Questo lavoro è stato sostenuto da Technologico de Monterrey e dall&#39;Università della California a Irvine.

1. Fabbricazione 3D del tessuto carbonio derivato dai capelli umani NOTA: utilizzare dispositivi di protezione individuale. Seguire le istruzioni di laboratorio per utilizzare gli strumenti e lavorare all&#39;interno del laboratorio. <ol><li> Preparare i capelli umani raccolti lavandolo con acqua DI e asciugandolo con gas N 2 . </li><li> Disporre i capelli come desiderato, ad esempio in fili paralleli, attraversare, con due peli avvolti, ecc. </li><li> Fissare i capelli a un substrato di silicio utilizzando SU8 o tenerli direttamente in una barca in ceramica. </li><li> Posizionare il substrato o la barca in silicone attaccato ai capelli in un forno. </li><li> Accendere il forno e aprire la valvola di un serbatoio inerte (N 2 ). NOTA: la portata ottimale del gas dipende dal volume del tubo del forno. È stata applicata una portata di 6 L / min per un volume di tubo di 6 L. Per creare un ambiente completamente inerte nel tubo del forno, una portata di gas 1,5 volte superiore al gas ottimale fBasso tasso è stato applicato per i primi 15 min. </li><li> Impostare i parametri, compresa la temperatura massima di pirolisi, la velocità di rampa di temperatura e la portata del gas inerte e eseguire il forno. <ol><li> Ad esempio, aumentare la temperatura da temperatura ambiente a 300 ° C ad una velocità di rampa di 5 ° C / min. Tenere a 300 ° C per 1 ora per la stabilizzazione. Aumentare ulteriormente la temperatura a 900 ° C e mantenerla per 1 ora di più per la carbonizzazione. </li><li> Raffreddare la fornace fino a 300 ° C ad una velocità di 10 ° C / min e spegnere la stufa del forno, poiché il raffreddamento controllato non è necessario dopo 300 ° C. Lasciare i campioni nel forno fino a che la temperatura raggiunge la temperatura ambiente solo con il flusso N 2 . </li></ol></li><li> Spegnere il forno e il flusso del gas al completamento del processo di pirolisi. </li><li> Prendi i campioni fuori dal forno. </li></ol> 2. Struttura del polimero 3D: Fotolitografia <ol><li> desInserire un layout 2D della struttura di fotoresistenza 3D desiderata utilizzando un pacchetto software appropriato e preparare la maschera stampata ( cioè una maschera fotofilm in polietilene). NOTA: Un servizio commerciale è stato utilizzato per ottenere il disegno stampato. La dimensione della maschera dipende generalmente dal disegno. </li><li> In un impianto di laboratorio pulito, accendere due piastre calde e impostare le temperature a 65 ° C e 95 ° C rispettivamente. </li><li> Accendere un rivestimento di spin e una pompa per vuoto. Assicurarsi che la pompa a vuoto sia collegata tramite un tubo alla testa del filatore. </li><li> Impostare i parametri della rotazione a due fasi, come la velocità di rotazione, la rampa e la durata. Per il primo passo, impostare la velocità di rotazione a 500 rpm, la rampa a 100 rpm / s e il tempo di rotazione a 10 s per iniziare il ciclo di rotazione. Per il passo successivo, impostare la velocità di rotazione a 1.000 giri / min, la rampa a 100 giri / min e il tempo di rotazione a 30 s per distribuire uniformemente il fotoresist. </li><li> Posizionare un substrato ( cioè un 4 pollici x 4 pollici e 5501; wafer di Si ± 25 μm con uno strato SiO 2 di 1 μm) al centro del supporto. </li><li> Depurare il polimero fotosensibile (cioè il fotoresist SU8) direttamente sul centro del substrato. Utilizzate abbastanza per coprire la superficie. </li><li> Spingere il pulsante &quot;vuoto&quot; per trattenere il substrato. </li><li> Spingere il pulsante &quot;Run&quot; per rivestire il substrato con SU8 e per ottenere uno spessore finale di 250 μm. </li><li> Dopo il completamento del processo di filatura, premere nuovamente il pulsante &quot;vuoto&quot; per rilasciare il substrato rivestito dal supporto. </li><li> Mantenere attentamente il substrato rivestito con un tweezer per mantenere la superficie liscia e pulita. Trasferire il substrato direttamente sulla piastra calda a 65 ° C per 6 minuti e poi sulla piastra calda a 95 ° C per 40 minuti (soffice cuocere). NOTA: La cottura a 65 ° C è necessaria per garantire l&#39;evaporazione lenta del solvente, con conseguente migliore rivestimento e migliore adesioneO il substrato, mentre la cottura a 95 ° C densifica ulteriormente la SU8. </li><li> Nel frattempo, premere l&#39;interruttore per attivare il sistema di esposizione UV e impostare il tempo di esposizione a &quot;12 s&quot; utilizzando il pulsante di impostazione nel sistema. NOTA: per uno strato SU8 di 250 μm, l&#39;energia di esposizione deve essere di 360 mJ / cm 2 . </li><li> Una volta completata la fase di cottura (passo 2.10), mettere il substrato nel sistema di esposizione UV e posizionare su di esso il lato stampato di un fotomassaggio (dal punto 2.1). Utilizzare l&#39;intera area maschera per coprire il substrato rivestito e premere delicatamente per assicurare che non vi sia spazio tra la maschera e il substrato. </li><li> Esporre il substrato rivestito di SU8 a radiazioni UV attraverso la maschera fotometrica usando impostazioni UV predefinite. </li><li> Riscaldare nuovamente il substrato posizionandolo direttamente sulla piastra a 65 ° C per 5 minuti e a 95 ° C per 14 minuti per una torta (PEB) post-esposizione. NOTA: Il PEB aumenta il grado di incrociatura nelle aree esposte ai raggi UV e fa ilRivestimento più resistente ai solventi nel passaggio di sviluppo. </li><li> Rimuovere le regioni di fotoresistenza non espositiva immersellando il substrato nella soluzione sviluppata dedicata, posta in un bicchiere, per 20 min. Continuare a scuotere la soluzione (attentamente) per garantire la completa rimozione delle aree resistenti non esposte. </li><li> Asciugare le strutture sviluppate tenendo il substrato e soffiando l&#39;azoto o l&#39;aria compressa su di esso. </li><li> Ispezionare la fetta sotto un microscopio con ingrandimento 50X per confrontare i modelli trasferiti al fotoresist con i modelli desiderati. </li></ol> 3. Fabbricazione della struttura del carbonio 3D: pirolisi <ol><li> Posizionare i campioni preparati usando la fotolitografia (punti 2.1-2.17) all&#39;interno di un forno a tubo pressurizzato e aperto. </li><li> Accendere il forno e impostare i parametri per la pirolisi, come indicato nel passaggio 1. Ripetere il processo dal punto 1.6-1.8. </li><li> Maneggiare attentamente i campioni con le pinzette e procedere a caratterizzarezione. </li></ol>

<ol><li>Wang, C., Jia, G., Taherabadi, L. H., Madou, M. J. <a target="_blank" href="http://ieeexplore.ieee.org/document/1416911/">A novel method for the fabrication of high-aspect ratio C-MEMS structures.</a> J Microelectromech Syst. 14 (2), 348-358 (2005).</li>
<li>Jong, K. P. D., Geus, J. W. <a target="_blank" href="http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1081/CR-100101954">Carbon nanoﬁbers: catalytic synthesis and applications.</a> Catal Rev Sci Eng. 42, 481-510 (2000).</li>
<li>Elrouby, M. <a target="_blank" href="http://www.naturalspublishing.com/files/published/q362wbx78c133j.pdf">Electrochemical applications of carbon nanotube.</a> J Nano Adv Mat. 1 (1), 23-38 (2013).</li>
<li>Baughman, R. H., Zakhidov, A. A., Heer, W. A. D. <a target="_blank" href="http://science.sciencemag.org/content/297/5582/787.full">Carbon nanotubes-the route toward applications.</a> Science. 297, 787-792 (2002).</li>
<li>Kumar, R., Singh, R. K., Singh, D. P. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032115015038">Natural and waste hydrocarbon precursors for the synthesis of carbon based nanomaterials: graphene and CNTs.</a> Renew Sustain Energy Rev. 58, 976-1006 (2016).</li>
<li>Afre, R. A., Soga, T., Jimbo, T., Kumar, M., Ando, Y., Sharon, M. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1387181106002514">Carbon nanotubes by spray pyrolysis of turpentine oil at different temperatures and their studies.</a> Micropor Mesopor Mater. (1-3), 184-190 (2006).</li>
<li>Sharma, S., Kalita, G., Hirano, R., Hayashi, Y., Tanemura, M. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167577X12016692">Influence of gas composition on the formation of graphene domain synthesized from camphor.</a> Mater Lett. 93 (0), 258-262 (2013).</li>
<li>Ghosh, P., Afre, R. A., Soga, T., Jimbo, T. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167577X06015084">A simple method of producing single-walled carbon nanotubes from a natural precursor: eucalyptus oil.</a> Mater Lett. 61 (17), 3768-3770 (2007).</li>
<li>Kumar, R., Tiwari, R., Srivastava, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scalable+synthesis+of+aligned+carbon+nanotubes+bundles+using+green+natural+precursor%3A+neem+oil%5BTitle%5D)+AND+%22Nanoscale+Res+Lett%22%5BJournal%5D)">Scalable synthesis of aligned carbon nanotubes bundles using green natural precursor: neem oil.</a> Nanoscale Res Lett. 6 (1), 92-97 (2011).</li>
<li>Liang, Y., Wu, D., Fu, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Carbon+microfibers+with+hierarchical+porous+structure+from+electrospun+fiber-like+natural+biopolymer%5BTitle%5D)+AND+%22Sci+Rep%22%5BJournal%5D)">Carbon microfibers with hierarchical porous structure from electrospun fiber-like natural biopolymer.</a> Sci Rep. 3, 1-5 (2013).</li>
<li>Gupta, A. <a target="_blank" href="https://www.hindawi.com/archive/2014/498018/">Human hair "waste" and its utilization: gaps and possibilities.</a> J Waste Manag. 2014, 1-17 (2014).</li>
<li>Qian, W., Sun, F., Xu, Y., Qiu, L., Liu, C., Wang, S., Yan, F. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2014/EE/c3ee43111h">Human hair-derived carbon flakes for electrochemical supercapacitors.</a> Energy Environ Sci. 7, 379-386 (2014).</li>
<li>Pramanick, B., Cadenas, L. B., Kim, D. M., Lee, W., Shim, Y. B., Martinez-Chapa, S. O., Madou, M. J., Hwang, H. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622316305504">Human hair-derived hollow carbon microfibers for electrochemical sensing.</a> Carbon. 107, 872-877 (2016).</li>
<li>Miura, N., Numaguchi, T., Yamada, A., Konagai, M., Shirakashi, J. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1143/JJAP.37.L423/meta">Room temperature operation of amorphous carbon-based single-electron transistors fabricated by beam-induced deposition techniques.</a> Jpn J Appl Phys. 37 (2), L423-L425 (1998).</li>
<li>Irie, M., Endo, S., Wang, C. L., Ito, T. <a target="_blank" href="https://www.deepdyve.com/lp/elsevier/fabrication-and-properties-of-lateral-p-i-p-structures-using-single-03o6EWw2pN">Fabrication and properties of lateral p-i-p structures using single crystalline CVD diamond layers for high electric ﬁeld applications.</a> Diamond Rel Mater. 12, 1563-1568 (2003).</li>
<li>Tay, B. K., Sheeja, D., Yu, L. J. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925963503000219">On stress reduction of tetrahedral amorphous carbon ﬁlms for moving mechanical assemblies.</a> Diamond Rel Mater. 12 (2), 185-194 (2003).</li>
<li>Kamath, R. R., Madou, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional+carbon+interdigitated+electrode+arrays+for+redox-amplification%5BTitle%5D)+AND+%22Anal+Chem%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional carbon interdigitated electrode arrays for redox-amplification.</a> Anal Chem. 86 (6), 2963-2971 (2014).</li>
<li>Sharma, S., Khalajhedayati, A., Rupert, T. J., Madou, M. J. <a target="_blank" href="http://ecst.ecsdl.org/content/61/7/75.short">SU8 derived glassy carbon for lithium ion batteries.</a> ECS Trans. 61 (7), 75-84 (2014).</li>
<li>Kim, D., Pramanick, B., Salazar, A., Tcho, I. -W., Madou, M. J., Jung, E. S., Choi, Y. -K., Hwang, H. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.201600160/abstract">3D carbon electrode based triboelectric nanogenerator.</a> Adv Mater Technol. 1 (8), 1-7 (2016).</li>
<li>Duarte, R. M., Gorkin, R. A., Samra, K. B., Madou, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+integration+of+3D+carbon-electrode+dielectrophoresis+on+a+CD-like+centrifugal+microfluidic+platform%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">The integration of 3D carbon-electrode dielectrophoresis on a CD-like centrifugal microfluidic platform.</a> Lab Chip. 10 (8), 1030-1043 (2010).</li>
<li>Mund, K., Richter, G., Weidlich, E., Fahlstrom, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrochemical+properties+of+platinum%2C+glassy+carbon%2C+and+pyrographite+as+stimulating+electrodes%5BTitle%5D)+AND+%22Pacing+Clin+Electrophysiol%22%5BJournal%5D)">Electrochemical properties of platinum, glassy carbon, and pyrographite as stimulating electrodes.</a> Pacing Clin Electrophysiol. 9 (6), 1225-1229 (1986).</li>
<li>Xua, H., Malladi, K., Wang, C., Kulinsky, L., Song, M., Madou, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Carbon+post-microarrays+for+glucose+sensors%5BTitle%5D)+AND+%22Biosens+Bioelectron%22%5BJournal%5D)">Carbon post-microarrays for glucose sensors.</a> Biosens Bioelectron. 23 (11), 1637-1644 (2008).</li>
<li>Sharma, S., Madou, M. <a target="_blank" href="https://pdfs.semanticscholar.org/ec37/4aa01e80c6e923d61ea1294216ad1929d64d.pdf">Micro and nano patterning of carbon electrodes for bioMEMS.</a> Bioinspir Biomim Nanobiomat. 1, 252-265 (2012).</li>
<li>Pramanick, B., Martinez-Chapa, S. O., Madou, M. <a target="_blank" href="http://ma.ecsdl.org/content/MA2016-01/14/902.abstract">Fabrication of biocompatible hollow microneedles using the C-MEMS process for transdermal drug delivery.</a> ECS Trans. 72 (1), 45-50 (2016).</li>
</ol>

Gli autori non hanno niente da rivelare.

In questo documento sono stati riportati i metodi per la fabbricazione di una varietà di microstrutture di carbonio basate sulla pirolisi dei materiali precursori naturali o strutture fotopolimerizzate. I materiali di carbonio risultanti sia dai processi C-MEMS / C-NEMS tradizionali che non convenzionali sono tipicamente riscontrabili come carboni vetrosi. Il carbonio Glassy è un materiale elettrodo molto usato per l&#39;elettrochimica e per applicazioni ad alta temperatura. La microstruttura del carbonio vetroso è c...

Il carbonio ha molte allotropie e, a seconda della particolare applicazione, può essere scelto uno dei seguenti allotropi: nanotubi di carbonio (CNT), grafite, diamante, carbonio amorfo, lonsdaleite, buckminsterfullerene (C 60 ), fullerite (C 540 ), fullerene C 70 ) e carbonio vetroso 1 , 2 , 3 , 4 . Il carbonio glassy è una delle allotropes più utilizzate a causa delle sue proprietà fisiche, compresa l&#39;alta isotropia. Ha anche le seguenti proprietà: buona conducibilità elettrica, basso coefficiente di espansione termica e impermeabilità del gas. C&#39;è stata una continua ricerca di materiali precursori ricchi di carbonio per ottenere strutture in carbonio. Questi precursori possono essere materiali artificiali o prodotti naturali disponibili in forme particolari e includere anche prodotti di scarto. Una vasta gamma di micr<html> Le nanostrutture vengono formate in natura attraverso processi biologici o ambientali, dando origine a caratteristiche uniche che sono estremamente difficili da creare utilizzando strumenti di produzione convenzionali. In questo caso, naturalmente, il patterning avveniva, la sintesi di nanomateriali utilizzando precursori naturali e rifiuti di idrocarburi potrebbe essere effettuata usando un processo di decomposizione termica semplice in un solo passo in un&#39;atmosfera inerte o sotto vuoto chiamata pirolisi 5 . Il grafene di alta qualità, le CNT a singolo muro, le CNT multi-walled e i punti di carbonio sono stati prodotti dalla decomposizione termica o dalla pirolisi di precursori e rifiuti derivanti da piante, compresi semi, fibre e olii, come olio di trementina, olio di sesamo , Olio di neem ( Azadirachta indica ), olio di eucalipto, olio di palma e olio di jatropha. Inoltre, sono stati utilizzati prodotti di canfora, estratti di tea tree, cibi di rifiuti, insetti, rifiuti agro e prodotti alimentari, 6 , 7 ,Recentemente, i ricercatori hanno addirittura utilizzato bozzoli di seta come materiale precursore per preparare microfibre di carbonio poroso 10 . I capelli umani, di solito considerati un materiale di scarto, sono stati recentemente utilizzati da questa squadra. È costituito da circa il 91% di polipeptidi, che contengono più del 50% di carbonio; Il resto sono elementi quali ossigeno, idrogeno, azoto e zolfo 11 . I capelli sono dotati anche di diverse proprietà interessanti, come il degrado molto lento, la resistenza alla trazione, l&#39;elevato isolamento termico e l&#39;elevato recupero elastico. Recentemente è stato utilizzato per preparare fiocchi di carbonio impiegati nei supercapacitori 12 e per creare microfibre di carbonio vuoto per il rilevamento elettrochimico 13 . La lavorazione di un materiale di carbonio sfuso per la fabbricazione di strutture tridimensionali (3D) è un compito difficile, poiché il materiale è molto fragile. L&#39;ioni focalizzato èSono 14 , 15 o l&#39;etching di ioni reattivi 16 possono essere utili in questo contesto, ma sono costosi e che richiedono molto tempo. La tecnologia del microelettromeccanico del carbonio (C-MEMS), basata sulla pirolisi delle strutture polimeriche modellate, rappresenta un&#39;alternativa versatile. Negli ultimi due decenni, i sistemi C-MEMS ei sistemi nanoelettromeccanici di carbonio (C-NEMS) hanno ricevuto molta attenzione a causa delle semplici e poco costose fasi di fabbricazione coinvolte. Il processo convenzionale di fabbricazione di C-MEMS viene effettuato in due fasi: (i) il patterning di un precursore polimero ( ad es. Un fotoresist) con fotolitografia e (ii) la pirolisi delle strutture modellate. I precursori polimerici ultravioletti (UV), come i fotoresistanti SU8, vengono spesso usati per strutturare strutture basate sulla fotolitografia. In generale, il processo di fotolitografia comprende i passaggi per il rivestimento a spin, la cottura morbida, l&#39;esposizione a raggi UV, il post-cuocere e il cammelloluppo. Nel caso di C-MEMS; silicio; biossido di silicio; Nitruro di silicio; quarzo; E, più recentemente, zaffiri sono stati usati come substrati. Le strutture polimeriche a motivi fotografiche vengono carbonizzate ad alta temperatura (800-1,100 ° C) in un ambiente senza ossigeno. A quelle temperature elevate in vuoto o in atmosfera inerte, tutti gli elementi non carbonici vengono rimossi, lasciando solo carbonio. Questa tecnica consente la realizzazione di strutture di carbonio di alta qualità, vetrose, molto utili per molte applicazioni, tra cui la rilevazione elettrochimica 17 , l&#39;accumulo di energia 18 , la nanogenerazione triboelettrica 19 e la manipolazione delle particelle elettriche 20. Inoltre, la fabbricazione di microstrutture 3D con Gli elevati rapporti degli aspetti con C-MEMS sono diventati relativamente facili e hanno portato ad una grande varietà di applicazioni di elettrodi di carbonio 18 , 21 , </sup&gt; 22 , 23 , sostituendo spesso elettrodi nobili. In questo lavoro viene introdotto il recente sviluppo di un modo semplice e conveniente di fabbricare microfibre di carbonio vuoto da capelli umani utilizzando la tecnologia C-MEMS non convenzionale 13 . Viene descritto anche il processo C-MEMS basato sul polimero convenzionale SU8. In particolare, viene descritta la procedura di fabbricazione per solidi a rapporto ad alta visibilità e per strutture cave SU8 24.

<table><tbody><tr><td>SU8-2100</td><td>Microchem</td><td>Product number-Y1110750500L</td><td></td></tr><tr><td>Spinner</td><td>Laurell Technologies Corporation</td><td>Model-WS650HZB-23NPP/UD3</td><td></td></tr><tr><td>Hotplate</td><td>Torrey Pines Scientific</td><td>HS61</td><td></td></tr><tr><td>UV-exposer</td><td>Mercury Lamp, SYLVANIA</td><td>H44GS-100M, P/N-34-0054-01</td><td></td></tr><tr><td>Photomask</td><td>CAD/Art</td><td></td><td>No number</td></tr><tr><td>Developer&amp;nbsp;</td><td>Microchem</td><td>Y020100 4000L&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>DI water system</td><td>Milli Q</td><td>ZOOQOVOTO</td><td></td></tr><tr><td>IPA</td><td>CTR Sientific</td><td>CTR 01244</td><td></td></tr><tr><td>N&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt; gas</td><td>AOC Mexico</td><td></td><td>No number</td></tr><tr><td>Furnace</td><td>PEO 601, ATV Technologie GMBH</td><td>Model-PEO 601, Serial no.-195</td><td></td></tr><tr><td>Si/SiO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;</td><td>Noel Technologies</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

fabrication of 3d carbon microelectromechanical systems (c-mems)

Sono disponibili una vasta gamma di fonti di carbonio in natura, con una varietà di configurazioni micro / nanostrutture. Qui viene introdotta una tecnica innovativa per la fabbricazione di microfibre di carbonio vetroso lungo e cave provenienti dai peli umani. Le strutture lunghe e cave di carbonio sono state fatte dalla pirolisi dei capelli umani a 900 ° C in atmosfera N2. La morfologia e la composizione chimica dei peli umani naturali e pirolizzati sono stati studiati rispettivamente utilizzando la microscopia elettronica a scansione (SEM) e la spettroscopia a raggi X dispersivi a elettroni (EDX) per stimare i cambiamenti fisici e chimici dovuti alla pirolisi. La spettroscopia Raman è stata utilizzata per confermare la natura vetrosa delle microstrutture del carbonio. Il carbonio dei capelli pirolizzati è stato introdotto per modificare elettrodi di carbonio stampati a schermo; Gli elettrodi modificati sono stati quindi applicati al rilevamento elettrochimico della dopamina e dell&#39;acido ascorbico. La prestazione sensoriale dei sensori modificati è stata migliorata rispetto agli unmodiSensori. Per ottenere la struttura desiderata del carbonio, è stata sviluppata la tecnologia del micro- / nanoelettromeccanico del carbonio (C-MEMS / C-NEMS). Il più comune processo di fabbricazione di C-MEMS / C-NEMS è costituito da due fasi: (i) il patterning di un materiale base ricco di carbonio, come un polimero fotosensibile, utilizzando fotolitografia; E (ii) carbonizzazione attraverso la pirolisi del polimero modellato in un ambiente senza ossigeno. Il processo C-MEMS / NEMS è stato ampiamente utilizzato per sviluppare dispositivi microelettronici per varie applicazioni, tra cui micro-batterie, supercapacitors, sensori di glucosio, sensori di gas, celle a combustibile e nanogeneratori triboelettrici. Qui vengono discussi i recenti sviluppi di microstrutture solide e microstrutture a carbonio con SU8 fotoresist. Il ritiro strutturale durante la pirolisi è stato studiato utilizzando microscopia confocale e SEM. La spettroscopia Raman è stata utilizzata per confermare la cristallinità della struttura e la percentuale atomica degli elementi presaNt nel materiale prima e dopo che la pirolisi è stata misurata usando EDX.

Uno schema del processo di fabbricazione per microfibre di carbonio vuoto derivato dai capelli umani è mostrato in Figura 1 . I capelli umani carbonizzati sono stati caratterizzati utilizzando SEM per stimare il ritiro. Il diametro dei capelli è diminuito da 82,88 ± 0,003 μm a 31,42 ± 0,003 μm a causa della pirolisi. Le immagini di scansione elettronica microscopica (SEM) di vari modelli realizzati utilizzando microfibre di carbonio derivate dai capell...

Watch this Scientific Journal Video about Fabrication of 3D Carbon Microelectromechanical Systems C-MEMS at JoVE.com

Fabrication of 3D Carbon Microelectromechanical Systems C-MEMS

Le microfibre di carbonio vetroso lungo e cavo sono state fabbricate sulla base della pirolisi di un prodotto naturale, capelli umani. Le due fasi di fabbricazione di sistemi microelettromeccanici e di nanoelettromeccanici in carbonio, o C-MEMS e C-NEMS, sono: (i) la fotolitografia di un precursore polimerico ricco di carbonio e (ii) la pirolisi del precursore polimerico modellato.

Fabbricazione di sistemi microelettromeccanici a carbonio 3D (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 ...

fabrication-of-3d-carbon-microelectromechanical-systems-c-mems

Research

JoVE Journal

Engineering

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

12.3K Views.  Tecnologico de Monterrey.  Le microfibre di carbonio vetroso lungo e cavo sono state fabbricate sulla base della pirolisi di un prodotto naturale, capelli umani. Le due fasi di fabbricazione di sistemi microelettromeccanici e di nanoelettromeccanici in carbonio, o C-MEMS e C-NEMS, sono: (i) la fotolitografia di un precursore polimerico ricco di carbonio e (ii) la pirolisi del precursore polimerico modellato. 

Video: Fabrication of 3D Carbon Microelectromechanical Systems C-MEMS

Fabrication, Densification, and Replica Molding of 3D Carbon Nanotube Microstructures

The introduction of new materials and processes to microfabrication has, in large part, enabled many important advances in microsystems, lab-on-a-chip devices, and their applications. In particular, capabilities for cost-effective fabrication of polymer microstructures were transformed by the advent of soft lithography and other micromolding techniques 1, 2, and this led a revolution in applications of microfabrication to biomedical engineering and biology. Nevertheless, it remains challenging to fabricate microstructures with well-defined nanoscale surface textures, and to fabricate arbitrary 3D shapes at the micro-scale. Robustness of master molds and maintenance of shape integrity is especially important to achieve high fidelity replication of complex structures and preserving their nanoscale surface texture. The combination of hierarchical textures, and heterogeneous shapes, is a profound challenge to existing microfabrication methods that largely rely upon top-down etching using fixed mask templates. On the other hand, the bottom-up synthesis of nanostructures such as nanotubes and nanowires can offer new capabilities to microfabrication, in particular by taking advantage of the collective self-organization of nanostructures, and local control of their growth behavior with respect to microfabricated patterns. 
Our goal is to introduce vertically aligned carbon nanotubes (CNTs), which we refer to as CNT "forests", as a new microfabrication material. We present details of a suite of related methods recently developed by our group: fabrication of CNT forest microstructures by thermal CVD from lithographically patterned catalyst thin films; self-directed elastocapillary densification of CNT microstructures; and replica molding of polymer microstructures using CNT composite master molds. In particular, our work shows that self-directed capillary densification ("capillary forming"), which is performed by condensation of a solvent onto the substrate with CNT microstructures, significantly increases the packing density of CNTs. This process enables directed transformation of vertical CNT microstructures into straight, inclined, and twisted shapes, which have robust mechanical properties exceeding those of typical microfabrication polymers. This in turn enables formation of nanocomposite CNT master molds by capillary-driven infiltration of polymers. The replica structures exhibit the anisotropic nanoscale texture of the aligned CNTs, and can have walls with sub-micron thickness and aspect ratios exceeding 50:1. Integration of CNT microstructures in fabrication offers further opportunity to exploit the electrical and thermal properties of CNTs, and diverse capabilities for chemical and biochemical functionalization 3.

We present methods for fabrication of patterned microstructures of vertically aligned carbon nanotubes (CNTs), and their use as master molds for production of polymer microstructures with organized nanoscale surface texture. The CNT forests are densified by condensation of solvent onto the substrate, which significantly increases their packing density and enables self-directed formation of 3D shapes.

Molding Fabrication, densificazione e Replica di microstrutture 3D Nanotubi di carbonio

The introduction of new materials and processes to microfabrication has, in large part, enabled many important advances in microsystems, lab-on-a-chip ...

Ricerca

Ingegneria

Microfabricated Platforms for Mechanically Dynamic Cell Culture

The ability to systematically probe in vitro cellular response to combinations of mechanobiological stimuli for tissue engineering, drug discovery or fundamental cell biology studies is limited by current bioreactor technologies, which cannot simultaneously apply a variety of mechanical stimuli to cultured cells. In order to address this issue, we have developed a series of microfabricated platforms designed to screen for the effects of mechanical stimuli in a high-throughput format. In this protocol, we demonstrate the fabrication of a microactuator array of vertically displaced posts on which the technology is based, and further demonstrate how this base technology can be modified to conduct high-throughput mechanically dynamic cell culture in both two-dimensional and three-dimensional culture paradigms.

In this protocol, we demonstrate the fabrication of a microactuator array of vertically displaced posts on which the technology is based, and how this base technology can be modified to conduct high-throughput mechanically dynamic cell culture in both two-dimensional and three-dimensional culture paradigms.

Piattaforme microfabbricazione per coltura cellulare meccanicamente dinamica

The ability to systematically probe in vitro cellular response to combinations of mechanobiological stimuli for tissue engineering, drug discovery or ...

Bioingegneria

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

Vascular structures in natural systems are able to provide high mass transport through high surface areas and optimized structure. Few synthetic material fabrication techniques are able to mimic the complexity of these structures while maintaining scalability. The Vaporization of a Sacrificial Component (VaSC) process is able to do so. This process uses sacrificial fibers as a template to form hollow, cylindrical microchannels embedded within a matrix. Tin (II) oxalate (SnOx) is embedded within poly(lactic) acid (PLA) fibers which facilitates the use of this process. The SnOx catalyzes the depolymerization of the PLA fibers at lower temperatures. The lactic acid monomers are gaseous at these temperatures and can be removed from the embedded matrix at temperatures that do not damage the matrix. Here we show a method for aligning these fibers using micromachined plates and a tensioning device to create complex patterns of three-dimensionally arrayed microchannels. The process allows the exploration of virtually any arrangement of fiber topologies and structures.

The Vaporization of a Sacrificial Component (VaSC) process is used to fabricate microvascular structures. This procedure uses sacrificial poly(lactic) acid fibers to form hollow microchannels with precise 3D geometric positioning provided by laser micromachined guide plates.

Processo di creazione di microstrutture tridimensionali mediante vaporizzazione di un componente sacrificale

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

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.

Produzione di tridimensionalmente microstrutturate nanocompositi attraverso Microfluidic Infiltration

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

Chimica

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.

Micro-muratura per 3D Additivo 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 ...

Fabrication of Low Temperature Carbon Nanotube Vertical Interconnects Compatible with Semiconductor Technology

We demonstrate a method for the low temperature growth (350 &#176;C) of vertically-aligned carbon nanotubes (CNT) bundles on electrically conductive thin-films. Due to the low growth temperature, the process allows integration with modern low-&#954; dielectrics and some flexible substrates. The process is compatible with standard semiconductor fabrication, and a method for the fabrication of electrical 4-point probe test structures for vertical interconnect test structures is presented. Using scanning electron microscopy the morphology of the CNT bundles is investigated, which demonstrates vertical alignment of the CNT and can be used to tune the CNT growth time. With Raman spectroscopy the crystallinity of the CNT is investigated. It was found that the CNT have many defects, due to the low growth temperature. The electrical current-voltage measurements of the test vertical interconnects displays a linear response, indicating good ohmic contact was achieved between the CNT bundle and the top and bottom metal electrodes. The obtained resistivities of the CNT bundle are among the average values in the literature, while a record-low CNT growth temperature was used.

A method for the growth of low temperature vertically-aligned carbon nanotubes, and the subsequent fabrication of vertical interconnect electrical test structures using semiconductor fabrication is presented.

Fabbricazione di bassa temperatura Nanotubi di carbonio interconnessioni verticali Compatibile con la tecnologia Semiconductor

We demonstrate a method for the low temperature growth (350 &#176;C) of vertically-aligned carbon nanotubes (CNT) bundles on electrically conductive ...

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.

Microfabbricazione di chip di dimensioni Ponteggi per tridimensionale coltura cellulare

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

Biologia

Free-form Light Actuators &#8212; Fabrication and Control of Actuation in Microscopic Scale

Liquid crystalline elastomers (LCEs) are smart materials capable of reversible shape-change in response to external stimuli, and have attracted researchers&#39; attention in many fields. Most of the studies focused on macroscopic LCE structures (films, fibers) and their miniaturization is still in its infancy. Recently developed lithography techniques, e.g., mask exposure and replica molding, only allow for creating 2D structures on LCE thin films. Direct laser writing (DLW) opens access to truly 3D fabrication in the microscopic scale. However, controlling the actuation topology and dynamics at the same length scale remains a challenge.
In this paper we report on a method to control the liquid crystal (LC) molecular alignment in the LCE microstructures of arbitrary three-dimensional shape. This was made possible by a combination of direct laser writing for both the LCE structures as well as for micrograting patterns inducing local LC alignment. Several types of grating patterns were used to introduce different LC alignments, which can be subsequently patterned into the LCE structures. This protocol allows one to obtain LCE microstructures with engineered alignments able to perform multiple opto-mechanical actuation, thus being capable of multiple functionalities. Applications can be foreseen in the fields of tunable photonics, micro-robotics, lab-on-chip technology and others.

Here, we fabricate 3D polymeric micro/nano structures in which both the shape and the molecular alignment can be engineered with nanometer scale accuracy by the use of direct laser writing. Light induced deformation of several types of liquid crystalline elastomer microstructures can be controlled in the microscopic scale.

Free-forma Attuatori Light - Fabbricazione e Controllo di attuazione in scala microscopica

Liquid crystalline elastomers (LCEs) are smart materials capable of reversible shape-change in response to external stimuli, and have attracted ...

Fabrication of Carbon-Based Ionic Electromechanically Active Soft Actuators

Ionic electromechanically active capacitive laminates are a type of smart material that move in response to electrical stimulation. Due to the soft, compliant and biomimetic nature of this deformation, actuators made of the laminate have received increasing interest in soft robotics and (bio)medical applications. However, methods to easily fabricate the active material in large (even industrial) quantities and with a high batch-to-batch and within-batch repeatability are needed to transfer the knowledge from laboratory to industry. This protocol describes a simple, industrially scalable and reproducible method for the fabrication of ionic carbon-based electromechanically active capacitive laminates and the preparation of actuators made thereof. The inclusion of a passive and chemically inert (insoluble) middle layer (e.g., a textile-reinforced polymer network or microporous Teflon) distinguishes the method from others. The protocol is divided into five steps: membrane preparation, electrode preparation, current collector attachment, cutting and shaping, and actuation. Following the protocol results in an active material that can, for example, compliantly grasp and hold a randomly shaped object as demonstrated in the article.

This article describes a fast and simple manufacturing process of ionic electromechanically active composite materials for actuators in biomedical, biomimetic and soft robotics applications. The key fabrication steps, their importance for the actuators&#39; final properties, and some of the main characterization techniques are described in detail.

Fabbricazione di attuatori morbidi ionici ad attività in carbonio

Ionic electromechanically active capacitive laminates are a type of smart material that move in response to electrical stimulation. Due to the soft, ...

Melt Electrospinning Writing of Three-dimensional Poly(&#949;-caprolactone) Scaffolds with Controllable Morphologies for Tissue Engineering Applications

This tutorial reflects on the fundamental principles and guidelines for electrospinning writing with polymer melts, an additive manufacturing technology with great potential for biomedical applications. The technique facilitates the direct deposition of biocompatible polymer fibers to fabricate well-ordered scaffolds in the sub-micron to micro scale range. The establishment of a stable, viscoelastic, polymer jet between a spinneret and a collector is achieved using an applied voltage and can be direct-written. A significant benefit of a typical porous scaffold is a high surface-to-volume ratio which provides increased effective adhesion sites for cell attachment and growth. Controlling the printing process by fine-tuning the system parameters enables high reproducibility in the quality of the printed scaffolds. It also provides a flexible manufacturing platform for users to tailor the morphological structures of the scaffolds to their specific requirements. For this purpose, we present a protocol to obtain different fiber diameters using melt electrospinning writing (MEW) with a guided amendment of the parameters, including flow rate, voltage and collection speed. Furthermore, we demonstrate how to optimize the jet, discuss often experienced technical challenges, explain troubleshooting techniques and showcase a wide range of printable scaffold architectures.

This protocol serves as a comprehensive guideline to fabricate scaffolds via electrospinning with polymer melts in a direct writing mode. We systematically outline the process and define the appropriate parameter settings for achieving targeted scaffold architectures.

Sciogliere elettrofilatura scrittura di scaffold tridimensionale Poly(ε-caprolactone) con morfologie controllabile per applicazioni di ingegneria del tessuto

This tutorial reflects on the fundamental principles and guidelines for electrospinning writing with polymer melts, an additive manufacturing technology ...