Este trabajo fue apoyado por el Departamento de Bioingeniería y Ciencias Terapéuticas de la UCSF, el Instituto de California para la cuantitativos Biosciences (QB3), y la Reducción de la Brecha Premio de la Fundación de la familia de Rogers.

1. Diseño Dimensiones del dispositivo y topologías Basado en Experimental necesidades mediante diseño asistido por ordenador (CAD) Software Nota: Selección de diámetros del canal de emulsión más pequeñas que las de las gotitas esféricas. Esto obliga a las gotitas en una forma cilíndrica o &quot;salchicha&quot; y permite picoinjection más eficaz. Para nuestros propósitos, hemos diseñado 30 x 30 micras canales de gotas que eran 50 m de diámetro. <ol><li> Sitio picoinjection Modelo (s) después de los descritos por Abate et al. 3 con la excepción de que se eliminan los canales para los electrodos de metal, ya que son innecesarias. </li><li> Añadir canales para servir como el Faraday Foso (Figura 1) que se ejecutan entre el sitio (s) picoinjection y la emulsión de aguas arriba de tal manera que sirvan para proteger las pequeñas gotas del campo eléctrico. Nota: Esto evita la fusión accidental. </li></ol> 2. Dispositivos Fabricar Uso Soft fotolitoTécnicas radiográficos <ol><li> Generar una máscara de fotolitografía transparencia basado en el archivo CAD utilizando los servicios comerciales existentes. </li><li> Con la fotomáscara, curar fotoprotector en obleas de silicio para producir un dispositivo maestro, como se describió anteriormente 4. </li><li> Pour PDMS mezcla con el agente endurecedor (11:1) sobre el maestro del equipo contenido en un 5 cm de poliestireno caja de Petri. </li><li> Coloque el principal con PDMS en un desecador de vacío durante aproximadamente 15 minutos para eliminar cualquier burbuja de aire. </li><li> Curar el dispositivo de PDMS colocándolo en un horno de 95 ° C durante 1 hora. Alternativamente, el PDMS curarán a TA después de 24 horas. </li><li> Retire el dispositivo de corte en todo el perímetro con una hoja de bisturí y pelar cuidadosamente el dispositivo desde el maestro. </li><li> Perforar orificios de entrada y salida en el PDMS usando un punzón de biopsia de 0,5 mm. </li><li> Una el dispositivo a un portaobjetos de microscopio de vidrio usando un dispositivo de unión de plasma 4. </li></ol> 3. Preparar una presión de aireControl de bombas para presurizar un depósito que contiene el fluido <ol><li> Modificar la salida de la bomba de tal manera que las salidas de aire a presión a través de una longitud de 2,7 mm de tubo de polietileno de diámetro interior. </li><li> Construirla de tal manera que el tubo termina en una punta de la jeringa luer-lock mediante el ajuste de la luz sobre el pezón en la parte posterior del luer-lock. </li><li> Sellar rellenando el espacio entre las roscas luer-lock y el tubo con epoxi. </li><li> Coloque una aguja 27,5 g. </li></ol> 4. Preparar una monodisperso Emulsión acuosa de las gotitas (agua-en-aceite) suspendidos en un aceite inerte fluorado portador con 2% (peso / peso) disuelto biocompatible Surfactante 7 Los reactivos específicos contenidos en estas gotitas dependen de la aplicación <ol><li> En preparación para la reinyección, cargue la emulsión en una jeringa de 1 ml con una aguja de 27,5. </li><li> Fije la jeringa en una bomba de jeringa y orientar la bomba verticalmente (la aguja hacia arriba). Nota: Esta orientación hace que las gotas para empacar en una capa por encima del aceite del portador. Cuando se pone en marcha la bomba, las gotas serán empujados fuera de la jeringa en la fracción de alto volumen de la capa de aceite por debajo de ellos. </li></ol> 5. Preparar Reactivos para Introducción al chip de microfluidos <ol><li> Perforar tres agujeros de 0,5 mm en la tapa de un tubo de centrífuga de 15 ml (cualquier recipiente con un tapón de rosca será suficiente) usando un punzón de biopsia, la aguja, o de perforación. </li><li> Insertar un diámetro de electrodo de alambre de 0,5 mm y una longitud de ~ 20 cm de PE-2 tubería a través de dos de los agujeros para que lleguen a la parte inferior del tubo. </li><li> En el agujero restante, hilo de ~ 2,5 cm de un cm de longitud ~ 20 de la tubería de PE de forma que éste descanse sobre el nivel del fluido. </li><li> Selle todos los espacios en la parte superior de la tapa con epoxi curado UV. </li><li> Llene el tubo con el líquido picoinjection y el tornillo de la tapa. </li><li> Conectar la salida de la bomba de control de presión de aire a la longitud más corta de la tubería por insertoing la aguja en el lumen. La aguja debe quedar ajustado. </li><li> Llene una jeringa de 1 ml con 1 M de NaCl para servir como la de Faraday Foso. </li><li> Conecte una aguja de 27,5 y asegure la jeringa en una bomba de jeringa. </li><li> Llene otra jeringa de 1 ml con aceite del portador / espaciador, conecte una aguja de 27,5, y fijarlo en una bomba de jeringa. </li></ol> 6. Prepare el dispositivo de microfluidos para Picoinjection <ol><li> Conectar el tubo de salida (longitud más larga) desde el recipiente de fluido de inyección al puerto de entrada del fluido picoinjection en el chip microfluídico. </li><li> Conectar la jeringa que contiene el NaCl 1 M a la lumbrera de entrada para el Foso de Faraday en el chip de microfluidos con una longitud de tubo de PE. </li><li> Conectar la jeringa que contiene el aceite portador al puerto de entrada del chip de microfluidos con una longitud de tubo de PE. </li><li> Introduzca el tubo de PE en el orificio de salida de la emulsión en el chip microfluídico. El tubo debe terminar en un recipiente de recogida de emulsión, ninormalmente un tubo de centrífuga de 1,5 ml. </li><li> Introduzca el tubo de PE en el puerto de salida para el Foso de Faraday en el chip microfluídico. El tubo debe terminar en un material no conductor y el recipiente aislado eléctricamente para evitar un cortocircuito. </li><li> Conectar la salida del amplificador de alta tensión (HV) a través de pinza de cocodrilo para el electrodo de metal sumergido en el fluido picoinjection. </li><li> Conectar el electrodo de tierra del amplificador de alta tensión a través de pinza de cocodrilo para el metal de la aguja de la jeringa que contiene el NaCl 1 M. </li></ol> 7. Infuse Reactivos en microfluidos chip <ol><li> Introducir el NaCl 1 M (Foso de Faraday) para el dispositivo a una velocidad de 100 l / hr. </li><li> Introducir la emulsión de gotas de aceite del portador y con tasas adecuadas a las dimensiones del dispositivo. Para nuestro equipo de demostración, introducimos las gotas y el aceite a 200 y 400 l / h, respectivamente. Los caudales deben permitir que las gotas pasen la picoinjector a intervalos regulares separadospor un hueco de aceite portador. </li><li> Ajustar la presión aplicada al fluido picoinjection de tal manera que la presión del fluido en el orificio de picoinjection está en equilibrio mecánico con el canal de gota. Nota: En esta presión (la presión de Laplace), el fluido de inyección debe sobresalir en el canal de gotita sin gemación y la formación de sus propias gotas (Figura 2). A estas velocidades de flujo descritos anteriormente, se aplica una presión de ~ 13 psi para el fluido de inyección para alcanzar el equilibrio en el sitio de la inyección. </li></ol> 8. Comience Picoinjection <ol><li> Como gotas de pasar el orificio de inyección, aplique un 0-10 V, 10 kHz, la señal amplificada AC 1000 x por el amplificador de HV (Figura 3). </li><li> Modular el volumen de inyección cambiando la amplitud de la tensión aplicada. Nota: Los voltajes más altos deberían permitir más fluido que se presentó a las gotas. En nuestras pruebas, observamos inyección estable y consistente con tensiones serentre 100 y 3000 V utilizando soluciones de inyección de NaCl que van desde 10 hasta 500 mM (Figura 4). </li></ol>

<ol>
	<li>Kritikou, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=It's+cheaper+in+the+Picolab.">It's cheaper in the Picolab.</a> Nat. Rev. Genet. 6 (9), (2005).</li><li>Ahn, K., Agresti, J., Chong, H., Marquez, M., Weitz, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrocoalescence+of+drops+synchronized+by+size-dependent+flow+in+microfluidic+channels.">Electrocoalescence of drops synchronized by size-dependent flow in microfluidic channels.</a> Appl. Phys. Lett. 88 (26), (2006).</li><li>Abate, A. R., Hung, T., Mary, P., Agresti, J. J., Weitz, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-throughput+injection+with+microfluidics+using+picoinjectors.">High-throughput injection with microfluidics using picoinjectors.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U S A. 107, 19163-19166 (2010).</li><li>Harris, J., 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=Fabrication+of+a+microfluidic+device+for+the+compartmentalization+of+neuron+soma+and+axons.">Fabrication of a microfluidic device for the compartmentalization of neuron soma and axons.</a> J. Vis. Exp. (7), (2007).</li><li>Duffy, D. C., McDonald, J. C., Schueller, O. J., Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rapid+prototyping+of+microfluidic+systems+in+poly(dimethylsiloxane).">Rapid prototyping of microfluidic systems in poly(dimethylsiloxane).</a> Anal. Chem. 70 (23), 4974-4984 (1998).</li><li>O'Donovan, B., Eastburn, D. J., Abate, A. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrode-free+picoinjection+of+microfluidic+drops.">Electrode-free picoinjection of microfluidic drops.</a> Lab on a Chip. 12 (20), 4029-4032 (2012).</li><li>Holtze, C., 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=Biocompatible+surfactants+for+water-in-fluorocarbon+emulsions.">Biocompatible surfactants for water-in-fluorocarbon emulsions.</a> Lab on a Chip. 8 (10), 1632-1639 (2008).</li><li>Chung, C., Lee, M., Char, K., Ahn, K., Lee, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Droplet+dynamics+passing+through+obstructions+in+confined+microchannel+flow.">Droplet dynamics passing through obstructions in confined microchannel flow.</a> Microfluid. Nanofluid. 9, 1151-1163 (2010).</li><li>Herminghaus, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamical+instability+of+thin+liquid+films+between+conducting+media.">Dynamical instability of thin liquid films between conducting media.</a> Phys. Rev. Lett. 83 (12), 2359-2361 (1999).</li><li>Priest, C., Herminghaus, S., Seemann, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Controlled+electrocoalescence+in+microfluidics:+Targeting+a+single+lamella.">Controlled electrocoalescence in microfluidics: Targeting a single lamella.</a> Appl. Phys. Lett. 89 (13), 134101-134103 (2006).</li><li>Florent, M., Siva, A. V., Hao, G., Dirk, E., Frieder, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrowetting-controlled+droplet+generation+in+a+microfluidic+flow-focusing+device.">Electrowetting-controlled droplet generation in a microfluidic flow-focusing device.</a> J. Phys: Condens. Matter. 19 (46), (2007).</li><li>Eastburn, D. J., Sciambi, A., Abate, A. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Picoinjection+enables+digital+detection+of+RNA+with+droplet+rt-PCR.">Picoinjection enables digital detection of RNA with droplet rt-PCR.</a> PLoS ONE. 8 (4), (2013).</li></ol>

No entendemos plenamente mecanismo físico exacto detrás de la relación entre la tensión aplicada y el volumen de inyección observado en nuestros experimentos. Los intereses del laboratorio y áreas de especialización pertinentes no son muy adecuados para la consecución de esta pregunta persistente. Animamos a los que tienen más de la física y la perspicacia de ingeniería para explorar este fenómeno.

La relación entre el volumen de inyección y la tensión aplicada depende de muchos factores incluyendo las dimensiones del dispositivo, la longitud del tubo que lleva el fluido picoinjection al dispositivo, molaridad de fluido picoinjection, y la velocidad de las gotitas a medida que pasan que inyector. Por este motivo, se recomienda que la relación volumen / tensión caracterizarse antes de cada ejecución de picoinjection midiendo volúmenes de inyección en los bordes de los rangos de trabajo de la tensión y la m...

En la microfluídica basada en gotitas, gotitas acuosas escala de micras se utilizan como &quot;tubos de ensayo&quot; para reacciones biológicas. La ventaja de llevar a cabo reacciones en las pequeñas gotas es que cada gota utiliza sólo unos pl de reactivo y, con la microfluídica, las gotas se puede formar y procesada a tasas kilohercios 1. En combinación, estas propiedades permiten a millones de reacciones con las células individuales, moléculas de ácido nucleico, o compuestos que se deben realizar en cuestión de minutos con l de total de material. Para usar las gotas para aplicaciones de este tipo, se necesitan técnicas para la adición de volúmenes controlados de reactivos a las gotas; tales operaciones son análogos a pipeteando en tubos de ensayo. Un método para lograr esto es electrocoalescence, en el que una gota de reactivo se combina con la caída de destino mediante la aplicación de un campo eléctrico. El campo eléctrico altera la disposición de las moléculas de tensioactivo en las interfaces de las gotas, INDucing una inestabilidad de película delgada y desencadenando coalescencia en emulsiones que son por lo demás estable 2. Fusión inducida eléctricamente también es explotada en el diseño de la picoinjector, un dispositivo que inyecta reactivos en gotas a medida que fluyen más allá de un canal de presión 3. Para aplicar el campo eléctrico, los dispositivos picoinjector utilizan electrodos de metal, pero la integración de electrodos de metal en los chips de microfluidos es a menudo un proceso complejo y propenso a errores que los alambres de líquido de soldadura son fácilmente comprometidos por burbujas de aire o polvo y otros desechos en el canal , así como de las fracturas de estrés o doblarse durante la configuración del dispositivo. Aquí presentamos un método para llevar a cabo picoinjection sin el uso de electrodos de metal, por lo que la fabricación más simple y más robusta. Para activar picoinjection, nosotros en cambio utilizamos el propio fluido de inyección como un electrodo, ya que la mayoría de los reactivos biológicos contienen electrolitos disueltos y son conductores. También vamos a añadir un &quot;Faraday Moat &quot;para proteger a regiones sensibles del dispositivo y actuar como un suelo universales (Figura 1). El foso aísla eléctricamente las gotas de aguas arriba del sitio picoinjection proporcionando un suelo, la prevención de fusión gotita no deseado. Un beneficio adicional de nuestra técnica es que el volumen inyectado en las gotas depende de la magnitud de la tensión aplicada, permitiendo que se ajusta mediante la regulación de la señal aplicada. Fabricamos nuestros dispositivos en poli (dimetilsiloxano) (PDMS) usando técnicas fotolitográficas suaves 4,5. Nuestro enfoque es compatible con dispositivos fabricados en otros materiales, como resinas, plásticos y resinas epoxi. Los canales tienen alturas y anchuras de 30 micras, que son óptimas para trabajar con gotitas de 50 m de diámetro (65 pl). Introducimos los reactivos a través de tubos de polietileno (0.3/1.09 mm de diámetro interior / exterior) insertado en los puertos creados durante la fabricación del dispositivo de 0,50 mm punzones de biopsia, de forma similar a los métodos described previamente 5. La composición exacta del fluido de inyección depende de la aplicación específica. El fluido sólo necesita contener electrolitos disueltos en concentraciones lo suficientemente altas para producir la suficiente conductividad para la señal eléctrica que se transmite a la picoinjector. En pruebas de banco, hemos encontrado que las concentraciones iónicas superiores a 10 mM deberían bastar 6, aunque este valor y conductividades de fluido dependen de las dimensiones específicas del dispositivo y la magnitud de la tensión aplicada.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="1000">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:283px;">1 mL Leur-Lok&#8482; syringes</td>
			<td style="width:143px;">BD Medical</td>
			<td align="right" style="width:160px;">309628</td>
			<td style="width:415px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">LocTite UV-cured adhesive</td>
			<td style="width:143px;">Henkel</td>
			<td align="right">35241</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:283px;">PE-2 Tubing</td>
			<td style="width:143px;">Scientific Commodities</td>
			<td>BB31695-PE/2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Novec HFE-7500</td>
			<td>3M</td>
			<td style="width:160px;">98-0212-2928-5</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:283px;">NaCl</td>
			<td style="width:143px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:160px;">S9888</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:283px;">1.5 mL centrifuge tubes</td>
			<td style="width:143px;">Eppendorf</td>
			<td align="right" style="width:160px;">22363531</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:283px;">BD Falcon 15 ml tube</td>
			<td style="width:143px;">BD Biosciences</td>
			<td align="right" style="width:160px;">352097</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:283px;">Air Pressure Control Pump</td>
			<td style="width:143px;">Control Air Inc.</td>
			<td style="width:160px;"></td>
			<td style="width:415px;">We recommend one under the control of DAQ and control software</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Syringe Pumps</td>
			<td>New Era</td>
			<td style="width:160px;"></td>
			<td>Must be capable of holding 1ml syringes and flowing at rates as low as 100 uL/hr</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:283px;">HV-Amplfier</td>
			<td style="width:143px;"></td>
			<td style="width:160px;"></td>
			<td>Must be capable of 1000x amplification of signals between 0.01 and 10 V</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Plasma Bonder/Cleaner</td>
			<td style="width:143px;">Harrick Plasma</td>
			<td style="width:160px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">3&#8221; silicon wafers</td>
			<td style="width:143px;">Sigma Aldrich</td>
			<td align="right" style="width:160px;">647535</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">PDMS</td>
			<td style="width:143px;">Dow Corning</td>
			<td style="width:160px;"></td>
			<td>Sylgard 184 with curing agent should be included</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:283px;">SU-8 Photoresist</td>
			<td style="width:143px;">MicroChem</td>
			<td style="width:160px;"></td>
			<td>Viscocity depends on device dimensions</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

picoinjection of microfluidic drops without metal electrodes

Los métodos existentes para picoinjecting reactivos en gotas de microfluidos requieren electrodos de metal integradas en el chip de microfluidos. La integración de estos electrodos añade pasos engorrosos y propensos a errores en el proceso de fabricación del dispositivo. Hemos desarrollado una técnica que obvia las necesidades de electrodos de metal durante picoinjection. En lugar de ello, se utiliza el propio fluido de inyección como un electrodo, ya que la mayoría de los reactivos biológicos contienen electrolitos disueltos y son conductores. Mediante la eliminación de los electrodos, se reduce el tiempo de fabricación del dispositivo y la complejidad, y hacer los dispositivos más robustos. Además, con nuestro enfoque, el volumen de inyección depende de la tensión aplicada a la solución picoinjection; esto nos permite ajustar rápidamente el volumen inyectado mediante la modulación de la tensión aplicada. Se demuestra que nuestra técnica es compatible con los reactivos que incorporan compuestos biológicos comunes, incluyendo tampones, enzimas y ácidos nucleicos.

Imágenes microscópicas tomadas en el lugar muestran picoinjection que la electrificación del fluido picoinjection es suficiente para desencadenar la inyección (Figura 2). El volumen inyectado se puede controlar mediante la modulación de la amplitud de la tensión aplicada, con tensiones más elevadas que permiten volúmenes de inyección más altas. Trazamos el volumen de inyección en comparación con la magnitud de la tensión aplicada durante tres molaridades representativas de fluido de inyecci...

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Picoinjection of Microfluidic Drops Without Metal Electrodes

Hemos desarrollado una técnica para picoinjecting gotas de microfluidos que no requieren electrodos de metal. Como tales, los dispositivos que incorporan nuestra técnica son más simples de fabricar y de usar.

Picoinjection de microfluidos gotas sin electrodos metálicos

Existing methods for picoinjecting reagents into microfluidic drops require metal electrodes integrated into the microfluidic chip. The integration of ...

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Research

JoVE Journal

Engineering

11.0K vistas.  Unversity of California, San Francisco.  Hemos desarrollado una técnica para picoinjecting gotas de microfluidos que no requieren electrodos de metal. Como tales, los dispositivos que incorporan nuestra técnica son más simples de fabricar y de usar. 

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Fabrication and Testing of Microfluidic Optomechanical Oscillators

Cavity optomechanics experiments that parametrically couple the phonon modes and photon modes have been investigated in various optical systems including microresonators. However, because of the increased acoustic radiative losses during direct liquid immersion of optomechanical devices, almost all published optomechanical experiments have been performed in solid phase. This paper discusses a recently introduced hollow microfluidic optomechanical resonator. Detailed methodology is provided to fabricate these ultra-high-Q microfluidic resonators, perform optomechanical testing, and measure radiation pressure-driven breathing mode and SBS-driven whispering gallery mode parametric vibrations. By confining liquids inside the capillary resonator, high mechanical- and optical- quality factors are simultaneously maintained.

Parametric optomechanical excitations have recently been experimentally demonstrated in microfluidic optomechanical resonators by means of optical radiation pressure and stimulated Brillouin scattering. This paper describes the fabrication of these microfluidic resonators along with methodologies for generating and verifying optomechanical oscillations.

Fabricación y Pruebas de microfluidos optomecánicos Osciladores

Cavity optomechanics experiments that parametrically couple the phonon modes and photon modes have been investigated in various optical systems including ...

Investigación

Ingeniería

Ultrasound Velocity Measurement in a Liquid Metal Electrode

A growing number of electrochemical technologies depend on fluid flow, and often that fluid is opaque. Measuring the flow of an opaque fluid is inherently more difficult than measuring the flow of a transparent fluid, since optical methods are not applicable. Ultrasound can be used to measure the velocity of an opaque fluid, not only at isolated points, but at hundreds or thousands of points arrayed along lines, with good temporal resolution. When applied to a liquid metal electrode, ultrasound velocimetry involves additional challenges: high temperature, chemical activity, and electrical conductivity. Here we describe the experimental apparatus and methods that overcome these challenges and allow the measurement of flow in a liquid metal electrode, as it conducts current, at operating temperature. Temperature is regulated within &#177;2 &#176;C using a Proportional-Integral-Derivative (PID) controller that powers a custom-built furnace. Chemical activity is managed by choosing vessel materials carefully and enclosing the experimental setup in an argon-filled glovebox. Finally, unintended electrical paths are carefully prevented. An automated system logs control settings and experimental measurements, using hardware trigger signals to synchronize devices. This apparatus and these methods can produce measurements that are impossible with other techniques, and allow optimization and control of electrochemical technologies like liquid metal batteries.

Ultrasound velocimetry is used to study mixing by fluid flow in liquid metal electrodes. The focus of this manuscript is to illustrate the methods used for making precise, spatially-resolved ultrasound measurements while limiting oxidation and controlling and monitoring temperature, applied current, and the heater power being supplied.

Ultrasonido de medición de velocidad en un metal líquido Electrodo

A growing number of electrochemical technologies depend on fluid flow, and often that fluid is opaque. Measuring the flow of an opaque fluid is inherently ...

Iridium Oxide-reduced Graphene Oxide Nanohybrid Thin Film Modified Screen-printed Electrodes as Disposable Electrochemical Paper Microfluidic pH Sensors

A facile, controllable, inexpensive and green electrochemical synthesis of IrO2-graphene nanohybrid thin films is developed to fabricate an easy-to-use integrated paper microfluidic electrochemical pH sensor for resource-limited settings. Taking advantages from both pH meters and strips, the pH sensing platform is composed of hydrophobic barrier-patterned paper micropad (&#181;PAD) using polydimethylsiloxane (PDMS), screen-printed electrode (SPE) modified with IrO2-graphene films and molded acrylonitrile butadiene styrene (ABS) plastic holder. Repetitive cathodic potential cycling was employed for graphene oxide (GO) reduction which can completely remove electrochemically unstable oxygenated groups and generate a 2D defect-free homogeneous graphene thin film with excellent stability and electronic properties. A uniform and smooth IrO2 film in nanoscale grain size is anodically electrodeposited onto the graphene film, without any observable cracks. The resulting IrO2-RGO electrode showed slightly super-Nernstian responses from pH 2-12 in Britton-Robinson (B-R) buffers with good linearity, small hysteresis, low response time and reproducibility in different buffers, as well as low sensitivities to different interfering ionic species and dissolved oxygen. A simple portable digital pH meter is fabricated, whose signal is measured with a multimeter, using high input-impedance operational amplifier and consumer batteries. The pH values measured with the portable electrochemical paper-microfluidic pH sensors were consistent with those measured using a commercial laboratory pH meter with a glass electrode.

The study demonstrates the growth of iridium oxide-reduced graphene oxide (IrO2-RGO) nanohybrid thin films on irregular and rough screen-printed carbon substrate through a green electrochemical synthesis, and their implementation as a pH sensor with a patterned paper-fluidic platform.

Iridium grafeno óxido nanohíbrido Thin Film Modificados electrodos serigrafiados reducida de óxido-como Papel desechable de microfluidos electroquímico de pH Sensores

A facile, controllable, inexpensive and green electrochemical synthesis of IrO2-graphene nanohybrid thin films is developed to fabricate an easy-to-use ...

Knowledge Based Cloud FE Simulation of Sheet Metal Forming Processes

The use of Finite Element (FE) simulation software to adequately predict the outcome of sheet metal forming processes is crucial to enhancing the efficiency and lowering the development time of such processes, whilst reducing costs involved in trial-and-error prototyping. Recent focus on the substitution of steel components with aluminum alloy alternatives in the automotive and aerospace sectors has increased the need to simulate the forming behavior of such alloys for ever more complex component geometries. However these alloys, and in particular their high strength variants, exhibit limited formability at room temperature, and high temperature manufacturing technologies have been developed to form them. Consequently, advanced constitutive models are required to reflect the associated temperature and strain rate effects. Simulating such behavior is computationally very expensive using conventional FE simulation techniques.
This paper presents a novel Knowledge Based Cloud FE (KBC-FE) simulation technique that combines advanced material and friction models with conventional FE simulations in an efficient manner thus enhancing the capability of commercial simulation software packages. The application of these methods is demonstrated through two example case studies, namely: the prediction of a material's forming limit under hot stamping conditions, and the tool life prediction under multi-cycle loading conditions.

The following paper presents a novel FE simulation technique (KBC-FE), which reduces computational cost by performing simulations on a cloud computing environment, through the application of individual modules. Moreover, it establishes a seamless collaborative network between world leading scientists, enabling the integration of cutting edge knowledge modules into FE simulations.

Basada en el Conocimiento de la simulación de la nube FE de los Procesos de conformado de chapa de metal

The use of Finite Element (FE) simulation software to adequately predict the outcome of sheet metal forming processes is crucial to enhancing the ...

In Situ Synthesis of Gold Nanoparticles without Aggregation in the Interlayer Space of Layered Titanate Transparent Films

Combinations of metal oxide semiconductors and gold nanoparticles (AuNPs) have been investigated as new types of materials. The in situ synthesis of AuNPs within the interlayer space of semiconducting layered titania nanosheet (TNS) films was investigated here. Two types of intermediate films (i.e., TNS films containing methyl viologen (TNS/MV2+) and 2-ammoniumethanethiol (TNS/2-AET+)) were prepared. The two intermediate films were soaked in an aqueous tetrachloroauric(III) acid (HAuCl4) solution, whereby considerable amounts of Au(III) species were accommodated within the interlayer spaces of the TNS films. The two types of obtained films were then soaked in an aqueous sodium tetrahydroborate (NaBH4) solution, whereupon the color of the films immediately changed from colorless to purple, suggesting the formation of AuNPs within the TNS interlayer. When only TNS/MV2+ was used as the intermediate film, the color of the film gradually changed from metallic purple to dusty purple within 30 min, suggesting that aggregation of AuNPs had occurred. In contrast, this color change was suppressed by using the TNS/2-AET+ intermediate film, and the AuNPs were stabilized for over 4 months, as evidenced by the characteristic extinction (absorption and scattering) band from the AuNPs.

In Situ Synthesis of Gold Nanoparticles without Aggregation in the Interlayer Space of Layered Titanate Transparent Films

Here, we present a protocol for the in situ synthesis of gold nanoparticles (AuNPs) within the interlayer space of layered titanate films without the aggregation of AuNPs. No spectral change was observed even after 4 months. The synthesized material has expected applications in catalysis, photo-catalysis, and the development of cost-effective plasmonic devices.

In Situ Síntesis de nanopartículas de oro sin agregación en el espacio entre capas de Capas de titanato películas transparentes

Combinations of metal oxide semiconductors and gold nanoparticles (AuNPs) have been investigated as new types of materials. The in situ synthesis of AuNPs ...

Electrospinning of Photocatalytic Electrodes for Dye-sensitized Solar Cells

This work demonstrates a protocol to fabricate a fiber-based photoanode for dye-sensitized solar cells, consisting of a light-scattering layer made of electrospun titanium dioxide nanofibers (TiO2-NFs) on top of a blocking layer made of commercially available titanium dioxide nanoparticles (TiO2-NPs). This is achieved by first electrospinning a solution of titanium (IV) butoxide, polyvinylpyrrolidone (PVP), and glacial acetic acid in ethanol to obtain composite PVP/TiO2 nanofibers. These are then calcined at 500 &#176;C to remove the PVP and to obtain pure anatase-phase titania nanofibers. This material is characterized using scanning electron microscopy (SEM) and powder X-ray diffraction (XRD). The photoanode is prepared by first creating a blocking layer through the deposition of a TiO2-NPs/terpineol slurry on a fluorine-doped tin oxide (FTO) glass slide using doctor blading techniques. A subsequent thermal treatment is performed at 500 &#176;C. Then, the light-scattering layer is formed by depositing a TiO2-NFs/terpineol slurry on the same slide, using the same technique, and calcinating again at 500 &#176;C. The performance of the photoanode is tested by fabricating a dye-sensitized solar cell and measuring its efficiency through J-V curves under a range of incident light densities, from 0.25-1 Sun.

The overall goal of this project was to use electrospinning to fabricate a photoanode with improved performance for dye-sensitized solar cells.

Electrospinning de electrodos fotocatalíticos para células solares sensibilizadas por tinte

This work demonstrates a protocol to fabricate a fiber-based photoanode for dye-sensitized solar cells, consisting of a light-scattering layer made of ...

Scalable Solution-processed Fabrication Strategy for High-performance, Flexible, Transparent Electrodes with Embedded Metal Mesh

Here, the authors report the embedded metal-mesh transparent electrode (EMTE), a new transparent electrode (TE) with a metal mesh completely embedded in a polymer film. This paper also presents a low-cost, vacuum-free fabrication method for this novel TE; the approach combines lithography, electroplating, and imprint transfer (LEIT) processing. The embedded nature of the EMTEs offers many advantages, such as high surface smoothness, which is essential for organic electronic device production; superior mechanical stability during bending; favorable resistance to chemicals and moisture; and strong adhesion with plastic film. LEIT fabrication features an electroplating process for vacuum-free metal deposition and is favorable for industrial mass production. Furthermore, LEIT allows for the fabrication of metal mesh with a high aspect ratio (i.e., thickness to linewidth), significantly enhancing its electrical conductance without adversely losing optical transmittance. We demonstrate several prototypes of flexible EMTEs, with sheet resistances lower than 1 &#937;/sq and transmittances greater than 90%, resulting in very high figures of merit (FoM) &#8211; up to 1.5 x 104 &#8211; which are amongst the best values in the published literature.

This protocol describes a solution-based fabrication strategy for high-performance, flexible, transparent electrodes with fully-embedded, thick metal mesh. Flexible transparent electrodes fabricated by this process demonstrate among the highest reported performances, including ultra-low sheet resistance, high optical transmittance, mechanical stability under bending, strong substrate adhesion, surface smoothness, and environmental stability.

Estrategia escalable de fabricación procesada por soluciones para electrodos transparentes de alto rendimiento y flexibles con malla metálica integrada

Here, the authors report the embedded metal-mesh transparent electrode (EMTE), a new transparent electrode (TE) with a metal mesh completely embedded in a ...

Growth and Electrostatic/chemical Properties of Metal/LaAlO3/SrTiO3 Heterostructures

The quasi 2D electron system (q2DES) that forms at the interface between LaAlO3 (LAO) and SrTiO3 (STO) has attracted much attention from the oxide electronics community. One of its hallmark features is the existence of a critical LAO thickness of 4 unit-cells (uc) for interfacial conductivity to emerge. Although electrostatic mechanisms have been proposed in the past to describe the existence of this critical thickness, the importance of chemical defects has been recently accentuated. Here, we describe the growth of metal/LAO/STO heterostructures in an ultra-high vacuum (UHV) cluster system combining pulsed laser deposition (to grow the LAO), magnetron sputtering (to grow the metal) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). We study step by step the formation and evolution of the q2DES and the chemical interactions that occur between the metal and the LAO/STO. Additionally, magnetotransport experiments elucidate on the transport and electronic properties of the q2DES. This systematic work not only demonstrates a way to study the electrostatic and chemical interplay between the q2DES and its environment, but also unlocks the possibility to couple multifunctional capping layers with the rich physics observed in two-dimensional electron systems, allowing the fabrication of new types of devices.

Growth and Electrostatic/chemical Properties of Metal/LaAlO3/SrTiO3 Heterostructures

We fabricate metal/LaAlO3/SrTiO3 heterostructures using a combination of pulsed laser deposition and in situ magnetron sputtering. Through magnetotransport and in situ X-ray photoelectron spectroscopy experiments, we investigate the interplay between electrostatic and chemical phenomena of the quasi two-dimensional electron gas formed in this system.

Crecimiento y propiedades electrostáticas químico de Metal/LaAlO3/SrTiO3 heteroestructuras

The quasi 2D electron system (q2DES) that forms at the interface between LaAlO3 (LAO) and SrTiO3 (STO) has attracted much attention from the oxide ...

Fabrication of Superhydrophobic Metal Surfaces for Anti-Icing Applications

Several ways to produce superhydrophobic metal surfaces are presented in this work. Aluminum was chosen as the metal substrate due to its wide use in industry. The wettability of the produced surface was analyzed by bouncing drop experiments and the topography was analyzed by confocal microscopy. In addition, we show various methodologies to measure its durability and anti-icing properties. Superhydrophobic surfaces hold a special texture that must be preserved to keep their water-repellency. To fabricate durable surfaces, we followed two strategies to incorporate a resistant texture. The first strategy is a direct incorporation of roughness to the metal substrate by acid etching. After this surface texturization, the surface energy was decreased by silanization or fluoropolymer deposition. The second strategy is the growth of a ceria layer (after surface texturization) that should enhance the surface hardness and corrosion resistance. The surface energy was decreased with a stearic acid film.
The durability of the superhydrophobic surfaces was examined by a particle impact test, mechanical wear by lateral abrasion, and UV-ozone resistance. The anti-icing properties were explored by studying the ability to repeal subcooled water, freezing delay, and ice adhesion.

We illustrate several methodologies to produce superhydrophobic metal surfaces and to explore their durability and anti-icing properties.

Fabricación de superficies metálicas superhidrófobos para aplicaciones anti-hielo

Several ways to produce superhydrophobic metal surfaces are presented in this work. Aluminum was chosen as the metal substrate due to its wide use in ...

Fused Filament Fabrication (FFF) of Metal-Ceramic Components

Technical ceramics are widely used for industrial and research applications, as well as for consumer goods. Today, the demand for complex geometries with diverse customization options and favorable production methods is increasing continuously. With fused filament fabrication (FFF), it is possible to produce large and complex components quickly with high material efficiency. In FFF, a continuous thermoplastic filament is melted in a heated nozzle and deposited below. The computer-controlled print head is moved in order to build up the desired shape layer by layer. Investigations regarding printing of metals or ceramics are increasing more and more in research and industry. This study focuses on additive manufacturing (AM) with a multi-material approach to combine a metal (stainless steel) with a technical ceramic (zirconia: ZrO2). Combining these materials offers a broad variety of applications due to their different electrical and mechanical properties. The paper shows the main issues in preparation of the material and feedstock, device development, and printing of these composites.

Fused Filament Fabrication FFF of Metal-Ceramic Components

This study shows multi-material additive manufacturing (AM) using fused filament fabrication (FFF) of stainless steel and zirconia.

Fabricación de filamento fundido (FFF) de componentes de Metal-cerámica

Technical ceramics are widely used for industrial and research applications, as well as for consumer goods. Today, the demand for complex geometries with ...

Methods Article

Picoinjection de microfluidos gotas sin electrodos metálicos