Hydrogels+Leads+to+Three-Dimensional+Cellularization+of+Hybrid+Constructs.">Combining Electrospun Scaffolds with Electrosprayed Hydrogels Leads to Three-Dimensional Cellularization of Hybrid Constructs.</a> Biomacromolecules. 9 (8), 2097-2103 (2008).</li><li>Cho, S. M., Kim, Y. J., Kim, Y. S., Yang, Y., Ha, S. -. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+application+of+carbon+nanotube-polymer+composite+as+gas+sensing+materials.+Sensors.">The application of carbon nanotube-polymer composite as gas sensing materials. Sensors.</a> Proc. of IEEE. 2, 701-704 (2004).</li><li>Xu, F., Horak, P., Brambilla, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+microfiber+coil+resonator+refractometric+sensor.">Optical microfiber coil resonator refractometric sensor.</a> Optics Express. 15 (12), 7888-7893 (2007).</li><li>Dalton, P. D., Joergensen, N. T., Groll, J., Moeller, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Patterned+melt+electrospun+substrates+for+tissue+engineering.">Patterned melt electrospun substrates for tissue engineering.</a> Biomed. Mater. 3 (3), 034109 (2008).</li><li>Hadjizadeh, A., Doillon, C. J., Vermette, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bioactive+polymer+fibers+to+direct+endothelial+cell+growth+in+a+three-dimensional+environment.">Bioactive polymer fibers to direct endothelial cell growth in a three-dimensional environment.</a> Biomacromolecules. 8 (3), 864-873 (2007).</li><li>Xu, C. Y., Inai, R., Kotaki, M., Ramakrishna, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Aligned+biodegradable+nanofibrous+structure:+a+potential+scaffold+for+blood+vessel+engineering.">Aligned biodegradable nanofibrous structure: a potential scaffold for blood vessel engineering.</a> Biomaterials. 25 (5), 877-886 (2004).</li><li>You, Y. M., Lee, B. L. e. e. S. J., Lee, T. S., Park, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vitro+degradation+behavior+of+electrospun+polyglycolide,+polylactide,+and+poly(lactide-co-glycolide).">In vitro degradation behavior of electrospun polyglycolide, polylactide, and poly(lactide-co-glycolide).</a> J. Appl. Polym. Sci. 95 (2), 193-200 (2005).</li><li>Berry, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Endothelial+cell+scaffolds+generated+by+3D+direct+writing+of+biodegradable+polymer+microfibers.">Endothelial cell scaffolds generated by 3D direct writing of biodegradable polymer microfibers.</a> Biomaterials. 32 (7), 1872-1879 (2011).</li><li>Dalton, A. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Super-tough+carbon-nanotube+fibres.">Super-tough carbon-nanotube fibres.</a> Nature. 423, 703 (2003).</li><li>Dalton, A. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Continuous+carbon+nanotube+composite+fibers:+properties,+potential+applications,+and+problems.">Continuous carbon nanotube composite fibers: properties, potential applications, and problems.</a> J. Mater. Chem. , 1-3 (2004).</li><li>Sperling, L. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Introduction to physical polymer science. , 325-347 (1992).</li><li>Harfenist, S. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+drawing+of+suspended+filamentary+micro-+and+nanostructures+from+liquid+polymers.">Direct drawing of suspended filamentary micro- and nanostructures from liquid polymers.</a> Nano. Lett. 4 (10), 1931-1937 (2004).</li><li>Yang, R. R., He, J. H., Xu, L., Yu, J. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bubble-electrospinning+for+fabricating+nanofibers.">Bubble-electrospinning for fabricating nanofibers.</a> Polymer. 50 (24), 5846-5850 (2009).</li><li>Berry, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+and+modeling+of+direct-write+fabrication+of+microscale+polymer+fibers.">Characterization and modeling of direct-write fabrication of microscale polymer fibers.</a> Polymer. 52 (7), 1654-1661 (2011).</li><li>. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Janome Desktop Robot JR2000N Series Operation Manual. , (2007).</li><li>. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Brookfield DV-II+ Programmable Viscometer Operating Manual, Manual No. M/97-164-B299. , (1999).</li><li>Flegler, S. L., Heckman, J. W., Klomparens, K. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Scanning and transmission electron microscopy : an introduction. , (1993).</li><li>Berry, S. M., Pabba, S., Cohn, R. W., Keynton, R. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct-Write+Drawing+of+Carbon+Nanotube/Polymer+Composite+Microfibers.">Direct-Write Drawing of Carbon Nanotube/Polymer Composite Microfibers.</a> J. Nanomater. 2012, 1-8 (2012).</li><li>Berry, S. M., Roussel, T. J., Cambron, S. D., Cohn, R. W., Keynton, R. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+of+suspended+electrokinetic+microchannels+from+directly-written+sacrificial+polymer+fibers.">Fabrication of suspended electrokinetic microchannels from directly-written sacrificial polymer fibers.</a> Microfluid. Nanofluid. 13, 451-459 (2012).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

Vor dem Versuch jeden Versuch, ist es entscheidend, daß die Viskosität, Massenübertragungskoeffizienten und Oberflächenspannungstest der Polymerlösungen genau, um zu bestimmen, ob der Roboter und Abgabesystem, das zur Verarbeitung des gewünschten Polymers ist, gemessen werden. Wie zuvor von unserer Arbeitsgruppe beschrieben, muß die Polymerlösungen behalten ausreichende: 1) Oberflächenspannung die Bildung von Flüssigkeitsfäden in Mikron / Submikron-Strukturen ermöglichen; 2) Viskosität zu widerstehen Kapillare aufzubrechen; und 3) Verdampfungsrate zu verbessern Faserverfestigungs 18. Die Synergie zwischen diesen Parametern ist der Schlüssel zu Fasern über einen bestimmten Durchmesserbereich erfolgreich zu produzieren. Gleichzeitig, Instabilität in einer dieser Parameter wird die Bildung von Mikrometer / Submikron-Maßstab Fasern. Um die Synergie zwischen diesen Parameter während der Faserherstellung zu erhalten, ist es wichtig, sicherzustellen, dass die Nadel und das Nadelventil gründlich nach einer Direktschreib s gereinigtession zu verhindern: 1) Verunreinigung der Lösung; 2) eine Verringerung der Polymerlösung Strömungsrate durch die Nadel; und 3) übermäßiges Wachstum der Polymerpartikel an der Spitze der Nadel. Darüber hinaus muss die Temperatur-Steuerung der Heizung auf die gewünschte Temperatur eingestellt, um eine konstante Verdampfungsrate der Polymerlösung zu halten. Der gegabelte Zweig Fasern waren 59%, 41% und 24% im Durchmesser größer als der der Tragstrukturen in den Figuren 6-8, die jeweils mit dem 24% PMMA-Lösung. Dies ist hauptsächlich auf die Entfernung, in welcher die Fasern gezogen werden. Insbesondere werden die Stützstrukturen über die gesamte Breite des Substrats gezogen (10,0 mm in X- und Y-Richtungen; 14,4 mm diagonal). Als Ergebnis sind die längsten Fasern der Gesamthängekonstruktionen. Die gegabelten Zweig Strukturen sind deutlich kürzer, angefangen von 7 mm maximale Länge bis zu 2,5 mm. Diese kürzere Faserziehlänge tut nichtt effektiv die Faserdehnung während des Faserausdünnungsprozess erforderlich, um die Fasern mit kleinem Durchmesser herzustellen induzieren. Auf der anderen Seite werden die Drähte mit größerem Durchmesser erforderlich, um als Trägerfasern, um das Zerren und Verformung während des gegabelten Zweig Ziehprozesses induzierten effektiv aufrecht zu dienen. Zur Bifurkation Zweige sind über die Stützfasern gezogen wird, kann eine Umgestaltung des Tragfasergeometrie aufgrund der Zugkräfte sowie eine lokalisierte Auflösung des PMMA-Polymer an der Grenzfläche zwischen dem Träger und verzweigte Fasern aus dem Lösungsmittel in die auftreten, Polymerlösung. Somit kann in einigen Fällen, müssen die Stützfasern aus einer Polymerlösung, bestehend aus einer höheren Konzentration von Polymer zu größeren Durchmesser und mechanisch stärkeren Fasern hergestellt werden. Es gibt vor allem drei effektivsten Methoden zur Veränderung der bestehenden Protokoll, um ein breiteres Spektrum von Unterstützung und verzweigte Faser erzeugenDurchmesser: 1) das Polymer aus einem größeren Nadelspitze zunächst verzichtet werden (beispielsweise 25 G, ID = 254 um), um die Trägerfasern zu erzeugen, und dann gegen eine kleinere Nadelspitze (zB 32 G; ID = 101,6 &amp; mgr; m) herzustellen die kleineren verzweigten Fasern; 2) wie oben erwähnt, verwenden mehrere Polymerkonzentrationen; und / oder 3) Einstellung der Zufuhrrate, das heißt die Geschwindigkeit, mit der die Bühne durchquert, wobei eine Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit erzeugt Fasern mit kleinerem Durchmesser und eine Verringerung der Vorschubgeschwindigkeit erzeugt Fasern mit grßerem Durchmesser. Bis heute haben wir in der Lage, erfolgreich zu Fasern so klein herzustellen als 90 nm; jedoch die Faserausbeute bei dieser Dimension ist aufgrund der kapillaren Trennung. Eine Einschränkung des automatischen Direktschreibverfahren ist, daß nur eine Konzentration der Polymerlösung kann zu einem Zeitpunkt ausgegeben werden. Dies begrenzt die Komplexität der suspendierten Strukturen ohne entwickelt werden: 1) in einem zweiten Abgabeventil zu dem Roboter;oder, 2) Entfernen Sie die vorhandene Ventil und führen Sie die Reinigungsprotokoll (Abschnitt 3.4) vor der Abgabe der zweiten Polymerlösung, die zusätzliche Zeit in Anspruch nimmt. Eine zweite Einschränkung ist, die Vorschubgeschwindigkeit (oder die Druckgeschwindigkeit), wobei die maximale Vorschubrate, die das System in der Lage ist, das Erreichen von 500 mm / sec. Jedoch gibt es einen Kompromiss zwischen Vorschubgeschwindigkeit und der Faserbildung. Insbesondere dann, wenn die Trägheitskräfte (Kräfte aufgrund der Vorschubgeschwindigkeit) größer als der Oberflächenspannungskräfte und Verdunstungsrate der Polymerlösung gibt, die Faserbildung nicht auftritt. Andererseits, wenn die Zufuhrrate zu gering ist, Fasern aufgrund einer übermäßigen Verdampfung vor und während des Reckvorganges brechen. Drittens sind die Faserstruktur und Abmessungen an den Arbeitsbereich der Stufe des Roboters, das heißt, 200 mm, 200 mm und 25 mm (mit einem 10 &amp; mgr; m Positionsgenauigkeit) in der x-, y- und z-Richtung begrenzt sind. Dennoch hat dieser Prozess ermöglichen die Bildung von hohem Aspektverhältnis (Faser length: Durchmesser) Fasern. Strategisch Variieren der Abgabespitze Größe und die Konzentration der Polymerlösung wäre für einen breiteren Bereich Faserdurchmesser zu ermöglichen, die Schaffung der Möglichkeit, frei hängenden Strukturen höherer Komplexität zu erzeugen. Durch Befolgung der Protokolle oben angegeben, können Mikrometer und Submikrometer-Durchmesser-Polymerfasern mit hoher räumlicher Kontrolle durch die Ausnutzung der Oberflächenspannung angetriebenen Fluidmechanik der Polymerlösungen, die nicht mit anderen Nass-, Trocken- oder Elektrospinnverfahren gesteuert werden kann, erzeugt werden, . Aus dem Stand der Arbeit 8,19 wissen wir, dass diese Technik verwendet werden, um komplizierte Mikro- / Submikron-Fluidik-Einrichtungen 19 und biotechnisch hergestellten Gerüste 8 herzustellen. Diese billige und einfache Methode hat ihre eigenen Vorteile gegenüber herkömmlichen Herstellungsverfahren Hobel in vielerlei Hinsicht.

In den letzten Jahrzehnten eine Vielzahl von Herstellungstechniken, wie Nassspinnen, Trockenspinnen und Elektrospinnen, wurden eingesetzt, um neue Polymerfaserstrukturen mit vielfältigen und robust biologische, chemische, elektrische und mechanische Eigenschaften 1-12 erstellen. Obwohl diese Spinntechniken erzeugen können suspendiert dreidimensionale Fasern, sind sie in ihrer Fähigkeit zur Faserausrichtung präzise Steuerung in drei Dimensionen, da Faserablage über diese Prozesse sind in der Natur zufällig beschränkt. Darüber hinaus sind diese Techniken in ihrer Abmessungsbereich zur Faserherstellung beschränkt ist; Insbesondere durch Nass- und Trockenspinnen hergestellten Fasern variieren im Durchmesser von einigen zehn bis hundert Mikrometer, während das Elektro liefert Fasern mit Durchmessern von einigen zehn Nanometern auf einer einzigen 13 Mikron. Um eine genauere Steuerung der Faserorientierung in 3-D-Raum zu bieten, eine Eigenentwicklung unserer Gruppe-assemble oder &quot;Direktschreib&quot; Faserherstellungsverfahren, die direkt wirft ein Polymermaterial aus einem hohlen Kapillare und dann zieht einzelnen Filamenten, die dünn und unter Ausnutzung der Oberflächenspannung angetriebenen Strömungsmechanik 14 in vorhersehbaren Faserdurchmesser zu verfestigen. Unsere ersten Direktschreibsystem zur Erhöhung der Kontrolle der Faserposition und Durchmesser bestand aus einer individuell gefertigter gefederte Kartuschen an der Spitze einer nach Maß Ultra High Precision Mikrofräsen Machine (Abbildung 1) angebracht ist. Die UHPMM hatte eine Stufe mit einer Positionsauflösung von 1,25 nm in der X und Y-Richtung und 20 nm in Z-Richtung, die programmatisch gesteuert wurde Mikron und Submikron-Maßstab Drähte und Strukturen zu schaffen. Eine Einschränkung dieses bestimmten Direktschreibsystem war das Fehlen von Flusskontrolle der Polymerlösung durch die Nadelspitze. Obwohl die gefederte Dosiersystem erfolgreich generiert konstant flow durch die Spitze wurde ein kontinuierlich erweitert kugelförmigen Wulst aus Polymerlösung am Auslaß der Spritzenspitze, die in Größe und Volumen in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen variiert erstellt. <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig1.jpg" /> Abbildung 1. Foto von Ultra High Precision Mikrofräsen Machine:. Die erste Direktschreibsystem bei der Herstellung von Mikrometer / Sub-Mikron-Skala Strukturen beschäftigt <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> Die Inkonsistenz dieser Quelle Wulst beeinflusst die Fähigkeit des Systems, um wiederholt zu fertigen Drähte eines vorgegebenen Durchmessers. Wenn auch Strukturen wurden erfolgreich mit diesen Direktschreibverfahren erzeugt würden Verbesserung des Verfahrens durch Erhöhung der Steuerung des Durchflusses des Polymerlösung für mehr preci ermöglichense, vorgeschriebenen Faserdurchmesser durch Regulierung der Größe der Kügelchen an der Spitze der Spritze. So beschreibt diese Arbeit die Durchführung einer 3-Achsen-automatisierten Abgabesystem mit pneumatisch betätigten Abgabeventil genau zu steuern, die Polymerlösung Flussrate und Kopfperle Größe der vorgeschriebenen create, micron / Sub-Mikrometer-Strukturen aufgehängt.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0">
	<colgroup>
		<col span="2" />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr>
			<td>ROBOT DR2203N 3 AXES 200MM X 200MM</td>
			<td>Nordson EFD</td>
			<td>7023145</td>
			<td>3-Axis Robot</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CONTROLLER 7100, DISPENSE VALVE</td>
			<td>Nordson EFD</td>
			<td>7015340</td>
			<td>Valve Controller</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MICRODOT VALVE</td>
			<td>Nordson EFD</td>
			<td>7021233</td>
			<td>Microdot Valve</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ROBOT ACC FIXTURE PLATE 200MM</td>
			<td>Nordson EFD</td>
			<td>7028276</td>
			<td>Fixture Platen</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ROBOT ACC DRN / DSRN POINTS SOFTWAR</td>
			<td>Nordson EFD</td>
			<td>7023144</td>
			<td>JR-C Software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ROBOT MOUNT VALVE UNIVERSAL</td>
			<td>Nordson EFD</td>
			<td>7028273</td>
			<td>Microdot Valve Mount</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>15 PSI BARREL PRESS. REGULATOR</td>
			<td>Nordson EFD</td>
			<td>7020585</td>
			<td>Barrel Regulator</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>KIT O BRL/PIST 5CC CL/WH 40</td>
			<td>Nordson EFD</td>
			<td>7012096</td>
			<td>5CC Barrels with Pistons</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ADAPTER ASM O 5CC BL</td>
			<td>Nordson EFD</td>
			<td>7012054</td>
			<td>Pneumatic Barrel Adapter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TIP 30GA .006X.25 LAVNDR 50PC</td>
			<td>Nordson EFD</td>
			<td>7018424</td>
			<td>30 GA Needle Tip (0.250&#34; length)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electric Baseboard Heater (500W, 30&#34; length)</td>
			<td>Cadet</td>
			<td>2F500</td>
			<td>Heater</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Temperature Controller with Timer</td>
			<td>Control Company</td>
			<td>130726596</td>
			<td>Temperature Controller</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>eScope USB Microscope</td>
			<td>OiTez</td>
			<td>DP-M02</td>
			<td>200X USB Microscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Poly(methyl methacrylate)</td>
			<td>Aldrich</td>
			<td>182265-500G</td>
			<td>PMMA Powder</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Chlorobenzene</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>284513</td>
			<td>Solvent to dissolve PMMA</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

prescribed 3-d direct writing of suspended micron/sub-micron scale fiber structures via a robotic dispensing system

A 3-axis dispensing system is utilized to control the initiating and terminating fiber positions and trajectory via the dispensing software. The polymer fiber length and orientation is defined by the spatial positioning of the dispensing system 3-axis stages. The fiber diameter is defined by the prescribed dispense time of the dispensing system valve, the feed rate (the speed at which the stage traverses from an initiating to a terminating position), the gauge diameter of the dispensing tip, the viscosity and surface tension of the polymer solution, and the programmed drawing length. The stage feed rate affects the polymer solution&#8217;s evaporation rate and capillary breakup of the filaments. The dispensing system consists of a pneumatic valve controller, a droplet-dispensing valve and a dispensing tip. Characterization of the direct write process to determine the optimum combination of factors leads to repeatedly acquiring the desired range of fiber diameters. The advantage of this robotic dispensing system is the ease of obtaining a precise range of micron/sub-micron fibers onto a desired, programmed location via automated process control. Here, the discussed self-assembled micron/sub-micron scale 3D structures have been employed to fabricate suspended structures to create micron/sub-micron fluidic devices and bioengineered scaffolds.

Bilder von den tatsächlichen über den 3-Achs-Roboter und Direktschreibverfahren für jede der jeweiligen Motive und JR C-Punkt-Algorithmen in den 3-5A &amp; B oben definiert erzeugten Strukturen sind in den Figuren 6A, 7A und 8A gezeigt ist. Wie in den resultierenden Bildern ersichtlich ist, dreidimensionale, frei hängenden Fasern wurden erfolgreich &quot;geschrieben&quot; auf die Substrate durch genaues Manipulieren der Spenderspitze zu vorgeschriebenen räumlichen Orten einschließlich des initiierenden / Abschlußpunkte sowie die Schnittpunkte sind. Die Einschübe dieser Zahlen vergrößern die Schnittpunkte von suspendierten Fasern, die die Fähigkeit des Systems, um genau zu steuern, Faserorientierung (6B, 7B und 8B) in 3D-Raum zu demonstrieren. <img alt="Figur 6" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig6.jpg" /> Abbildung 6. (A) Op<html> tische Bild hergestellt &quot;quad&quot; ausgesetzt Bahnstruktur mit 2 Stützfasern (Diagonalen) und 12 gabelförmig verzweigte PMMA Fasern (15X optische Vergrößerung, Maßstab = 1 mm), (B) SEM-Bild einer einzigen gegabelten Faser (289x Vergrößerung, Skala bar = 100 &amp; mgr; m). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig6large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 7" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig7.jpg" /> Abbildung 7 (A) Optische Aufnahme hergestellt &quot;symmetrisch&quot; suspendiert Web-Struktur mit 1 Tragfaser (horizontal) und 11 gabelförmig verzweigte PMMA Fasern (15X optische Vergrößerung, Maßstab = 1 mm), (B) SEM-Bild einer einzigen gegabelten Faser (107x Vergrößerung, Maßstab = 100 &amp; mgr; m).52834fig7large.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. <img alt="8" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig8.jpg" /> Abbildung 8 (A) Optische Aufnahme hergestellt &quot;Dual Chevron&quot; suspendiert Web-Struktur mit 1 Tragfaser (horizontal) und 22 gabelförmig verzweigte PMMA Fasern (15X optische Vergrößerung, Maßstab = 1 mm), (B) SEM-Bild einer einzigen gegabelten Faser. (80X Vergrößerung, Maßstab = 100 &amp; mgr; m) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig8large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> Abbildung 9 zeigt die Nahaufnahme von der sequentiellen Punkt-zu-Punkt-Reihenfolge der Faserherstellung, bei der die 3-Achsen-Roboter und Ausgabesystem können die freihängend bahnförmigen Strukturen zu erzeugen. Die p<html> olymer Kontaktstellen mit Zahlen angezeigt entsprechen dem programmierten initiierende und Abschlußpunkte in der JR-C-Software oben in 3B Bezug genommen. Die Pfeile stellen Robotertrajektorie. Abbildung 10 zeigt Mikron und Submikron-Polymerfasern, die die Fähigkeit des Direktschreibsystem, um Drähte in unterschiedlichen Größen herzustellen demonstriert. <img alt="9" src="/files/ftp_upload/52834/52834fig9.jpg" /> Abbildung 9. SEM-Bild, das den sequentiellen Punkt-zu-Punkt-Fertigung, um zum Zeichnen der Mikron und Submikron-Polymerfasern (29X Vergrößerung, Maßstab = 200 &amp; mgr; m). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig9large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> 2834 / 52834fig10.jpg &quot;/&gt; Abbildung 10. REM-Aufnahme des Mikrometer (6,5 um) und Sub-Mikrometer (555 nm) mit einer Konzentration von 20% PMMA Polymerlösung gezogenen Fasern. (2,270X Vergrößerung, Maßstab = 2 &amp; mgr; m) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52834/52834fig10large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version zu sehen diese Zahl.</a> Polymerfaserlänge und Durchmesser wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie 2 zeigt die Polymerparameter, die gemessen wurden, gemessen. Tabelle 1 zeigt die durchschnittliche Drahtdurchmesser für jede einzigartige Struktur in Figuren 6-8 oben entsprechend den gegabelten Verzweigungsfasern und Trägerfasern dargestellt. Tabelle von den 24% PMMA-Lösungen, die verwendet wurden, um die oben erwähnten Strukturen herzustellen. <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td></td><td> Struktur Durchmesser in 6</td><td> Struktur Durchmesser in 7 </td><td> Struktur Durchmesser in 8 </td></tr><tr><td> Stützfasern </td><td> 8,65 ± 1,43 &amp; mgr; m </td><td> 9,39 ± 1,23 &amp; mgr; m </td><td> 9,31 ± 1,65 um </td></tr><tr><td> Zweigfasern </td><td> 20.96 ± 3.35 &amp; mgr; m </td><td> 15,92 ± 1,44 &amp; mgr; m </td><td> 12.24 ± 5.42 &amp; mgr; m </td></tr></tbody></table> Tabelle 1. Mittlere Durchmesser der suspendierten Träger und Zweigfasern in den Figuren 6-8 für eine 24% PMMA-Lösung gezeigt. <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td></td><td> 24% PMMA </td></tr><tr><td> Viskosität (Pa · s) </td><td> 35,19 </td></tr><tr><td> Oberflächenspannung (mN / m) </td><td> 262,01 </td></tr><tr><td&gt; Stoffübergangskoeffizienten (m / sec) </td><td> 8,59 x 10 -8 </td></tr></tbody></table> Tabelle 2 Polymer-Parameter der 24% PMMA-Lösungen, die verwendet wurden, um die in dieser Arbeit vorgeFaserStrukturen herzustellen.

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Prescribed 3-D Direct Writing of Suspended Micron/Sub-micron Scale Fiber Structures via a Robotic Dispensing System

Hier stellen wir ein Protokoll frei aufgehängten, Mikron / Sub-Mikrometermaßstab Polymerfasern und Strukturen &quot;web-like&quot; durch automatische Direktschreibverfahrens mittels einer 3-Achsen-Ausgabesystem erzeugten fertigen.

Vorgeschriebene 3-D direkte Schreiben von Hänge Micron / Sub-Mikrometer-Maßstab Faserstrukturen über eine Robotic Dosiersystem

A 3-axis dispensing system is utilized to control the initiating and terminating fiber positions and trajectory via the dispensing software. The polymer ...

prescribed-3-d-direct-writing-suspended-micronsub-micron-scale-fiber

Research

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Engineering

7.9K Aufrufe.  University of Louisville.  Hier stellen wir ein Protokoll frei aufgehängten, Mikron / Sub-Mikrometermaßstab Polymerfasern und Strukturen "web-like" durch automatische Direktschreibverfahrens mittels einer 3-Achsen-Ausgabesystem erzeugten fertigen. 

Serie: Prescribed 3-D Direct Writing of Suspended Micron/Sub-micron Scale Fiber Structures via a Robotic Dispensing System

Fabrication of Uniform Nanoscale Cavities via Silicon Direct Wafer Bonding

Measurements of the heat capacity and superfluid fraction of confined 4He have been performed near the lambda transition using lithographically patterned and bonded silicon wafers. Unlike confinements in porous materials often used for these types of experiments3, bonded wafers provide predesigned uniform spaces for confinement. The geometry of each cell is well known, which removes a large source of ambiguity in the interpretation of data.
Exceptionally flat, 5 cm diameter, 375 &#181;m thick Si wafers with about 1 &#181;m variation over the entire wafer can be obtained commercially (from Semiconductor Processing Company, for example). Thermal oxide is grown on the wafers to define the confinement dimension in the z-direction. A pattern is then etched in the oxide using lithographic techniques so as to create a desired enclosure upon bonding. A hole is drilled in one of the wafers (the top) to allow for the introduction of the liquid to be measured. The wafers are cleaned2 in RCA solutions and then put in a microclean chamber where they are rinsed with deionized water4. The wafers are bonded at RT and then annealed at ~1,100 &#176;C. This forms a strong and permanent bond. This process can be used to make uniform enclosures for measuring thermal and hydrodynamic properties of confined liquids from the nanometer to the micrometer scale.

A method for permanently bonding two silicon wafers so as to realize a uniform enclosure is described. This includes wafer preparation, cleaning, RT bonding, and annealing processes. The resulting bonded wafers (cells) have uniformity of enclosure ~1%1,2. The resulting geometry allows for measurements of confined liquids and gasses.

Herstellung von uniformen Nanoschuppen-Cavities über Silicon Direct Wafer Bonding

Measurements of the heat capacity and superfluid fraction of confined 4He have been performed near the lambda transition using lithographically patterned ...

Forschung

Ingenieurwesen

Writing and Low-Temperature Characterization of Oxide Nanostructures

Oxide nanoelectronics is a rapidly growing field which seeks to develop novel materials with multifunctional behavior at nanoscale dimensions. Oxide interfaces exhibit a wide range of properties that can be controlled include conduction, piezoelectric behavior, ferromagnetism, superconductivity and nonlinear optical properties. Recently, methods for controlling these properties at extreme nanoscale dimensions have been discovered and developed. Here are described explicit step-by-step procedures for creating LaAlO3/SrTiO3 nanostructures using a reversible conductive atomic force microscopy technique. The processing steps for creating electrical contacts to the LaAlO3/SrTiO3 interface are first described. Conductive nanostructures are created by applying voltages to a conductive atomic force microscope tip and locally switching the LaAlO3/SrTiO3 interface to a conductive state. A versatile nanolithography toolkit has been developed expressly for the purpose of controlling the atomic force microscope (AFM) tip path and voltage. Then, these nanostructures are placed in a cryostat and transport measurements are performed. The procedures described here should be useful to others wishing to conduct research in oxide nanoelectronics.

Oxide nanostructures provide new opportunities for science and technology. The interfacial conductivity between LaAlO3 and SrTiO3 can be controlled with near-atomic precision using a conductive atomic force microscopy technique. The protocol for creating and measuring conductive nanostructures at LaAlO3/SrTiO3 interfaces is demonstrated.

Schreiben und Niedertemperatur-Charakterisierung von Nanostrukturen

Oxide nanoelectronics is a rapidly growing field which seeks to develop novel materials with multifunctional behavior at nanoscale dimensions.  Oxide ...

Writing Bragg Gratings in Multicore Fibers

Fiber Bragg gratings in multicore fibers can be used as compact and robust filters in astronomical and other research and commercial applications. Strong suppression at a single wavelength requires that all cores have matching transmission profiles. These gratings cannot be inscribed using the same method as for single-core fibers because the curved surface of the cladding acts as a lens, focusing the incoming UV laser beam and causing variations in exposure between cores. Therefore we use an additional optical element to ensure that the beam shape does not change while passing through the cross-section of the multicore fiber. This consists of a glass capillary tube which has been polished flat on one side, which is then placed over the section of the fiber to be inscribed. The laser beam enters the fiber through the flat surface of the capillary tube and hence maintains its original dimensions. This paper demonstrates the improvements in core-to-core uniformity for a 7-core fiber using this method. The technique can be generalized to larger multicore fibers.

We describe a technique for inscribing identical fiber Bragg gratings into each core of a multicore fiber. This is achieved by introducing an additional surface into the optical path to mitigate lensing by the curved surface of the fiber cladding.

Schreiben-Bragg-Gitter in Multicore- Fibers

Fiber Bragg gratings in multicore fibers can be used as compact and robust filters in astronomical and other research and commercial applications. Strong ...

A Robotic Platform to Study the Foreflipper of the California Sea Lion

The California sea lion (Zalophus californianus), is an agile and powerful swimmer. Unlike many successful swimmers (dolphins, tuna), they generate most of their thrust with their large foreflippers. This protocol describes a robotic platform designed to study the hydrodynamic performance of the swimming California sea lion (Zalophus californianus). The robot is a model of the animal&#39;s foreflipper that is actuated by motors to replicate the motion of its propulsive stroke (the &#39;clap&#39;). The kinematics of the sea lion&#39;s propulsive stroke are extracted from video data of unmarked, non-research sea lions at the Smithsonian Zoological Park (SNZ). Those data form the basis of the actuation motion of the robotic flipper presented here. The geometry of the robotic flipper is based a on high-resolution laser scan of a foreflipper of an adult female sea lion, scaled to about 60% of the full-scale flipper. The articulated model has three joints, mimicking the elbow, wrist and knuckle joint of the sea lion foreflipper. The robotic platform matches dynamics properties&#8212;Reynolds number and tip speed&#8212;of the animal when accelerating from rest. The robotic flipper can be used to determine the performance (forces and torques) and resulting flowfields.

A robotic platform is described that will be used to study the hydrodynamic performance&#8212;forces and flowfields&#8212;of the swimming California sea lion. The robot is a model of the animal&#39;s foreflipper that is actuated by motors to replicate the motion of its propulsive stroke (the &#39;clap&#39;).

Ein Roboter-Plattform die Foreflipper des California Sea Lion zu studieren

The California sea lion (Zalophus californianus), is an agile and powerful swimmer. Unlike many successful swimmers (dolphins, tuna), they generate most ...

Three-Dimensional Ultrasonic Needle Tip Tracking with a Fiber-Optic Ultrasound Receiver

Ultrasound is frequently used for guiding minimally invasive procedures, but visualizing medical devices is often challenging with this imaging modality. When visualization is lost, the medical device can cause trauma to critical tissue structures. Here, a method to track the needle tip during ultrasound image-guided procedures is presented. This method involves the use of a fiber-optic ultrasound receiver that is affixed within the cannula of a medical needle to communicate ultrasonically with the external ultrasound probe. This custom probe comprises a central transducer element array and side element arrays. In addition to conventional two-dimensional (2D) B-mode ultrasound imaging provided by the central array, three-dimensional (3D) needle tip tracking is provided by the side arrays. For B-mode ultrasound imaging, a standard transmit-receive sequence with electronic beamforming is performed. For ultrasonic tracking, Golay-coded ultrasound transmissions from the 4 side arrays are received by the hydrophone sensor, and subsequently the received signals are decoded to identify the needle tip&#39;s spatial location with respect to the ultrasound imaging probe. As a preliminary validation of this method, insertions of the needle/hydrophone pair were performed in clinically realistic contexts. This novel ultrasound imaging/tracking method is compatible with current clinical workflow, and it provides reliable device tracking during in-plane and out-of-plane needle insertions.

Accurate and efficient visualization of invasive medical devices is extremely important in many ultrasound-guided minimally invasive procedures. Here, a method for localizing the spatial position of a needle tip relative to the ultrasound imaging probe is presented.

Dreidimensionale Ultraschall Nadel Tipp Tracking mit einem Glasfaser-Ultraschall-Empfänger

Ultrasound is frequently used for guiding minimally invasive procedures, but visualizing medical devices is often challenging with this imaging modality. ...

Conducting Elevated Temperature Normal and Combined Pressure-Shear Plate Impact Experiments Via a Breech-end Sabot Heater System

A novel approach for conducting normal and/or combined pressure-shear plate impact experiments at test temperatures up to 1000 &#176;C is presented. The method enables elevated temperature plate-impact experiments aimed towards probing dynamic behavior of materials under thermomechanical extremes, while mitigating several special experimental challenges faced while performing similar experiments using the conventional plate impact approach. Custom adaptations are made to the breech-end of a single-stage gas-gun at Case Western Reserve University; these adaptations include a precision-machined extension piece made from SAE 4340 steel, which is strategically designed to mate the existing gun-barrel while providing a high tolerance match to the bore and keyway. The extension piece contains a vertical cylindrical heater-well, which houses a heater assembly. A resistive coil heater-head, capable of reaching temperatures of up 1200 &#176;C, is attached to a vertical stem with axial/rotational degrees of freedoms; this enables thin metal specimens held at the front-end of a heat-resistant sabot to be heated uniformly across the diameter to the desired test temperatures. By heating the flyer plate (in this case, the sample) at the breech-end of the gun-barrel instead of at the target-end, several critical experimental challenges can be averted. These include: 1) severe changes in the alignment of the target plate during heating due to the thermal expansion of the several constituents of the target holder assembly; 2) challenges that arise due to the diagnostics elements, (i.e., polymer holographic gratings, and optical probes) being too close to the heated target assembly; 3) challenges that arise for target plates with an optical window, where crucial tolerances between the sample, bond layer, and window become increasingly difficult to maintain at high temperatures; 4) in the case of combined compression-shear plate impact experiments, the need for high-temperature resistant diffraction gratings for the measurement of transverse particle velocity at the free surface of the target; and 5) limitations imposed on the impact velocity necessary for unambiguous interpretation of the measured free surface velocity versus time profile due to thermal softening and possibly yielding of the bounding target plates.By utilizing the adaptations mentioned above, we present results from a series of reverse geometry normal plate impact experiments on commercial purity aluminum at a range of sample temperatures. These experiments show decreasing particle velocities in the impacted state, which are indicative of material softening (decrease in post-yield flow stress) with increasing sample temperatures.

Here, we present a detailed protocol of a new approach for conducting elevated temperature reverse normal plate impact, and combined pressure-and-shear plate impact. The approach involves the use of a breech-end resistive coil heater to heat a sample held at the front-end of a heat-resistant sabot to the desired temperature.

Durchführung von erhöhter Temperatur Normal und kombinierte Druck-Shear Platte folgen Experimente über eine Verschluss-End Sabot-Heizsystem

A novel approach for conducting normal and/or combined pressure-shear plate impact experiments at test temperatures up to 1000 &#176;C is presented. The ...

A Random-displacement Measurement by Combining a Magnetic Scale and Two Fiber Bragg Gratings

Long-distance displacement measurements using optical fibers have always been a challenge in both basic research and industrial production. We developed and characterized a temperature-independent fiber Bragg grating (FBG)-based random-displacement sensor that adopts a magnetic scale as a novel transferring mechanism. By detecting shifts of two FBG center wavelengths, a full-range measurement can be obtained with a magnetic scale. For identification of the clockwise and counterclockwise rotation direction of the motor (in fact, the direction of movement of the object to be tested), there is a sinusoidal relationship between the displacement and the center wavelength shift of the FBG; as the anticlockwise rotation alternates, the center wavelength shift of the second FBG detector shows a leading phase difference of around 90&#176; (+90&#176;). As the clockwise rotation alternates, the center wavelength shift of the second FBG displays a lagging phase difference of around 90&#176; (-90&#176;). At the same time, the two FBG-based sensors are temperature independent. If there is some need for a remote monitor without any electromagnetic interference, this striking approach makes them a useful tool for determining the random displacement. This methodology is appropriate for industrial production. As the structure of the whole system is relatively simple, this displacement sensor can be used in commercial production. In addition to it being a displacement sensor, it can be used to measure other parameters, such as velocity and acceleration.

A protocol to create a full-range linear displacement sensor, combining two packaged fiber Bragg grating detectors with a magnetic scale, is presented.

Eine Zufällige Verschiebungsmessung durch Kombination einer magnetischen Skala und zwei Faser-Bragg-Gitter

Long-distance displacement measurements using optical fibers have always been a challenge in both basic research and industrial production. We developed ...

Design and Implementation of a Bespoke Robotic Manipulator for Extra-corporeal Ultrasound

With the potential for high precision, dexterity, and repeatability, a self-tracked robotic system can be employed to assist the acquisition of real-time ultrasound. However, limited numbers of robots designed for extra-corporeal ultrasound have been successfully translated into clinical use. In this study, we aim to build a bespoke robotic manipulator for extra-corporeal ultrasound examination, which is lightweight and has a small footprint. The robot is formed by five specially shaped links and custom-made joint mechanisms for probe manipulation, to cover the necessary range of motion with redundant degrees of freedom to ensure the patient&#39;s safety. The mechanical safety is emphasized with a clutch mechanism, to limit the force applied to patients. As a result of the design, the total weight of the manipulator is less than 2 kg and the length of the manipulator is about 25 cm. The design has been implemented, and simulation, phantom, and volunteer studies have been performed, to validate the range of motion, the ability to make fine adjustments, mechanical reliability, and the safe operation of the clutch. This paper details the design and implementation of the bespoke robotic ultrasound manipulator, with the design and assembly methods illustrated. Testing results to demonstrate the design features and clinical experience of using the system are presented. It is concluded that the current proposed robotic manipulator meets the requirements as a bespoke system for extra-corporeal ultrasound examination and has great potential to be translated into clinical use.

This paper introduces the design and implementation of a bespoke robotic manipulator for extra-corporeal ultrasound examination. The system has five degrees of freedom with lightweight joints made by 3D printing and a mechanical clutch for safety management.

Konzeption und Umsetzung eines maßgeschneiderten Robotic Manipulator für extra körperliche Ultraschall

With the potential for high precision, dexterity, and repeatability, a self-tracked robotic system can be employed to assist the acquisition of real-time ...

A Rapid Method for Modeling a Variable Cycle Engine

The variable cycle engines (VCE) that combine the advantages of turbofan and turbojet engines, are widely considered to be the next generation aircraft engines. However, developing VCE requires high costs. Thus, it is essential to build a mathematical model when developing an aircraft engine, which may avoid a large number of real tests and reduce the cost dramatically. Modeling is also crucial in control law development. In this article, based on a graphical simulation environment, a rapid method for modeling a double bypass variable cycle engine using object-oriented modeling technology and modular hierarchical architecture is described. Firstly, the mathematical model of each component is built based on the thermodynamic calculation. Then, a hierarchical engine model is built via the combination of each component mathematical model and the N-R solver module. Finally, the static and dynamic simulations are carried out in the model and the simulation results prove the effectiveness of the modeling method. The VCE model built through this method has the advantages of clear structure and real-time observation.

Here, we present a protocol to build a component-level mathematical model for a variable cycle engine.

Eine schnelle Methode zur Modellierung eines Variablenzyklusmotors

The variable cycle engines (VCE) that combine the advantages of turbofan and turbojet engines, are widely considered to be the next generation aircraft ...

Characterization of SiN Integrated Optical Phased Arrays on a Wafer-Scale Test Station

Optical phased arrays (OPAs) can produce low-divergence laser beams and can be used to control the emission angle electronically without the need for moving mechanical parts. This technology is particularly useful for beam steering applications. Here, we focus on OPAs integrated into SiN photonic circuits for a wavelength in the near infrared. A characterization method of such circuits is presented, which allows the output beam of integrated OPAs to be shaped and steered. Furthermore, using a wafer-scale characterization setup, several devices can easily be tested across multiple dies on a wafer. In this way, fabrication variations can be studied, and high-performance devices identified. Typical images of OPA beams are shown, including beams emitted from OPAs with and without a uniform waveguide length, and with varying numbers of channels. In addition, the evolution of output beams during the phase optimization process and beam steering in two dimensions is presented. Finally, a study of the variation in the beam divergence of identical devices is performed with respect to their position on the wafer.

Here, we describe the operation of a SiN integrated photonic circuit containing optical phased arrays. The circuits are used to emit low divergence laser beams in the near infrared and steer them in two dimensions.

Charakterisierung von Integrierten optischen Phasenarrays von SiN auf einer Wafer-Scale-Teststation

Optical phased arrays (OPAs) can produce low-divergence laser beams and can be used to control the emission angle electronically without the need for ...