עבודה זו נתמכה על ידי תכנית חוקר צעיר AFOSR תחת פקולטה פרס ללא מניין 3M FA9550-12-1-0352 ו. המחברים מבקשים להודות לLalisa Stutts וג&#39;נין טום לדיון מועיל הנוגע לפרויקט זה. המחברים מודים למרכז Calit2 מיקרוסקופית ומתקן לייזר ספקטרוסקופיה באוניברסיטת קליפורניה, אירווין הלמאפשרים שימוש במתקניה. חנות מכונת UCI המדעים הפיזיקליים הודג&#39; הרלנד, ושיוכרו עבור הייצור של כלים. פולי (לקטית) סיבי חומצה סופקו בנדיבות על ידי Monofilament Teijin.

1. Catalyzing סיבים של קורבן <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> עטוף את הכמות הרצויה של סיבי פולי (לקטית) חומצה ברחבי נמוך ¾ מציר מותאם אישית. להפחית חפיפה סיבים כדי לספק חשיפת פני השטח המקסימלי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מערבבים deionized H 2 O עם 40 מ&quot;ל של Disperbyk 130 בבקבוק סגור ולנער עד לפתרון הומוגנית מתקבל. אז במקום כוס מ&quot;ל 1,000 באמבט מים ב 37 מעלות צלזיוס ויוצקים trifluoroethanol לתוך הכוס. הסכום של H 2 O וTFE להשתמש תלוי בקוטר סיבי PLA בשימוש. <table border="1" style=";text-align:right;direction:rtl"><tbody><tr><td> קוטר סיב </td><td> הסכום של H 2 O (מ&quot;ל) </td><td> כמות TFE (מ&quot;ל) </td></tr><tr><td> 200 </td><td> 400 </td><td> 400 </td></tr><tr><td> 300 </td><td> 360 </td><td> 440 </td></tr><tr><td> 500 </td><td> 320 </td><td> 480 </td></tr></tbody></table></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להוסיףפתרון H 2 O / Disperbyk 187 לכוס ומערבבים עד אחיד. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הוסף 1 גרם של מלכיט גרין לתערובת ומערבבים עד שהיא נמסה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הנח את הציר המותאם אישית עם סיבים בכוס ½ סנטימטר מחלקו התחתון ולצרף את הציר למיקסר דיגיטלי. לאחר מכן הפעילו את המיקסר הדיגיטלי ב 400 סל&quot;ד. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאט לאט מוסיף 1.3 גרם של פח זרז (השני) אוקסלט (SnOx) לתערובת. התוספת של SnOx חייבת להיות הדרגתית על מנת למנוע agglomerations גדול של חומר ממתרסק מהפתרון. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> התאם את ה-pH בתערובת באמצעות NaOH עד pH ~ הוא 6.8-7.2. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הבטחת מכסה לכוס ולהגדיל את סיבוב הציר ל500 סל&quot;ד במשך 24 שעות. אם מסכת של SnOx הוא ציין, באופן ידני לשבור אותו תוך 2 שעות הראשונה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הסר את הציר ויבש בתנור בחום של 35 מעלות צלזיוס למשך הלילה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לגולל ולהסיר זרז עודף מסיבי PLA catalyzed. </li></ol> 2. כלי הדם הגז exchanייצור יחידת ge <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להשיג זוג צלחות נחושת דפוסים פליז בחיתוך לייזר עם דפוס כלי הדם הרצוי ולהדביק את הצלחות על מחזיקי קליפ. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> גזור אורך 10 סנטימטר של סיבי קטליזאטור לmicrochannel ולהסיר כל זרז שנותר באמצעות צלחת עבה חתכה לקוטר הסיב (תיקו צלחת). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> פיד את הקצוות של הסיבים על ידי שימוש בקצה אקדח דבק חם ללאט extrude את הטיפים הסיבים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השחל את הסיבים באמצעות התאמת חורים בזוגות צלחת דפוסים פליז. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הברג את הלוחות על גבי תיבת דפוס. ודא את הסיבים אינם מעוות כאשר מצרפים את הצלחות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מחרוזת את הטיפים הסיבים באמצעות כוונון יתדות של לוח tensioning המותאם אישית. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מתח סיבי PLA עד מתוח. היזהר שלא על המתח ולהצמיד את הסיבים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הסר חלקיקים עודפים מדפוס הסיבים באמצעות אוויר דחוס. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בסיס תמהיל polydimethylsiloxane (PDMS) עם סוכן ריפוי ב10:01, V: יחס v. </li&gt; <li style=";text-align:right;direction:rtl"> דגה התערובת תחת ואקום בצנצנת ייבוש למשך 10 דקות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יוצקים את תערובת PDMS לתוך תיבת העובש. אין לשפוך ישירות על הסיבים על מנת להפחית את ההשמנה של בועות אוויר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> באמצעות 26 G מחט, להסיר בועות בתוך תיבת דפוס או בין הסיבים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לרפא את תערובת PDMS על 85 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להתיר את הצלחות נחושת מתיבת העובש, כדי לוודא שלא לכופף את הצלחות או למשוך יותר מדי קשה. הסר את שלב 1 st נרפא מתיבת העובש. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השחל את הסיבים באמצעות קצה כובע RTV על ידי ניקוב חורים בקצה הכובע עם מזרק. בהתאם לגודל סיבים, השתמש במד מחט שיש לו לפחות 2x הקוטר הפנימי של הקוטר החיצוני של הסיבים שלך. לשמור על דפוס דומה כמו צלחת פליז הדפוסים, אבל באופן נרחב יותר פרוש. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הדקו את הפקקים מקצה לקצה תיבת עובש גדול ויוצקים שלב 2 nd של PDMS. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הסר את כל בועות גז שנותרו ולרפא על 85 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לחתוך כל סיבים עודפים PLA מהמדגם ומכניס לתנור בואקום 210 מעלות צלזיוס למשך 24 שעות, או עד שסיבי PLA פונו ברובם. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> אם לא ניתן להסיר את כל PLA, בעדינות לפזר מתוך microchannels באמצעות הזרקה של 1 מ&quot;ל של כלורופורם. </li></ol>

<ol>
	<li>Bellan, L. M., Singh, S. P., Henderson, P. W., Porri, T. J., Craighead, H. G., Spector, J. A. <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+an+artificial+3-dimensional+vascular+network+using+sacrificial+sugar+structures.">Fabrication of an artificial 3-dimensional vascular network using sacrificial sugar structures.</a> Soft Matter. 5 (7), 1354 (2009).</li><li>Bellan, L. M., Strychalski, E. A., Craighead, H. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nano-channels+fabricated+in+polydimethylsiloxane+using+sacrificial+electrospun+polyethylene+oxide+nanofibers.">Nano-channels fabricated in polydimethylsiloxane using sacrificial electrospun polyethylene oxide nanofibers.</a> J. Vac. Sci. Technol. B Microelectron. Nanometer Struct. Process. Meas. Phenom. 26 (5), 1728 (2008).</li><li>Borenstein, J. T., Weinberg, E. J., Orrick, B. K., Sundback, C., Kaazempur-Mofrad, M. R., Vacanti, J. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfabrication+of+three-dimensional+engineered+Scaffolds.">Microfabrication of three-dimensional engineered Scaffolds.</a> Tissue Eng. 13 (8), 1837-1844 (2007).</li><li>Wu, H., Odom, T. W., Chiu, D. T., 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=Fabrication+of+complex+three-dimensional+microchannel+systems+in+PDMS.">Fabrication of complex three-dimensional microchannel systems in PDMS.</a> J. Am. Chem. Soc. 125 (2), 554-559 (2003).</li><li>Trask, R. S., Bond, I. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biomimetic+self-healing+of+advanced+composite+structures+using+hollow+glass+fibres.">Biomimetic self-healing of advanced composite structures using hollow glass fibres.</a> Smart Mater. Struct. 15 (3), 704-710 (2006).</li><li>Dong, H., Esser-Kahn, A. P., 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=Chemical+treatment+of+poly(lactic+acid)+fibers+to+enhance+the+rate+of+thermal+depolymerization.">Chemical treatment of poly(lactic acid) fibers to enhance the rate of thermal depolymerization.</a> ACS Appl. Mater. Interfaces. 4 (2), 503-509 (2012).</li><li>Esser-Kahn, A. P., Thakre, P. R., 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=Three-dimensional+microvascular+fiber-reinforced+composites.">Three-dimensional microvascular fiber-reinforced composites.</a> Adv. Mater. 23 (32), 3654-3658 (2011).</li><li>White, S. R., Blaiszik, B. J., Kramer, S. L. B., Olugebefola, S. C., Moore, J. S., Sottos, N. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Self-healing+polymers+and+composites.">Self-healing polymers and composites.</a> Am. Sci. 99 (5), 392 (2011).</li><li>Nguyen, D. T., Leho, Y. T., Esser-Kahn, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+three-dimensional+microvascular+gas+exchange+unit+for+carbon+dioxide+capture.">A three-dimensional microvascular gas exchange unit for carbon dioxide capture.</a> Lab Chip. 12 (7), 1246 (2012).</li><li>Nguyen, D. T., Leho, Y. T., Esser-Kahn, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+effect+of+membrane+thickness+on+a+microvascular+gas+exchange+unit.">The effect of membrane thickness on a microvascular gas exchange unit.</a> Adv. Funct. Mater. , (2012).</li></ol>

יש לנו גישת בקשה לפטנט זמני על טכנולוגית und יישום זה בארה&quot;ב הפטנט בארה&quot;ב זמני סידורי מספר 61/590, 086.

כניסתה של זרז SnOx לתוך סיבי PLA מאפשרת סיבי depolymerize בטמפרטורה נמוכה יותר. זה מונע את הפירוק של שרף ההטבעה, במקרה זה PDMS. ציר מותאם אישית נדרש לערבב את פתרון הטיפול (איור 5 א) כמו שצריך. הציר מורכב משש מוטות תמיכה המקיפות ליבה מרכזית המתחברת למיקסר דיגיטלי. הסיבים הם ...

מערכות טבעיות להשתמש ברשתות כלי דם נרחבות כדי להקל על תפקודים ביולוגיים רבים. תחבורה המונית ניתן להשיג יעילות במערכות כאלה בשל שטח פנים גבוה ליחסי נפח אריזה ומבנים אופטימליים. בעוד רבים טכניקות ייצור סינטטיים יכולות לייצר מבני כלי הדם, אף אחד יכול לייצר microvasculature בקנה מידה גדול, תוך שמירה על תאימות עם מורכבות ושיטות ייצור קיימות 1-5. מבנים כגון ריאות עופות לספק השראה. איך אפשר לפברק מבנים של מורכבות זו לשיפור תחבורה המונית? האידוי של רכיב של קורבן (VaSC) יכול לייצר מבנים בקנה מידה גדול ומורכבים, כלי הדם 6-7. שיטה זו משתמשת depolymerization התרמית והסרת אידוי של פולי (לקטית) סיבי חומצה כדי ליצור ערוצים חלולים שההופכי של תבנית הסיבים. זוהי טכניקת ההקרבה תואמת את ייצור הקייםשיטות. יכולים להיווצר דפוסי מטר ארוכים, גליליים microchannel באמצעות תהליך ייצור זה. זה יכול לשמש כדי ליצור התקני vascularized כגון פולימרים ריפוי עצמי ויחידות לכידת פחם כלי הדם 3D 7-10. יחידות לכידת פחמן נוצרו בהשראת ריאות עופות המספקת בשל יחס גז לבורסה למשקל יעיל לשימוש בו בטיסה. Parabronchus מורכב מmicrochannels בדוגמת משושים, המספק שערי חליפין דלק גבוהים ויחידות חילוף גזים יציבים מבחינה מבנית. על מנת ליצור יחידות מחליפות עם תכונות microscale מיושרות בשלושה ממדים, שפתחנו שיטה למתיחת סיבים באופן עצמאי באמצעות לוח מתח מעוצב אישית עם מקלטי גיטרה וצלחות לייזר micromachined. כל סיבים מתקיימים במקום על ידי מתח חיצוני ואת התבנית מוגדרת על ידי המיקום של חורים בצלחת דרכו את הסיבים לרוץ.

<table><tbody><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;Reagent&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>Tin (II) oxalate</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>402761</td><td></td></tr><tr><td>Disperbyk 130</td><td>BYK Additives Instruments</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Trifluoroethanol</td><td>Halocarbon</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Malachite Green (technical grade)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>M6880</td><td></td></tr><tr><td>Sodium hydroxide (&amp;ge;98%, pellets)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>S5881</td><td></td></tr><tr><td>Polydimethylsiloxane (PDMS)</td><td>Dow Corning</td><td>3097358-1004</td><td>Distributed from Ellsworth Adhesives</td></tr><tr><td>Poly(lactic) acid fibers</td><td>Teijin Monofilament</td><td></td><td></td></tr><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;Material&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>RW 20 Digital Mixer</td><td>IKA</td><td>3593001</td><td></td></tr><tr><td>Desiccator Jar</td><td>Pyrex</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Vacuum Oven</td><td>Fisher Scientific</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Third Hand</td><td>Jameco Electronics</td><td>26690</td><td>Plate holder</td></tr><tr><td>Glue Gun</td><td>Stanley</td><td>GR20L</td><td></td></tr><tr><td>PLA Spindle</td><td></td><td></td><td>Custom made</td></tr><tr><td>Tensioning Board</td><td></td><td></td><td>Custom made</td></tr></tbody></table>

process of making three-dimensional microstructures using vaporization of a sacrificial component

מבני כלי דם במערכות טבעיות מסוגלים לספק תחבורה המונית גבוהה דרך שטח פנים גבוה ומבנה אופטימלי. טכניקות ייצור חומר סינטטי מעטים מסוגלים לחקות את המורכבות של מבנים אלה, תוך שמירה על יכולת הרחבה. האידוי של רכיב תהליך של קורבן (VaSC) הוא מסוגל לעשות זאת. תהליך זה משתמש בסיבי ההקרבה כתבנית ליצירת microchannels חלול, גלילי מוטבעים בתוך מטריצה. טין (השני) אוקסלט (SnOx) מוטבע בתוך פולי (לקטית) חומצה (PLA) סיבים המאפשר את השימוש בתהליך זה. SnOx מזרז depolymerization של סיבי PLA בטמפרטורות נמוכות יותר. את מונומרים החומצה לקטית הם גזים בטמפרטורות אלה וניתן להסיר מהמטריצה ​​מוטבעת בטמפרטורות שלא לפגוע במטריקס. כאן אנו מציגים שיטה ליישור סיבים אלה באמצעות צלחות micromachined ומכשיר מתיחה ליצור תבניות מורכבות של תלת ממד microchannels ערוך.התהליך מאפשר הבדיקה של כמעט כל הסדר של סיבי טופולוגיות ומבנים.

הליך זה מספק שיטה של ​​בודה מבני כלי הדם מוטבע בתוך שרף. מבנים אלה יכולים להתאים למגוון רחב של תבניות (איור 2). המבנה של רשת כלי הדם מוגבל רק על ידי המבנים שיכולים להיוצר עם סיבי ההקרבה. באמצעות הסדר מקביל של ערוצי כלי הדם, ...

Watch this Scientific Journal Video about Process of Making Three-dimensional Microstructures using Vaporization of a Sacrificial Component at JoVE.com

Process of Making Three-dimensional Microstructures using Vaporization of a Sacrificial Component

האידוי של רכיב תהליך של קורבן (VaSC) משמש לפברק מבני כלי הדם. הליך זה נעשה שימוש בסיבי חומצה לקטית (הקרבת פולי) כדי ליצור microchannels חלול עם מיצוב גיאומטרי 3D מדויק המסופק על ידי צלחות ספר micromachined לייזר.

תהליך של הפיכת Microstructures תלת ממדי באמצעות אידוי של רכיב של קורבן

Vascular structures in natural systems are able to provide high mass transport through high surface areas and optimized structure. Few synthetic material ...

process-making-three-dimensional-microstructures-using-vaporization

Research

JoVE Journal

Engineering

9.0K Views.  University of California, Irvine.  האידוי של רכיב תהליך של קורבן (VaSC) משמש לפברק מבני כלי הדם. הליך זה נעשה שימוש בסיבי חומצה לקטית (הקרבת פולי) כדי ליצור microchannels חלול עם מיצוב גיאומטרי 3D מדויק המסופק על ידי צלחות ספר micromachined לייזר. 

Video: Process of Making Three-dimensional Microstructures using Vaporization of a Sacrificial Component

Fabrication of Silica Ultra High Quality Factor Microresonators

Whispering gallery resonant cavities confine light in circular orbits at their periphery.1-2 The photon storage lifetime in the cavity, quantified by the quality factor (Q) of the cavity, can be in excess of 500ns for cavities with Q factors above 100 million. As a result of their low material losses, silica microcavities have demonstrated some of the longest photon lifetimes to date1-2. Since a portion of the circulating light extends outside the resonator, these devices can also be used to probe the surroundings. This interaction has enabled numerous experiments in biology, such as single molecule biodetection and antibody-antigen kinetics, as well as discoveries in other fields, such as development of ultra-low-threshold microlasers, characterization of thin films, and cavity quantum electrodynamics studies.3-7
The two primary silica resonant cavity geometries are the microsphere and the microtoroid. Both devices rely on a carbon dioxide laser reflow step to achieve their ultra-high-Q factors (Q&gt;100 million).1-2,8-9 However, there are several notable differences between the two structures. Silica microspheres are free-standing, supported by a single optical fiber, whereas silica microtoroids can be fabricated on a silicon wafer in large arrays using a combination of lithography and etching steps. These differences influence which device is optimal for a given experiment.
Here, we present detailed fabrication protocols for both types of resonant cavities. While the fabrication of microsphere resonant cavities is fairly straightforward, the fabrication of microtoroid resonant cavities requires additional specialized equipment and facilities (cleanroom). Therefore, this additional requirement may also influence which device is selected for a given experiment.
Introduction
An optical resonator efficiently confines light at specific wavelengths, known as the resonant wavelengths of the device. 1-2 The common figure of merit for these optical resonators is the quality factor or Q. This term describes the photon lifetime (&tau;o) within the resonator, which is directly related to the resonator's optical losses. Therefore, an optical resonator with a high Q factor has low optical losses, long photon lifetimes, and very low photon decay rates (1/&tau;o). As a result of the long photon lifetimes, it is possible to build-up extremely large circulating optical field intensities in these devices. This very unique property has allowed these devices to be used as laser sources and integrated biosensors.10
A unique sub-class of resonators is the whispering gallery mode optical microcavity. In these devices, the light is confined in circular orbits at the periphery. Therefore, the field is not completely confined within the device, but evanesces into the environment. Whispering gallery mode optical cavities have demonstrated some of the highest quality factors of any optical resonant cavity to date.9,11 Therefore, these devices are used throughout science and engineering, including in fundamental physics studies and in telecommunications as well as in biodetection experiments. 3-7,12
Optical microcavities can be fabricated from a wide range of materials and in a wide variety of geometries. A few examples include silica and silicon microtoroids, silicon, silicon nitride, and silica microdisks, micropillars, and silica and polymer microrings.13-17 The range in quality factor (Q) varies as dramatically as the geometry. Although both geometry and high Q are important considerations in any field, in many applications, there is far greater leverage in boosting device performance through Q enhancement. Among the numerous options detailed previously, the silica microsphere and the silica microtoroid resonator have achieved some of the highest Q factors to date.1,9 Additionally, as a result of the extremely low optical loss of silica from the visible through the near-IR, both microspheres and microtoroids are able to maintain their Q factors over a wide range of testing wavelengths.18 Finally, because silica is inherently biocompatible, it is routinely used in biodetection experiments.
In addition to high material absorption, there are several other potential loss mechanisms, including surface roughness, radiation loss, and contamination loss.2 Through an optimization of the device size, it is possible to eliminate radiation losses, which arise from poor optical field confinement within the device. Similarly, by storing a device in an appropriately clean environment, contamination of the surface can be minimized. Therefore, in addition to material loss, surface scattering is the primary loss mechanism of concern.2,8
In silica devices, surface scattering is minimized by using a laser reflow technique, which melts the silica through surface tension induced reflow. While spherical optical resonators have been studied for many years, it is only with recent advances in fabrication technologies that researchers been able to fabricate high quality silica optical toroidal microresonators (Q&gt;100 million) on a silicon substrate, thus paving the way for integration with microfluidics.1
The present series of protocols details how to fabricate both silica microsphere and microtoroid resonant cavities. While silica microsphere resonant cavities are well-established, microtoroid resonant cavities were only recently invented.1 As many of the fundamental methods used to fabricate the microsphere are also used in the more complex microtoroid fabrication procedure, by including both in a single protocol it will enable researchers to more easily trouble-shoot their experiments.

We describe the use of a carbon dioxide laser reflow technique to fabricate silica resonant cavities, including free-standing microspheres and on-chip microtoroids. The reflow method removes surface imperfections, allowing long photon lifetimes within both devices. The resulting devices have ultra high quality factors, enabling applications ranging from telecommunications to biodetection.

ייצור של אולטרה סיליקה Microresonators באיכות גבוהה פקטור

Whispering gallery resonant cavities confine light in circular orbits at their periphery.1-2 The photon storage lifetime in the cavity, quantified by the ...

Revealing Dynamic Processes of Materials in Liquids Using Liquid Cell Transmission Electron Microscopy

The recent development for in situ transmission electron microscopy, which allows imaging through liquids with high spatial resolution, has attracted significant interests across the research fields of materials science, physics, chemistry and biology. The key enabling technology is a liquid cell. We fabricate liquid cells with thin viewing windows through a sequential microfabrication process, including silicon nitride membrane deposition, photolithographic patterning, wafer etching, cell bonding, etc. A liquid cell with the dimensions of a regular TEM grid can fit in any standard TEM sample holder. About 100 nanoliters reaction solution is loaded into the reservoirs and about 30 picoliters liquid is drawn into the viewing windows by capillary force. Subsequently, the cell is sealed and loaded into a microscope for in situ imaging. Inside the TEM, the electron beam goes through the thin liquid layer sandwiched between two silicon nitride membranes. Dynamic processes of nanoparticles in liquids, such as nucleation and growth of nanocrystals, diffusion and assembly of nanoparticles, etc., have been imaged in real time with sub-nanometer resolution. We have also applied this method to other research areas, e.g., imaging proteins in water. Liquid cell TEM is poised to play a major role in revealing dynamic processes of materials in their working environments. It may also bring high impact in the study of biological processes in their native environment.

We have developed a self-contained liquid cell, which allows imaging through liquids using a transmission electron microscope. Dynamic processes of nanoparticles in liquids can be revealed in real time with sub-nanometer resolution.

חושף תהליכים דינמיים של חומרים בנוזלים באמצעות מיקרוסקופ אלקטרוני הילוכים סלולריים נוזלי

The recent development for in situ transmission electron microscopy, which allows imaging through liquids with high spatial resolution, has attracted ...

Manufacturing of Three-dimensionally Microstructured Nanocomposites through Microfluidic Infiltration

Microstructured composite beams reinforced with complex three-dimensionally (3D) patterned nanocomposite microfilaments are fabricated via nanocomposite in&#64257;ltration of 3D interconnected microfluidic networks. The manufacturing of the reinforced beams begins with the fabrication of microfluidic networks, which involves layer-by-layer deposition of fugitive ink filaments using a dispensing robot, filling the empty space between filaments using a low viscosity resin, curing the resin and finally removing the ink.&#160;Self-supported 3D structures with other geometries and many layers (e.g.&#160;a few hundreds layers) could be built using this method. The resulting tubular micro&#64258;uidic networks are then infiltrated with thermosetting nanocomposite suspensions containing nanofillers (e.g.&#160;single-walled carbon nanotubes), and subsequently cured. The infiltration is done by applying a pressure gradient between two ends of the empty network (either by applying a vacuum or vacuum-assisted microinjection). Prior to the infiltration, the nanocomposite suspensions are prepared by dispersing nanofillers into polymer matrices using ultrasonication and three-roll mixing methods. The nanocomposites (i.e.&#160;materials infiltrated) are then solidified under UV exposure/heat cure, resulting in a 3D-reinforced composite structure. The technique presented here enables the design of functional nanocomposite macroscopic products for microengineering applications such as actuators and sensors.

Three-dimensional (3D) microstructured composite beams are fabricated through the directed and localized infiltration of nanocomposites into 3D porous microfluidic networks. The flexibility of this manufacturing method enables the utilization of different thermosetting materials and nanofillers in order to achieve a variety of functional 3D reinforced nanocomposite macroscopic products.

ייצור של Nanocomposites microstructured תלת ממדי באמצעות Microfluidic הסתננות

Microstructured composite beams reinforced with complex three-dimensionally (3D) patterned nanocomposite microfilaments are fabricated via nanocomposite ...

Chemistry

Micro-masonry for 3D Additive Micromanufacturing

Transfer printing is a method to transfer solid micro/nanoscale materials (herein called &#8216;inks&#8217;) from a substrate where they are generated to a different substrate by utilizing elastomeric stamps. Transfer printing enables the integration of heterogeneous materials to fabricate unexampled structures or functional systems that are found in recent advanced devices such as flexible and stretchable solar cells and LED arrays. While transfer printing exhibits unique features in material assembly capability, the use of adhesive layers or the surface modification such as deposition of self-assembled monolayer (SAM) on substrates for enhancing printing processes hinders its wide adaptation in microassembly of microelectromechanical system (MEMS) structures and devices. To overcome this shortcoming, we developed an advanced mode of transfer printing which deterministically assembles individual microscale objects solely through controlling surface contact area without any surface alteration. The absence of an adhesive layer or other modification and the subsequent material bonding processes ensure not only mechanical bonding, but also thermal and electrical connection between assembled materials, which further opens various applications in adaptation in building unusual MEMS devices.

This paper introduces a 3D additive micromanufacturing strategy (termed &#8216;micro-masonry&#8217;) for the flexible fabrication of microelectromechanical system (MEMS) structures and devices. This approach involves transfer printing-based assembly of micro/nanoscale materials in conjunction with rapid thermal annealing-enabled material bonding techniques.

מיקרו בנייה לMicromanufacturing 3D תוסף

Transfer printing is a method to transfer solid micro/nanoscale materials (herein called &#8216;inks&#8217;) from a substrate where they are generated to ...

Microfabrication of Chip-sized Scaffolds for Three-dimensional Cell cultivation

Using microfabrication technologies is a prerequisite to create scaffolds of reproducible geometry and constant quality for three-dimensional cell cultivation. These technologies offer a wide spectrum of advantages not only for manufacturing but also for different applications. The size and shape of formed cell clusters can be influenced by the exact and reproducible architecture of the microfabricated scaffold and, therefore, the diffusion path length of nutrients and gases can be controlled.1 This is unquestionably a useful tool to prevent apoptosis and necrosis of cells due to an insufficient nutrient and gas supply or removal of cellular metabolites.
Our polymer chip, called CellChip, has the outer dimensions of 2 x 2 cm with a central microstructured area. This area is subdivided into an array of up to 1156 microcontainers with a typical dimension of 300 m edge length for the cubic design (cp- or cf-chip) or of 300 m diameter and depth for the round design (r-chip).2
So far, hot embossing or micro injection moulding (in combination with subsequent laborious machining of the parts) was used for the fabrication of the microstructured chips. Basically, micro injection moulding is one of the only polymer based replication techniques that, up to now, is capable for mass production of polymer microstructures.3 However, both techniques have certain unwanted limitations due to the processing of a viscous polymer melt with the generation of very thin walls or integrated through holes. In case of the CellChip, thin bottom layers are necessary to perforate the polymer and provide small pores of defined size to supply cells with culture medium e.g. by microfluidic perfusion of the containers.
In order to overcome these limitations and to reduce the manufacturing costs we have developed a new microtechnical approach on the basis of a down-scaled thermoforming process. For the manufacturing of highly porous and thin walled polymer chips, we use a combination of heavy ion irradiation, microthermoforming and track etching. In this so called "SMART" process (Substrate Modification And Replication by Thermoforming) thin polymer films are irradiated with energetic heavy projectiles of several hundred MeV introducing so-called "latent tracks" Subsequently, the film in a rubber elastic state is formed into three dimensional parts without modifying or annealing the tracks. After the forming process, selective chemical etching finally converts the tracks into cylindrical pores of adjustable diameter.

We present two processes for the microfabrication of porous polymer chips for three-dimensional cell cultivation. The first one is hot embossing combined with a solvent vapour welding process. The second one uses a recently developed microthermoforming process combined with ion track technology leading to a significant simplification of manufacture.

Microfabrication של שבב בגודל פיגומים לעיבוד תלת ממדי נייד

Using microfabrication technologies is a prerequisite to create scaffolds of reproducible geometry and constant quality for three-dimensional cell ...

Biology

Indirect Fabrication of Lattice Metals with Thin Sections Using Centrifugal Casting

One of the typical methods to manufacture 3D lattice metals is the direct-metal additive manufacturing (AM) process such as Selective Laser Melting (SLM) and Electron Beam Melting (EBM). In spite of its potential processing capability, the direct AM method has several disadvantages such as high cost, poor surface finish of final products, limitation in material selection, high thermal stress, and anisotropic properties of parts. We propose a cost-effective method to manufacture 3D lattice metals. The objective of this study is to provide a detailed protocol on fabrication of 3D lattice metals having a complex shape and a thin wall thickness; e.g., octet truss made of Al and Cu alloys having a unit cell length of 5 mm and a cell wall thickness of 0.5 mm. An overall experimental procedure is divided into eight sections: (a) 3D printing of sacrificial patterns (b) melt-out of support materials (c) removal of residue of support materials (d) pattern assembly (e) investment (f) burn-out of sacrificial patterns (g) centrifugal casting (h) post-processing for final products. The suggested indirect AM technique provides the potential to manufacture ultra-lightweight lattice metals; e.g., lattice structures with Al alloys. It appears that the process parameters should be properly controlled depending on materials and lattice geometry, observing the final products of octet truss metals by the indirect AM technique.

An indirect additive manufacturing method combining a 3D printing of polymers with a centrifugal casting is outlined for manufacturing 3D octet truss metals (Al and Cu alloys) having a unit cell length of 5 mm with a wall thickness of 0.5 mm.

ייצור עקיף של סריג מתכות סעיפים דקים באמצעות יציקה צנטריפוגלי

One of the typical methods to manufacture 3D lattice metals is the direct-metal additive manufacturing (AM) process such as Selective Laser Melting (SLM) ...

Microfluidic Pneumatic Cages: A Novel Approach for In-chip Crystal Trapping, Manipulation and Controlled Chemical Treatment

The precise localization and controlled chemical treatment of structures on a surface are significant challenges for common laboratory technologies. Herein, we introduce a microfluidic-based technology, employing a double-layer microfluidic device, which can trap and localize in situ and ex situ synthesized structures on microfluidic channel surfaces. Crucially, we show how such a device can be used to conduct controlled chemical reactions onto on-chip trapped structures and we demonstrate how the synthetic pathway of a crystalline molecular material and its positioning inside a microfluidic channel can be precisely modified with this technology. This approach provides new opportunities for the controlled assembly of structures on surface and for their subsequent treatment.

Herein, we describe the fabrication and operation of a double-layer microfluidic system made of polydimethylsiloxane (PDMS). We demonstrate the potential of this device for trapping, directing the coordination pathway of a crystalline molecular material and controlling chemical reactions onto on-chip trapped structures.

כלובי פניאומטיים Microfluidic: גישה חדשנית עבור In-שבב קריסטל שמן, מניפולצית טיפול כימי מבוקרת

The precise localization and controlled chemical treatment of structures on a surface are significant challenges for common laboratory technologies. ...

Fabrication of 3D Carbon Microelectromechanical Systems (C-MEMS)

A wide range of carbon sources are available in nature, with a variety of micro-/nanostructure configurations. Here, a novel technique to fabricate long and hollow glassy carbon microfibers derived from human hairs is introduced. The long and hollow carbon structures were made by the pyrolysis of human hair at 900 &#176;C in a N2 atmosphere. The morphology and chemical composition of natural and pyrolyzed human hairs were investigated using scanning electron microscopy (SEM) and electron-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), respectively, to estimate the physical and chemical changes due to pyrolysis. Raman spectroscopy was used to confirm the glassy nature of the carbon microstructures. Pyrolyzed hair carbon was introduced to modify screen-printed carbon electrodes ; the modified electrodes were then applied to the electrochemical sensing of dopamine and ascorbic acid. Sensing performance of the modified sensors was improved as compared to the unmodified sensors. To obtain the desired carbon structure design, carbon micro-/nanoelectromechanical system (C-MEMS/C-NEMS) technology was developed. The most common C-MEMS/C-NEMS fabrication process consists of two steps: (i) the patterning of a carbon-rich base material, such as a photosensitive polymer, using photolithography; and (ii) carbonization through the pyrolysis of the patterned polymer in an oxygen-free environment. The C-MEMS/NEMS process has been widely used to develop microelectronic devices for various applications, including in micro-batteries, supercapacitors, glucose sensors, gas sensors, fuel cells, and triboelectric nanogenerators. Here, recent developments of a high-aspect ratio solid and hollow carbon microstructures with SU8 photoresists are discussed. The structural shrinkage during pyrolysis was investigated using confocal microscopy and SEM. Raman spectroscopy was used to confirm the crystallinity of the structure, and the atomic percentage of the elements present in the material before and after pyrolysis was measured using EDX.

Fabrication of 3D Carbon Microelectromechanical Systems C-MEMS

Long and hollow glassy carbon microfibers were fabricated based on the pyrolysis of a natural product, human hair. The two fabrication steps of carbon microelectromechanical and carbon nanoelectromechanical systems, or C-MEMS and C-NEMS, are: (i) photolithography of a carbon-rich polymer precursor and (ii) pyrolysis of the patterned polymer precursor.

ייצור של 3D מערכות מיקרואלקטרו-מכניות פחמן (C-MEMS)

A wide range of carbon sources are available in nature, with a variety of micro-/nanostructure configurations. Here, a novel technique to fabricate long ...

A Soft Tooling Process Chain for Injection Molding of a 3D Component with Micro Pillars

The purpose of this paper is to present the method of a soft tooling process chain employing Additive Manufacturing (AM) for fabrication of injection molding inserts with micro surface features. The Soft Tooling inserts are manufactured by Digital Light Processing (vat photo polymerization) using a photopolymer that can withstand relatively high temperaturea. The part manufactured here has four tines with an angle of 60&#176;. Micro pillars (&#216;200 &#181;m, aspect ratio of 1) are arranged on the surfaces by two rows. Polyethylene (PE) injection molding with the soft tooling inserts is used to fabricate the final parts. This method demonstrates that it is feasible to obtain injection-molded parts with microstructures on complex geometry by additive manufactured inserts. The machining time and cost is reduced significantly compared to conventional tooling processes based on computer numerical control (CNC) machining. The dimensions of the micro features are influenced by the applied additive manufacturing process. The lifetime of the inserts determines that this process is more suitable for pilot production. The precision of the inserts production is limited by the additive manufacturing process as well.

A protocol for fabricating injection molding inserts for complex geometry with micro features on surfaces employing Additive Manufacturing (AM) is presented.

עמודי רשת אבזור רך בתהליך הזרקה של רכיב 3D עם מיקרו

The purpose of this paper is to present the method of a soft tooling process chain employing Additive Manufacturing (AM) for fabrication of injection ...

Rendering SiO2/Si Surfaces Omniphobic by Carving Gas-Entrapping Microtextures Comprising Reentrant and Doubly Reentrant Cavities or Pillars

We present microfabrication protocols for rendering intrinsically wetting materials repellent to liquids (omniphobic) by creating gas-entrapping microtextures (GEMs) on them comprising cavities and pillars with reentrant and doubly reentrant features. Specifically, we use SiO2/Si as the model system and share protocols for two-dimensional (2D) designing, photolithography, isotropic/anisotropic etching techniques, thermal oxide growth, piranha cleaning, and storage towards achieving those microtextures. Even though the conventional wisdom indicates that roughening intrinsically wetting surfaces (&#952;o &#60; 90&#176;) renders them even more wetting (&#952;r &#60; &#952;o &#60; 90&#176;), GEMs demonstrate liquid repellence despite the intrinsic wettability of the substrate. For instance, despite the intrinsic wettability of silica &#952;o &#8776; 40&#176; for the water/air system, and &#952;o &#8776; 20&#176; for the hexadecane/air system, GEMs comprising cavities entrap air robustly on immersion in those liquids, and the apparent contact angles for the droplets are &#952;r &#62; 90&#176;. The reentrant and doubly reentrant features in the GEMs stabilize the intruding liquid meniscus thereby trapping the liquid-solid-vapor system in metastable air-filled states (Cassie states) and delaying wetting transitions to the thermodynamically-stable fully-filled state (Wenzel state) by, for instance, hours to months. Similarly, SiO2/Si surfaces with arrays of reentrant and doubly reentrant micropillars demonstrate extremely high contact angles (&#952;r &#8776; 150&#176;&#8211;160&#176;) and low contact angle hysteresis for the probe liquids, thus characterized as superomniphobic. However, on immersion in the same liquids, those surfaces dramatically lose their superomniphobicity and get fully-filled within &#60;1 s. To address this challenge, we present protocols for hybrid designs that comprise arrays of doubly reentrant pillars surrounded by walls with doubly reentrant profiles. Indeed, hybrid microtextures entrap air on immersion in the probe liquids. To summarize, the protocols described here should enable the investigation of GEMs in the context of achieving omniphobicity without chemical coatings, such as perfluorocarbons, which might unlock the scope of inexpensive common materials for applications as omniphobic materials. Silica microtextures could also serve as templates for soft materials.

Rendering SiO2/Si Surfaces Omniphobic by Carving Gas-Entrapping Microtextures Comprising Reentrant and Doubly Reentrant Cavities or Pillars

This work presents microfabrication protocols for achieving cavities and pillars with reentrant and doubly reentrant profiles on SiO2/Si wafers using photolithography and dry etching. Resulting microtextured surfaces demonstrate remarkable liquid repellence, characterized by robust long-term entrapment of air under wetting liquids, despite the intrinsic wettability of silica.

תהליך של הפיכת Microstructures תלת ממדי באמצעות אידוי של רכיב של קורבן

Summary

Explore More Videos

Chapters in this video

ייצור של אולטרה סיליקה Microresonators באיכות גבוהה פקטור

חושף תהליכים דינמיים של חומרים בנוזלים באמצעות מיקרוסקופ אלקטרוני הילוכים סלולריים נוזלי

ייצור של Nanocomposites microstructured תלת ממדי באמצעות Microfluidic הסתננות

מיקרו בנייה לMicromanufacturing 3D תוסף

Microfabrication של שבב בגודל פיגומים לעיבוד תלת ממדי נייד

ייצור עקיף של סריג מתכות סעיפים דקים באמצעות יציקה צנטריפוגלי

כלובי פניאומטיים Microfluidic: גישה חדשנית עבור In-שבב קריסטל שמן, מניפולצית טיפול כימי מבוקרת

ייצור של 3D מערכות מיקרואלקטרו-מכניות פחמן (C-MEMS)

עמודי רשת אבזור רך בתהליך הזרקה של רכיב 3D עם מיקרו

עיבוד SiO₂/סי משטחים אומניפובי על ידי גילוף מיקרוטקסטורות גז-מיקרו הכוללת חללים מחדש ושני עמודים

תהליך של הפיכת Microstructures תלת ממדי באמצעות אידוי של רכיב של קורבן

Summary

Explore More Videos

Chapters in this video

ייצור של אולטרה סיליקה Microresonators באיכות גבוהה פקטור

חושף תהליכים דינמיים של חומרים בנוזלים באמצעות מיקרוסקופ אלקטרוני הילוכים סלולריים נוזלי

ייצור של Nanocomposites microstructured תלת ממדי באמצעות Microfluidic הסתננות

מיקרו בנייה לMicromanufacturing 3D תוסף

Microfabrication של שבב בגודל פיגומים לעיבוד תלת ממדי נייד

ייצור עקיף של סריג מתכות סעיפים דקים באמצעות יציקה צנטריפוגלי

כלובי פניאומטיים Microfluidic: גישה חדשנית עבור In-שבב קריסטל שמן, מניפולצית טיפול כימי מבוקרת

ייצור של 3D מערכות מיקרואלקטרו-מכניות פחמן (C-MEMS)

עמודי רשת אבזור רך בתהליך הזרקה של רכיב 3D עם מיקרו

עיבוד SiO2/סי משטחים אומניפובי על ידי גילוף מיקרוטקסטורות גז-מיקרו הכוללת חללים מחדש ושני עמודים

עיבוד SiO₂/סי משטחים אומניפובי על ידי גילוף מיקרוטקסטורות גז-מיקרו הכוללת חללים מחדש ושני עמודים