이 작품은 UCSF, 양적 생명 과학 (QB3)에 대한 캘리포니아 연구소에서 생명 공학 및 치료 과학의 부에 의해 지원되었다 로저스 가족 재단에서 갭 상을 브리징.

1. 실험을 기반으로하는 디자인 장치의 크기 및 토폴로지는 컴퓨터 지원 설계 (CAD) 소프트웨어를 사용하여 필요 주 : 구형 액적보다 작은 선택 에멀젼 채널 직경. 이 원통형 또는 &quot;소시지&quot;모양으로 물방울을 강제로보다 효과적인 picoinjection 수 있습니다. 우리의 목적을 위해, 우리는 직경 50 ㎛이었다 물방울 30 × 30 μm의 채널을 디자인했다. <ol><li> 모델 picoinjection 사이트 (들)가 불필요한으로 금속 전극의 채널을 제거하는 것을 제외하고는 아바 테 등. (3)에 의해 기술 된 후. </li><li> 패러데이 해자 picoinjection 사이트 (들) 그리고 그들은 전기 분야에서 물방울을 보호하도록 상류 에멀젼 사이에 실행 (그림 1) 역할을하는 채널을 추가합니다. 참고 :이 의도하지 않은 병합을 방지 할 수 있습니다. </li></ol> 소프트 포토리스를 사용하여 2. 제작하십시오 장치ographic 기술 <ol><li> 기존의 상용 서비스를 사용하여 CAD 파일에 근거 투명도 포토 리소그래피 마스크를 생성한다. </li><li> 앞서 설명한 바와 같이 4 포토 마스크와, 마스터 디바이스를 생산하는 실리콘 웨이퍼에 포토 레지스트를 경화. </li><li> PDMS가 5cm 폴리스티렌 배양 접시에 함유 장치 마스터 위에 경화제 (11시 1분 비율)과 혼합 붓는다. </li><li> 임의의 기포를 제거하기 위하여 약 15 분 동안 진공 데시 케이 터로 PDMS 마스터 배치. </li><li> 1 시간 동안 95 ° C의 오븐에 배치하여 PDMS 소자 치료. 다르게는, PDMS는 24 시간 후 RT에서 치료할 것이다. </li><li> 수술 블레이드 주위에 절단 조심스럽게 마스터에서 장치를 박리하여 장치를 제거합니다. </li><li> 입구 펀치와 0.5 mm 생검 펀치를 사용하여 PDMS에 구멍 출구. </li><li> 플라즈마 본더 4를 사용하여 유리 현미경 슬라이드에 접합 장치. </li></ol> 3. 공기 압력을 준비유체를 포함하는 저수지에 압력을 제어 펌프 <ol><li> 2.7 mm 내경 폴리에틸렌 튜브의 길이를 통해 펌프 출력 등의 압축 공기가 종료 그것을 수정합니다. </li><li> 이 같은 튜브가 루어 잠금의 뒷면에 젖꼭지를 통해 루멘을 맞춤으로써 루어 잠금 주사기의 끝에서 종료되는 구축합니다. </li><li> 루어 로크 스레드 및 에폭시와 튜브 사이의 공간을 충전하여 밀봉. </li><li> 27.5 G 바늘을 연결합니다. </li></ol> 4. 생체 친 화성 계면 활성제 7을 용해 수성의 단 분산 에멀젼 2 % (중량 / 중량)와 불활성 불소 캐리어 오일에 현탁 (유중) 물방울을 준비 이러한 방울에 포함 특정 시약은 애플리케이션에 의존 <ol><li> 재 주입에 대비, 27.5 G 바늘로 1 ML의 주사기에 에멀젼을로드합니다. </li><li> 주사기 펌프에 주사기를 안전하고 (바늘 위쪽) 수직 펌프의 방향. 주의이 방향은 물방울 캐리어 오일 위의 층에 포장됩니다. 펌프가 시작되면, 소적은 그들 아래 유층으로 높은 부피 분율에서 주사기 밀려한다. </li></ol> 5. 미세 유체 칩에 소개 시약을 준비 <ol><li> 생검 펀치, 바늘, 또는 드릴을 사용하여 15 ML의 원심 분리기 튜브 (스크류 캡으로 모든 컨테이너가 충분합니다)의 모자에 세 0.5 mm의 구멍을 뚫습니다. </li><li> 그들은 튜브의 바닥에 도달 할 수 있도록 홀이 통해 0.5 mm 직경의 와이어 전극 및 PE-2 튜브 ~ 20cm 길이입니까. </li><li> 나머지 홀에서, 유체 레벨 이상 휴식합니다 있도록 PE 배관의 ~ 20cm 길이의 ~ 2.5 cm 실. </li><li> UV 경화 에폭시와 캡의 상단에 틈새를 밀봉. </li><li> 캡에 picoinjection 유체 및 나사 튜브를 입력합니다. </li><li> 삽입에 의해 튜브의 짧은 길이에 공기압 제어 펌프의 출력에 연결루멘에 바늘을 주입. 바늘은 꼭 맞게해야합니다. </li><li> 패러데이 해자 역할을하는 1 M NaCl로 1 ML의 주사기를 채우십시오. </li><li> 27.5 G 바늘을 연결하고 주사기 펌프에 주사기를 고정합니다. </li><li> 캐리어 / 스페이서 오일로 1 ML의 주사기를 채우 27.5 G 바늘을 연결하고 주사기 펌프에 고정. </li></ol> 6. Picoinjection의 미세 유체 장치를 준비합니다 <ol><li> 미세 유체 칩상의 picoinjection 유체의 유입구로 주입 유체 컨테이너로부터 출력 튜브 (이상 길이)를 연결한다. </li><li> PE 배관의 길이를 갖는 미세 유체 칩에 대한 패러데이 모트 유입구에 1 M의 NaCl을 함유하는 주사기를 연결한다. </li><li> PE 배관의 길이를 갖는 미세 유체 칩의 유입구에 캐리어 오일을 함유하는 주사기를 연결한다. </li><li> 미세 유체 칩에 유화 출구에 PE 튜브를 삽입합니다. 튜빙은 에멀젼 회수 조에서 종료, 또는 이용해야mally 1.5 ML의 원심 분리기 튜브. </li><li> 미세 유체 칩에 패러데이 해자에 대한 출구로 PE 튜브를 삽입합니다. 튜빙은 비전 도성 및 누전을 방지하기 위해 전기적으로 절연 용기에 종료한다. </li><li> picoinjection 유체에 잠긴 금속 전극에 악어 클립을 통해 고전압 (HV) 증폭기의 출력을 연결합니다. </li><li> 1 M의 NaCl이 들어있는 주사기 바늘의 금속 악어 입 클립을 통해 HV 증폭기의 접지 전극을 연결합니다. </li></ol> 미세 유체 칩에 7.를 주입 시약 <ol><li> (100)의 속도로 장치에 1 M 염화나트륨 (패러데이 해자) 소개 μL / 시간. </li><li> 장치의 크기에 적합한 가격의 물방울 에멀젼과 캐리어 오일을 소개합니다. 우리의 데모 장치를 위해, 우리는 각각 상품 및 오일 200에서 400 μL / 시간을 소개합니다. 유속 방울이 분리 정기적 picoinjector를 전달할 수 있도록한다캐리어 오일의 간극 따라. </li><li> picoinjection 오리피스에서의 유체 압력이 액적 채널 기계적 평형되도록 picoinjection 유체에 가해지는 압력을 조정한다. 참고 :이 압력 (라플라스 압력)에서, 주입 액이 떨어져 신진 (그림 2) 자신의 방울을 형성하지 않고 물방울 채널로 팽창한다. 상술 이러한 유속에서, 우리는 주사 부위에서 평형을 달성하기 위해 유체 주입에 13 ~ PSI의 압력을 적용한다. </li></ol> 8. Picoinjection에게 시작 <ol><li> 물방울이 분사 구멍을 통과하면 적용 0-10 V는, 10 kHz에서, AC 신호는 HV-증폭기로 1,000 × (그림 3) 증폭. </li><li> 인가 전압의 진폭을 변경하여 주입량을 변조한다. 참고 : 높은 전압이 방울을 소개하기 위해 더 많은 유체를 허용해야합니다. 우리의 테스트에서, 우리는 전압에서 안정적이고 일관된 주입을 관찰 할 수사이 100과 3,000 V ~ 500 MM (그림 4)에 이르기까지의 염화나트륨 주사액을 사용. </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>

우리는 완전히 우리의 실험에서 관찰 된인가 전압 및 주입 부피 사이의 관계 뒤에 정확한 물리적 인 메커니즘을 이해하지 않습니다. 실험실의 관심과 전문 지식의 관련 영역이 느린 질문을 추구에 적합하지 않습니다. 우리는이 현상을 탐구하기 위해 더 많은 물리학 및 기술 통찰력을 가진 사람들을 격려한다.

주입 부피와인가 전압 사이의 관계는 그들이 인젝터 통과 디바이스 치수, picoinjection 유체 장치, 몰 농도로 picoinjection 유체를 운반하는 튜브의 길이 및 액 적의 속도를 포함하여 많은 요인에 의존한다. 이러한 이유로 우리는 볼륨 / 전압 관계가 전압과 몰 농도의 작업 범위의 가장자리에 주입 볼륨을 측정하여 picoinjection의 각 실행하기 전에 특징으로하는 것이 좋습니다. 추가적으로, 높은 전압 및 ?...

액적 기반 미세 유체에서, 마이크론 규모의 수성 액은 생물학적 반응에 대해 &quot;테스트 튜브&quot;로 사용됩니다. 작은 방울의 반응을 수행하는 장점은 각각의 방울 시약 중 일부만 PL을 사용하고, 마이크로 유체, 방울을 형성 할 수 킬로 헤르츠 및 체크 하나에서 처리한다는 것이다. 결합, 이러한 속성은 개별 셀, 핵산 분자, 또는 전체 재료의 μL로 분 만에 수행 할 수있는 화합물과 반응의 수백만을 할 수 있습니다. 이와 같은 응용 프로그램에 방울을 사용하려면 기술은 방울에 시약의 제어 볼륨을 추가 할 필요; 이러한 작업은 테스트 튜브에 피펫 팅 유사하다. 시약의 방울은 전기장을인가함으로써 타겟 강하와 병합되는 것을 특징으로이를 달성하기위한 하나의 방법은, electrocoalescence이다. 전계는 방울의 인터페이스에서 계면 활성제 분자의 배열을 방해, IND박막의 불안정성을 ucing 2 그렇지 않으면 안정이 유제의 유착을 유발. 전기적으로 유도 된 병합도 picoinjector 그들이 가압 채널 3을지나 유동으로 방울로 시약을 주입 장치의 설계에 이용된다. 전계를 적용하려면 picoinjector 장치는 금속 전극을 이용하지만, 액체 솔더 와이어가 쉽게 채널에 기포 나 먼지 나 다른 이물질에 의해 손상되는 미세 유체 칩에 금속 전극의 통합은 종종 복잡하고 오류가 발생하기 쉬운 공정이며 뿐만 아니라, 스트레스 골절 또는 장치를 설치하는 동안 절곡. 여기서 우리는 제조가 간단하고 견고하게, 금속 전극을 사용하지 않고 picoinjection을 수행하는 방법을 제시한다. 대부분의 생물 시약이 용해 된 전해질을 포함하는 전도성 때문에 picoinjection를 실행하기 위해, 우리는 대신에, 전극으로 주입 액 자체를 사용합니다. 우리는 또한 &quot;패러데이 모아 추가보편적 인 지상 (그림 1)과 같은 장치와 행위의 민감한 지역을 보호하는 T &quot;는. 해자는 전기적으로 접지를 제공하는 의도하지 않은 방울 합병을 방지하여 picoinjection 사이트의 상류 방울을 분리합니다. 우리의 기술의 이점은 그 알갱이로 주입 부피는인가 된 신호를 조정하여 조절 될 수 있도록,인가 전압의 크기에 의존한다. 우리는 소프트 리소그래피 기술 4.5을 사용하여 폴리 (디메틸 실록산) 우리의 장치 (PDMS)을 제조. 우리의 접근 방식은 수지, 플라스틱과 에폭시와 같은 다른 재료로 제조 장치와 호환됩니다. 채널은 높이와 물방울 직경이 50 ㎛ (65 PL) 작업에 최적화되어 30 ㎛, 폭을 보유하고 있습니다. 우리는 방법의 descr가 유사한 0.50 mm 생검 펀치와 장치 제조시 생성 된 포트에 삽입되는 polyethelene 튜브 (0.3/1.09 mm 내부 / 외부 직경)를 통해 시약을 소개합니다IBED 이전 5. 주입 된 유체의 실제 메이크업은 특정 애플리케이션에 의존한다. 유체는 필요 picoinjector에 송신하는 전기 신호에 충분한 도전율을 수득 할만큼 높은 농도에서 용해 된 전해질을 함유한다. 벤치 테스트에서, 우리는이 값과 유체 전도도가 특정 장치의 크기와인가 전압의 크기에 따라 달라집니다하지만 10 밀리미터보다 더 큰 이온 농도, 6 충분합니다 것으로 나타났습니다.

<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

미세 방울로 시약을 picoinjecting을위한 기존의 방법은 미세 유체 칩에 통합 금속 전극이 필요합니다. 이들 전극의 통합은 디바이스 제조 프로세스에 가시고 오류가 발생하기 쉬운 단계를 추가한다. 우리는 picoinjection 중에 금속 전극에 대한 요구를 미연에 방지하는 기술을 개발했다. 대부분의 생물학적 시약을 용해 전해질을 함유하고 있기 때문에 도전성 대신, 전극으로 주입 액 자체를 이용한다. 전극을 제거함으로써, 우리는 디바이스의 제조 시간 및 복잡성을 감소하고, 디바이스는 더 강력하게. 또한, 우리의 접근 방법으로, 주입 부피는 picoinjection 용액에인가되는 전압에 의존한다; 이것은 우리가 빠른 속도로인가 전압을 조절하여 주입하여 볼륨을 조정할 수 있습니다. 우리는 우리의 기술은 버퍼, 효소, 핵산 등의 일반적인 생물학적 화합물을 통합 시약과 호환되는지 보여줍니다.

현미경 이미지는 picoinjection 유체의 대전 주입 (그림 2) 트리거 할만큼 것을 picoinjection 사이트 쇼에서 찍은 사진. 주입 부피는 높은 주입량을 허용 높은 전압과,인가 전압의 진폭을 변조함으로써 제어 될 수있다. 우리는 (도 3)에서 분사 된 유체의 대표적인 세 molarities 대한인가 전압의 크기에 비해 주입량을 플롯. 속도 우리의 방법을 설명하기 위해 선택적으로 존재 또는 형...

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Picoinjection of Microfluidic Drops Without Metal Electrodes

우리는 금속 전극을 필요로하지 않는 마이크로 유체 방울 picoinjecting위한 기술을 개발했다. 이와 같이, 우리의 기술을 통합 장치 제조 및 사용이 간단합니다.

미세 유체의 Picoinjection 금속 전극없이 삭제

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

picoinjection-of-microfluidic-drops-without-metal-electrodes

Research

JoVE Journal

Engineering

11.0K 조회수.  Unversity of California, San Francisco.  우리는 금속 전극을 필요로하지 않는 마이크로 유체 방울 picoinjecting위한 기술을 개발했다. 이와 같이, 우리의 기술을 통합 장치 제조 및 사용이 간단합니다. 

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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.

제작 및 미세 유체 광​​ 기계 발진기의 테스트

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

연구

공학

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.

액체 금속 전극의 초음파 속도 측정

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.

일회용 전기 종이 마이크로 유체의 pH 센서와 같은 이리듐 산화물 환원 그래 핀 산화물 나노 하이브리드 박막 수정 스크린 인쇄 전극

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.

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.

계층화 된 티탄 투명 필름의 층간 공간에서 집계하지 않고 금 나노 입자의 제자리 합성에

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.

염료 감응 태양 전지용 광촉매 전극의 전기 방사

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.

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.

성장 및 정전기/화학 속성의 금속/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 ...

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.

반 장식 응용 프로그램 Superhydrophobic 금속 표면의 제조

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.

금속-세라믹 부품의 융합된 필 라 멘 트 제조 (FFF)

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