This work was supported by the NSF (CMMI-1351370).

Donör Yüzey Fabrikasyon 1. Tasarımı Maskeler <ol><li> Istenilen geometride bir maske tasarlayın. 100 mikron x 100 mikron kare silikon bireysel birimleri imal 100 mikron x 100 mikron kareler bir dizi çizmek için. </li><li> Her yan bir ek 15 mikron dışarı uzanan, özdeş bir geometriye sahip ikinci bir maske tasarlayın. 100 mikron x 100 mikron kareler dizisi için, adım 1.1 kareler anlatabileceğiniz 130 mikron x 130 mikron kareler bir dizi çizin. </li><li> Çapa geometri tasarlayın. Dört 20 mikron x 40 mikron dikdörtgenler, bir meydanın bir kenarında merkezli her çizin. İlk aşamada 15 mikron 1.1 x 100 mm kare, orijinal 100 um kapsar ve (Şekil 2&#39;de gösterildiği gibi), geri kalan 25 um dışarıya doğru uzanır, böylece yapıların yerleştirin. Not: herhangi bir şekil ve boyutlar çapa temas desenli malzeme ve alt tabaka hem de sürece kullanılabilir. Bu kenedin bir ucu kökenini kapsarAdım 1.1 ve diğer ucunda El geometri adım 1.2 geometriyi uzatmak gerekir. </li></ol> 2.. Retrievable Donör Yüzey hazırlayın <ol><li> 1 mikron 1-20 Ω • cm ve kutu oksit tabaka kalınlığı tabaka direnci ile 3 mikron cihaz tabaka kalınlığı ile yalıtkan (SOI) gofret bir p-tipi katkılı silikon hazırlayın. Not: Çeşitli uygulamalar için bu parametreler değiştirilebilir. </li><li> Spin kat fotorezist (AZ5214, 30 saniye boyunca 3000 rpm, 1.5 um kalınlıkta) ve aşama 1.1 olarak tasarlanan bir maske. </li><li> (RIE) enstrüman, desen SOI gofret cihaz tabakası reaktif iyon aşındırma kullanma ve ışığa maskeyi kaldırın. Bu aşamadan sonra, RIE bölge kazınmış kutu oksit tabakasını (Şekil 2A) ortaya koymuştur. </li><li> Spin kat fotorezist (AZ5214, 30 saniye boyunca 3000 rpm, 1.5 um kalınlığında) aşama 1.2 &#39;de tasarlanmış maskesi ve desen. </li><li> Sıcak bir plaka üzerinde 90 saniye boyunca 125 ° C &#39;de gofret ısıtın. </li><li> Gofret içine daldırınAşama 2.3 &#39;e maruz kaldığı kutu oksit tabakası etch 50 saniye için% 49 HF. Tamamen kuruduktan sonra, maskeleyici fotorezist (Şekil 2B) çıkarın. </li><li> Spin kat (AZ5214, 30 saniye boyunca 3,000 rpm, 1.5 mikron kalınlığında) ve desen adım 1.3 den ankraj tasarımı. </li><li> Sıcak bir plaka üzerinde 90 saniye boyunca 125 ° C &#39;de gofret ısıtın. </li><li> 50 dakika boyunca% 49 HF içine daldırın. Bu adım, fotorezist (Şekil 2C) üzerine asılı silikon ayrı birimler ile sonuçlanan geri kalan desenli tabakası, silikon aygıt altında kalan kutu oksit tabakası çözünen bir madde. </li></ol> Bir Microtip Damgası için 3. Tasarımı Maskeler <ol><li> Kare tek bir 100 mikron x 100 mikron olan bir maske tasarlayın. </li><li> 100 mikron x 100 mikron alanı içinde birden fazla 12 mikron x 12 mikron kareler ile bir maske tasarlayın. </li></ol> 4. Bir Microtip Damgası Kalıp olun <ol><li> &lt;1-0-0&gt; kristal yönlendirme ile bir silikon gofret temizleyin, depoPlazma (PECVD) ekipman kimyasal buhar biriktirme Geliştirilmiş kullanarak silisyum nitrür 100 nm otur. </li><li> Spin kat Photoresist (AZ5214, 30 saniye boyunca 3,000 rpm, 1.5 mikron kalınlığında) adım 3.2 tasarlanmış maske ile ve desen. </li><li> Desen 10:01 Tamponlu Oksit ETCHANT (BOE) kullanarak silisyum nitrür tabakası. </li><li> Iyonu giderilmiş su ve 170 ml izopropil alkol (IPA) kanşımı, bir beher içinde, 40 ml potasyum hidroksit (KOH) 80 g çözülür. </li><li> Sıcak bir plaka üzerinde 80 ° C&#39;de KOH, IPA ve su karışımını ısıtın. </li><li> Dikey (aşındırma oranı yaklaşık 1 mm / dk) kristal yapısındaki maruz kalan silikon etch KOH karışımı ile çanak içinde hazırlanan gofret yerleştirin. </li><li> Maruz kalan silikon tamamen kazınmış sonra, KOH karışımından gofretin kaldırmak HF kullanılarak silisyum nitrür uzak aşındırma ve (Şekil 3A) temizleme RCA 1 ve 2 RCA gerçekleştirin. </li><li> Aşağıdaki reçete ile adım 3.1 &#39;den hazırlanan maske ile SU-8 100 ve desenli ceket Spin: 3.000 r1 dakika, 30 dakika, 10 dakika ve 95 ° C&#39;de, 65 ° C&#39;de fırında yumuşak için pm, 550 mJ / cm2, ve post fırında 65 ° C sıcaklıkta 1 dakika için ve 10 dakika boyunca 95 ° C&#39;de (Şekil 3B ile açığa .) </li><li> SU-8 100 tam kürünü sonra, 3-5 damla damlatılarak arasında (tridekafluoro-1, 1,2,3-tetrahidro oktil)-1-triklorosilan bir tek tabaka uygulayın (tridekafluoro-1, 1,2,3 - tetrahidro oktil bir vakum kavanoza)-1-triklorosilan ve kavanoza gofretin yerleştirilmesi ve vakum uygulanması. </li></ol> 5. Bir kalıp kullanarak Microtip Damga çoğaltma <ol><li> 5:1 oranı ile polidimetilsiloksan (PDMS) taban ve sertleştirme maddesi karıştırın. </li><li> Vakumlu bir kavanoza yerleştirerek edilen karışım gaz çıkışına. </li><li> Kalıp üzerindeki PDMS gazı alınmış karışımın küçük bir kısmı dökün ve PDMS yeniden akış düz bir üst yüzey (Şekil 3C) elde etmek için izin verin. </li><li> Tam olarak PDMS tedavisi için 2 saat boyunca 70 ° C &#39;de fırında PDMS ile kalıp yerleştirin. </li><li> Dan kalıp çıkarmakFırın ve PDMS kalkmasına (Şekil 3D). </li></ol> 6.. Donör Substrat gelen Mürekkep almak ve Hedef Alan yazdırın <ol><li> Bir mikroskop ile donatılmış motorlu dönme ve x, y-çevirme aşamasında üzerine verici alt-tabakanın yerleştirin. </li><li> Bağımsız bir düşey ötelenme aşamasına mikrotip damga takın. </li><li> Mikroskop altında, öteleme ve dönme aşamalarını kullanarak verici alt-tabaka üzerinde Si mürekkep ile mikrotip damga hizalayın. Ayrıca, mikro uçlu yüzey ve bir devirme aşamasında ayarlayarak Si mürekkebi arasında devirme hizalama yapmak. Daha sonra, temas kurmaya mikrotip damga aşağı getirmek. </li><li> Küçük uçlarına tamamen çökmüş ve bütün yüzey verici alt-tabaka üzerinde Si mürekkep ile temas halinde olduğu, böylece yavaş yavaş, ilk temastan sonra altındaki mikro uçlu damga getir. </li><li> Çabuk r nedeniyle mikro uçlu mührü ve Si mürekkep arasındaki geniş bir temas alanına çapa kırma z sahne yükseltmekdonör alt tabakadan Si mürekkep etrieve ve mikrotip damga takın. NOT: mikrotip damga herhangi bir stres serbest olduğunda, sıkıştırılmış mikrotip alınan Si mürekkep ile minimal temas, orijinal piramit şekline geri yükler. </li><li> Bir x, y-çeviri sahneye alıcı tabakayı yerleştirin ve istenen konuma mikrotip damgası altında alınan Si mürekkep hizalayın. </li><li> Alınan Si mürekkep ancak alıcı yüzey ile temas edinceye kadar z sahne inerler. </li><li> Temas yaptıktan sonra, yavaş yavaş istenilen yere yazdırarak, Si mürekkep serbest bırakmak z sahne yükseltmek. </li></ol> 7. Yapıştırma Süreci <ol><li> Program 90 saniye içinde 950 ° C&#39;ye kadar RT geçiş yapmak için hızlı bir ısıl tavlama fırını, 10 dakika boyunca 950 ° C&#39;de kalır ve (fırındaki herhangi bir ısı kaynağı kaldırarak), oda sıcaklığına kadar soğumaya. </li><li> 950 ° C de bir çevre hava ortamında ve tavlama fırının basılı alıcı alt-tabakanın yerleştirinSi-Si bağı veya Si-Au bağlanma için 30 dakika boyunca 360 ° C &#39;de 10 dakika boyunca F. </li></ol>

<ol>
	<li>Stix, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Toward+&#8220;Point+one.">Toward &#8220;Point one.</a> Sci Am. Feb. , 90-95 (1995).</li><li>Appenzeler, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Man+Who+Dared+to+Think+Small.">The Man Who Dared to Think Small.</a> Science. 254, 1300-1301 (1991).</li><li>Madou, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fundamentals+of+Microfabrications+The+Science+of+Miniaturization.">Fundamentals of Microfabrications The Science of Miniaturization.</a> , (2002).</li><li>Xia, Y., 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=Soft+Lithography.">Soft Lithography.</a> Angew Chem Int Ed. 38, 551-575 (1998).</li><li>Judy, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microelectromechanical+systems+(MEMS)+fabrication,+design+and+applications.">Microelectromechanical systems (MEMS) fabrication, design and applications.</a> Smart Mater Struct. 10, 1134-1154 (2001).</li><li>Jain, V. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Micromanufacturing Process. , (2012).</li><li>Keum, H., 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=Silicon+micro-masonry+using+elastomeric+stamps+for+three-dimensional+microfabrication.">Silicon micro-masonry using elastomeric stamps for three-dimensional microfabrication.</a> J Micromech Microeng. 22, 55018 (2012).</li><li>Keum, H., Chung, H., Kim, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrical+Contact+at+The+Interface+between+Silicon+and+Transfer-Printed+Gold+Films+by+Eutectic+Joining.">Electrical Contact at The Interface between Silicon and Transfer-Printed Gold Films by Eutectic Joining.</a> ACS Appl Mater Interfaces. 5, 6061 (2013).</li><li>Keum, H., Seong, M., Sinha, S., Kim, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrostatically+Driven+Collapsible+Au+Thin+Films+Assembled+Using+Transfer+Printing+for+Thermal+Switching.">Electrostatically Driven Collapsible Au Thin Films Assembled Using Transfer Printing for Thermal Switching.</a> Appl Phys Lett. 100, 211904 (2012).</li><li>Klaassen, E. H., 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=Silicon+fusion+bonding+and+deep+reactive+ion+etching:+a+new+technology+for+microstructures.">Silicon fusion bonding and deep reactive ion etching: a new technology for microstructures.</a> Sens Actuators A. 52, 132-139 (1996).</li><li>Barth, P. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Silicon+fusion+bonding+for+fabrication+of+sensors+actuators+and+microstructures.">Silicon fusion bonding for fabrication of sensors actuators and microstructures.</a> Sens Actuators. A21 - A23, 919-926 (1990).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

Şekil 4&#39;de sunulan mikro duvar, bir madde bir bağlama aşamasında bir silikon füzyon bağı içerir. Silikon füzyon bağlama hızlı bir ısıl tavlama fırını içindeki numune yerleştirme (RTA fırın) ve 10 dakika boyunca 950 ° C &#39;de, numunenin ısıtılması ile elde edilir. Si ve Si - - SiO 2 yapıştırma 10,11 Bu tavlama durum Si arasındaki uyarlanamıyor hem de. Seçenek olarak ise, Şekil 5C de bulunan gibi bir Si şeridi ile bağlı Au ö...

Böyle büyük ölçekli sıradan 3D makineleri minyatür olarak Mikroelektromekanik sistemler (MEMS), performans geliştirmeleri ve üretim maliyet azaltma 1,2 sağlayarak çağdaş teknolojileri ilerleyen için vazgeçilmezdir. Ancak, MEMS teknolojik ilerleme cari oranı imalat teknolojileri 3-6 sürekli yenilikler olmadan muhafaza edilemez. Ortak monolitik mikroimalat esas entegre devreler (IC) &#39;nin üretimi için geliştirilmiş katman-katman süreçlere dayanır. Bu yöntem, yüksek performanslı MEMS cihazlar seri üretimine olanak oldukça başarılı olmuştur. Bununla birlikte, bağlı karmaşık katman-katman ve elektrokimyasal eksiltici doğada, çeşitli şekillerde şeklindeki 3D MEMS yapıları ve cihazların imalatı, macroworld kolay, bu yekpare mikroimalat kullanarak elde etmek çok zor iken. Daha az işlem karmaşıklığı ile daha esnek 3D mikroimalat etkinleştirmek için, biz devehızlı termal tavlama-etkin malzeme yapıştırma teknikleri ile birlikte mikro / nano malzemelerin bir transfer baskı-tabanlı düzeneğini içeren bir 3D katkı micromanufacturing stratejisi (adlandırılır &#39;mikro / nano-yığma&#39;) miştir. Transfer baskı Elastomerik pulları kontrollü kuru yapışma kullanarak oluşturulan veya farklı bir alt-tabaka için yetiştirilen bir alt-tabaka katı mikro maddeleri (örneğin, &#39;katı mürekkep&#39;) transfer etmek için bir yöntemdir. Mikro-duvarcılık tipik bir prosedür transfer baskı ile başlar. Prefabrik katı mürekkepler, gelişmiş bir elastomerik pul formu ve basılı yapılar sonradan mürekkep mürekkep ve mürekkep yüzey yapışmasını geliştirmek için hızlı termal tavlama (RTA) kullanılarak tavlanır bir mikrotip damga kullanarak yazdırılan transferidir. Bu üretim yaklaşımı, diğer mevcut metodoloji kullanılarak ağırladı edilemez sıradışı mikro yapıların ve cihazların yapımını sağlards 7. MEMS sensörleri birleştirmek için benzemez malzemelerin yapısal ve işlevsel bir katı mürekkep entegre etmek için (a) yeteneği ve 3D yapı içinde entegre aktüatörler,: Mikro duvar diğer yöntemler de mevcut olmayan çeşitli çekici özellikler sağlar (B) monte katı mürekkep arabirimleri elektriksel ve termal kontaklar 9,10 olarak işlev görebilir; (C) montaj uzaysal çözünürlüğü 7 baskı transferi için katı mürekkep ve son derece hassas mekanik aşamaları üretmek için son derece ölçeklenebilir ve iyi anlaşılmış taşbaskı süreçleri kullanarak (~ 1 mikron) yüksek olabilir; ve (d) yapısal ve işlevsel bir katı mürekkepler düzlemsel veya kavisli bir geometride hem de sert ve esnek bir alt-tabakalar üzerinde entegre edilebilir.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="758">
	<tbody>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:217px;">Name of Material / Equipment</td>
			<td style="width:97px;">Company</td>
			<td style="width:97px;"></td>
			<td style="width:347px;">Comments / Description</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Az 5214</td>
			<td>Clariant</td>
			<td></td>
			<td>1.5 mm thick photoresist</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Su8-100</td>
			<td>Microchem</td>
			<td></td>
			<td>100 mm Photoresist used in mold</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Sylgard 184</td>
			<td>Dow Corning</td>
			<td></td>
			<td>PDMS mixed to fabricate stamp</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Hydrofluoric Acid</td>
			<td>Honeywell</td>
			<td></td>
			<td>Acid to etch silicon oxide layer</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Silicon on insulator</td>
			<td>Ultrasil</td>
			<td></td>
			<td>Donor substrate was fabricated</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">trichlorosilane</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td></td>
			<td>Chemical used to help pealing of PDMS from mold</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

micro-masonry for 3d additive micromanufacturing

Transfer baskı Elastomerik pullar kullanılarak farklı bir alt-tabaka için oluşturulan bir substrattan (Burada kullanılan &quot;mürekkep&quot; olarak adlandırılan) bir katı mikro / nano ölçekli malzeme transfer etmek için bir yöntemdir. Transfer baskı tür esnek ve gerilebilir güneş hücreleri ve LED diziler gibi son gelişmiş cihazlarla bulunan eşsiz yapıları veya fonksiyonel sistemleri imal etmek heterojen malzemelerin entegrasyonu sağlar. Transfer baskı malzemesi takımı yeteneği benzersiz özellikler sergiler da, bu tür baskı işlemleri arttırmak için alt-tabakalar üzerinde kendi kendine monte tek tabaka (SAM) birikimi gibi yapışkan tabakaların kullanımı veya yüzey modifikasyonu mikroelektromekanik sisteminin mikro montaj (MEMS) yapılar geniş adaptasyon engellemektedir ve cihazlar. Bu eksikliği gidermek için, biz deterministically sadece yüzey temas alanı kontrol aracılığıyla bireysel microscale nesneleri bir araya transfer baskı gelişmiş bir mod geliştirdiHerhangi bir yüzey değişiklik olmadan. Bir yapışkan tabaka veya başka bir değişiklik ve daha sonraki malzeme bağlama işlemleri yokluğu sadece mekanik bağlantı sağlamak, fakat daha fazla sıra dışı MEMS cihazları binada uyarlamasında çeşitli uygulamalar açılır monte malzemeler arasında, aynı zamanda, termal ve elektrik bağlantısı,.

Mikro-duvar monolitik mikroimalat işlemlerle elde etmek çok zor ya da imkansız olan MEMS yapıları oluşturmak için heterojen malzeme entegrasyon sağlar. Kapasitesini göstermek için, (a &#39;Mikro demlik&#39; olarak adlandırılır) bir yapı. Şekil 4A, bir verici alt-tabaka üzerinde imal Si mürekkepleri bir optik mikroskop görüntüsüdür sadece mikro duvar ile imal edilir. Tasarlanmış mürekkepler mikro demlik yapı taşlarıdır tek kristal silikon yapılmış farklı boyutları ile di...

Watch this Scientific Journal Video about Micro-masonry for 3D Additive Micromanufacturing at JoVE.com

Micro-masonry for 3D Additive Micromanufacturing

Bu kağıt mikroelektromekanik sistemi (MEMS) yapılar ve cihazlar esnek imalat için bir 3D katkı micromanufacturing stratejisi (adlandırılan &#39;mikro-yığma&#39;) tanıttı. Bu yaklaşım, hızlı termal tavlama-etkin malzeme yapıştırma teknikleri ile birlikte mikro / nano malzemelerin transfer baskı-tabanlı düzeneğini içerir.

3D Katkı Micromanufacturing için Micro-duvar

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

micro-masonry-for-3d-additive-micromanufacturing

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Civil Engineering

Engineering

Unit 1

Masonry

SCIENTISTS IN ACTION

10.3K Görüntüleme.  University of Illinois at Urbana-Champaign.  Bu kağıt mikroelektromekanik sistemi (MEMS) yapılar ve cihazlar esnek imalat için bir 3D katkı micromanufacturing stratejisi (adlandırılan 'mikro-yığma') tanıttı. Bu yaklaşım, hızlı termal tavlama-etkin malzeme yapıştırma teknikleri ile birlikte mikro / nano malzemelerin transfer baskı-tabanlı düzeneğini içerir. 

Video: Micro-masonry for 3D Additive Micromanufacturing

High-resolution, High-speed, Three-dimensional Video Imaging with Digital Fringe Projection Techniques

Digital fringe projection (DFP) techniques provide dense 3D measurements of dynamically changing surfaces.&#160;Like the human eyes and brain, DFP uses triangulation between matching points in two views of the same scene at different angles to compute depth.&#160;However, unlike a stereo-based method, DFP uses a digital video projector to replace one of the cameras1. The projector rapidly projects a known sinusoidal pattern onto the subject, and the surface of the subject distorts these patterns in the camera&#8217;s field of view. Three distorted patterns (fringe images) from the camera can be used to compute the depth using triangulation.
Unlike other 3D measurement methods, DFP techniques lead to systems that tend to be faster, lower in equipment cost, more flexible, and easier to develop.&#160;DFP systems can also achieve the same measurement resolution as the camera.&#160;For this reason, DFP and other digital structured light techniques have recently been the focus of intense research (as summarized in1-5). Taking advantage of DFP, the graphics processing unit, and optimized algorithms, we have developed a system capable of 30&#160;Hz 3D video data acquisition, reconstruction, and display for over 300,000 measurement points per frame6,7.&#160;Binary defocusing DFP methods can achieve even greater speeds8.
Diverse applications can benefit from DFP techniques. Our collaborators have used our systems for facial function analysis9, facial animation10, cardiac mechanics studies11, and fluid surface measurements, but many other potential applications exist.&#160;This video will teach the fundamentals of DFP techniques and illustrate the design and operation of a binary defocusing DFP system.

This video describes the fundamentals of digital fringe projection techniques, which provide dense 3D measurements of dynamically changing surfaces.&#160;It also demonstrates the design and operation of a high-speed binary defocusing system based on these techniques.

Digital fringe projection (DFP) techniques provide dense 3D measurements of dynamically changing surfaces.&#160;Like the human eyes and brain, DFP uses ...

Mühendislik

Scalable Nanohelices for Predictive Studies and Enhanced 3D Visualization

Spring-like materials are ubiquitous in nature and of interest in nanotechnology for energy harvesting, hydrogen storage, and biological sensing applications.&#160; For predictive simulations, it has become increasingly important to be able to model the structure of nanohelices accurately.&#160; To study the effect of local structure on the properties of these complex geometries one must develop realistic models.&#160; To date, software packages are rather limited in creating atomistic helical models.&#160; This work focuses on producing atomistic models of silica glass (SiO2) nanoribbons and nanosprings for molecular dynamics (MD) simulations. Using an MD model of &#8220;bulk&#8221; silica glass, two computational procedures to precisely create the shape of nanoribbons and nanosprings are presented.&#160; The first method employs the AWK programming language and open-source software to effectively carve various shapes of silica nanoribbons from the initial bulk model, using desired dimensions and parametric equations to define a helix.&#160; With this method, accurate atomistic silica nanoribbons can be generated for a range of pitch values and dimensions.&#160; The second method involves a more robust code which allows flexibility in modeling nanohelical structures.&#160; This approach utilizes a C++ code particularly written to implement pre-screening methods as well as the mathematical equations for a helix, resulting in greater precision and efficiency when creating nanospring models.&#160; Using these codes, well-defined and scalable nanoribbons and nanosprings suited for atomistic simulations can be effectively created.&#160; An added value in both open-source codes is that they can be adapted to reproduce different helical structures, independent of material.&#160; In addition, a MATLAB graphical user interface (GUI) is used to enhance learning through visualization and interaction for a general user with the atomistic helical structures.&#160; One application of these methods is the recent study of nanohelices via MD simulations for mechanical energy harvesting purposes.

Accurate modeling of nanohelical structures is important for predictive simulation studies leading to novel nanotechnology applications.&#160; Currently, software packages and codes are limited in creating atomistic helical models.&#160; We present two procedures designed to create atomistic nanohelical models for simulations, and a graphical interface to enhance research through visualization.

Öngörülü Çalışmaları Ölçeklenebilir Nanohelices ve Geliştirilmiş 3D Görselleştirme

Spring-like materials are ubiquitous in nature and of interest in nanotechnology for energy harvesting, hydrogen storage, and biological sensing ...

Novel 3D/VR Interactive Environment for MD Simulations, Visualization and Analysis

The increasing development of computing (hardware and software) in the last decades has impacted scientific research in many fields including materials science, biology, chemistry and physics among many others. A new computational system for the accurate and fast simulation and 3D/VR visualization of nanostructures is presented here, using the open-source molecular dynamics (MD) computer program LAMMPS. This alternative computational method uses modern graphics processors, NVIDIA CUDA technology and specialized scientific codes to overcome processing speed barriers common to traditional computing methods. In conjunction with a virtual reality system used to model materials, this enhancement allows the addition of accelerated MD simulation capability. The motivation is to provide a novel research environment which simultaneously allows visualization, simulation, modeling and analysis. The research goal is to investigate the structure and properties of inorganic nanostructures (e.g., silica glass nanosprings) under different conditions using this innovative computational system. The work presented outlines a description of the 3D/VR Visualization System and basic components, an overview of important considerations such as the physical environment, details on the setup and use of the novel system, a general procedure for the accelerated MD enhancement, technical information, and relevant remarks. The impact of this work is the creation of a unique computational system combining nanoscale materials simulation, visualization and interactivity in a virtual environment, which is both a research and teaching instrument at UC Merced.

A new computational system featuring GPU-accelerated molecular dynamics simulation and 3D/VR visualization, analysis and manipulation of nanostructures has been implemented, representing a novel approach to advance materials research and promote innovative investigation and alternative methods to learn about material structures with dimensions invisible to the human eye.

Roman 3D / MD Simülasyonlar, Görselleştirme ve Analiz VR İnteraktif Çevre

The increasing development of computing (hardware and software) in the last decades has impacted scientific research in many fields including materials ...

Development of a 3D Graphene Electrode Dielectrophoretic Device

The design and fabrication of a novel 3D electrode microdevice using 50 &#181;m thick graphene paper and 100 &#181;m double sided tape is described. The protocol details the procedures to construct a versatile, reusable, multiple layer, laminated dielectrophoresis chamber. Specifically, six layers of 50 &#181;m x&#160;0.7 cm x&#160;2 cm graphene paper and five layers of double sided tape were alternately stacked together, then clamped to a glass slide. Then a 700 &#956;m diameter micro-well was drilled through the laminated structure using a computer-controlled micro drilling machine. Insulating properties of the tape layer between adjacent graphene layers were assured by resistance tests. Silver conductive epoxy connected alternate layers of graphene paper and formed stable connections between the graphene paper and external copper wire electrodes. The finished device was then clamped and sealed to a glass slide. The electric field gradient was modeled within the multi-layer device. Dielectrophoretic behaviors of 6 &#956;m polystyrene beads were demonstrated in the 1 mm deep micro-well, with medium conductivities ranging from 0.0001 S/m to 1.3 S/m, and applied signal frequencies from 100 Hz to 10 MHz. Negative dielectrophoretic responses were observed in three dimensions over most of the conductivity-frequency space and cross-over frequency values are consistent with previously reported literature values. The device did not prevent AC electroosmosis and electrothermal flows, which occurred in the low and high frequency regions, respectively. The graphene paper utilized in this device is versatile and could subsequently function as a biosensor after dielectrophoretic characterizations are complete.

A microdevice with high throughput potential is used to demonstrate three-dimensional (3D) dielectrophoresis (DEP) with novel materials. Graphene nanoplatelet paper and double sided tape were alternately stacked; a 700 &#956;m micro-well was drilled transverse to the layers. DEP behavior of polystyrene beads was demonstrated in the micro-well.

3D Grafen Elektrot dielektroforetik Cihazı Geliştirilmesi

The design and fabrication of a novel 3D electrode microdevice using 50 &#181;m thick graphene paper and 100 &#181;m double sided tape is described. The ...

Energy Dispersive X-ray Tomography for 3D Elemental Mapping of Individual Nanoparticles

Energy dispersive X-ray spectroscopy within the scanning transmission electron microscope (STEM) provides accurate elemental analysis with high spatial resolution, and is even capable of providing atomically resolved elemental maps. In this technique, a highly focused electron beam is incident upon a thin sample and the energy of emitted X-rays is measured in order to determine the atomic species of material within the beam path. This elementally sensitive spectroscopy technique can be extended to three dimensional tomographic imaging by acquiring multiple spectrum images with the sample tilted along an axis perpendicular to the electron beam direction.
Elemental distributions within single nanoparticles are often important for determining their optical, catalytic and magnetic properties. Techniques such as X-ray tomography and slice and view energy dispersive X-ray mapping in the scanning electron microscope provide elementally sensitive three dimensional imaging but are typically limited to spatial resolutions of &gt; 20 nm. Atom probe tomography provides near atomic resolution but preparing nanoparticle samples for atom probe analysis is often challenging. Thus, elementally sensitive techniques applied within the scanning transmission electron microscope are uniquely placed to study elemental distributions within nanoparticles of dimensions 10-100 nm.
Here, energy dispersive X-ray (EDX) spectroscopy within the STEM is applied to investigate the distribution of elements in single AgAu nanoparticles. The surface segregation of both Ag and Au, at different nanoparticle compositions, has been observed.

The use of energy dispersive X-ray tomography in the scanning transmission electron microscope to characterize elemental distributions within single nanoparticles in three dimensions is described.

Bireysel Nanopartiküller 3D Elemental Haritalama için Enerji Dağılımı X-ışını Tomografi

Energy dispersive X-ray spectroscopy within the scanning transmission electron microscope (STEM) provides accurate elemental analysis with high spatial ...

Methods for Measuring the Orientation and Rotation Rate of 3D-printed Particles in Turbulence

Experimental methods are presented for measuring the rotational and translational motion of anisotropic particles in turbulent fluid flows. 3D printing technology is used to fabricate particles with slender arms connected at a common center. Shapes explored are crosses (two perpendicular rods), jacks (three perpendicular rods), triads (three rods in triangular planar symmetry), and tetrads (four arms in tetrahedral symmetry). Methods for producing on the order of 10,000 fluorescently dyed particles are described. Time-resolved measurements of their orientation and solid-body rotation rate are obtained from four synchronized videos of their motion in a turbulent flow between oscillating grids with R&#955; = 91. In this relatively low-Reynolds number flow, the advected particles are small enough that they approximate ellipsoidal tracer particles. We present results of time-resolved 3D trajectories of position and orientation of the particles as well as measurements of their rotation rates.

We use 3D printing to fabricate anisotropic particles in the shapes of jacks, crosses, tetrads, and triads, whose alignments and rotations in turbulent fluid flow can be measured from multiple simultaneous video images.

Oryantasyon ve dönme hızının ölçülmesi yöntemleri türbülansına tanecikler 3D basılmış

Experimental methods are presented for measuring the rotational and translational motion of anisotropic particles in turbulent fluid flows. 3D printing ...

3D Printing of Biomolecular Models for Research and Pedagogy

The construction of physical three-dimensional (3D) models of biomolecules can uniquely contribute to the study of the structure-function relationship. 3D structures are most often perceived using the two-dimensional and exclusively visual medium of the computer screen. Converting digital 3D molecular data into real objects enables information to be perceived through an expanded range of human senses, including direct stereoscopic vision, touch, and interaction. Such tangible models facilitate new insights, enable hypothesis testing, and serve as psychological or sensory anchors for conceptual information about the functions of biomolecules. Recent advances in consumer 3D printing technology enable, for the first time, the cost-effective fabrication of high-quality and scientifically accurate models of biomolecules in a variety of molecular representations. However, the optimization of the virtual model and its printing parameters is difficult and time consuming without detailed guidance. Here, we provide a guide on the digital design and physical fabrication of biomolecule models for research and pedagogy using open source or low-cost software and low-cost 3D printers that use fused filament fabrication technology.

Physical models of biomolecules can facilitate an understanding of their structure-function for the researcher, aid in communication between researchers, and serve as an educational tool in pedagogical endeavors. Here, we provide detailed guidance for the 3D printing of accurate models of biomolecules using fused filament fabrication desktop 3D printers.

Araştırma ve Pedagoji için Biyomoleküler Modelleri 3D Baskı

The construction of physical three-dimensional (3D) models of biomolecules can uniquely contribute to the study of the structure-function relationship. 3D ...

A 3D-printed Chamber for Organic Optoelectronic Device Degradation Testing

In this manuscript, we outline the manufacture of a small, portable, easy-to-use atmospheric chamber for organic and perovskite optoelectronic devices, using 3D-printing. As these types of devices are sensitive to moisture and oxygen, such a chamber can aid researchers in characterizing the electronic and stability properties. The chamber is intended to be used as a temporary, reusable, and stable environment with controlled properties (including humidity, gas introduction, and temperature). It can be used to protect air-sensitive materials or to expose them to contaminants in a controlled way for degradation studies. To characterize the properties of the chamber, we outline a simple procedure to determine the water vapor transmission rate (WVTR) using relative humidity as measured by a standard humidity sensor. This standard operating procedure, using a 50% infill density of polylactic acid (PLA), results in a chamber that can be used for weeks without any significant loss of device properties. The versatility and ease of use of the chamber allows it to be adapted to any characterization condition that requires a compact-controlled atmosphere.

Here, we present a protocol for the design, manufacture, and use of a simple, versatile 3D-printed and controlled atmospheric chamber for the optical and electrical characterization of air-sensitive organic optoelectronic devices.

3D baskı odası için organik opto-elektronik aygıt bozulması test

In this manuscript, we outline the manufacture of a small, portable, easy-to-use atmospheric chamber for organic and perovskite optoelectronic devices, ...

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.

3D bir bileşenin mikro enjeksiyon kalıplama için yumuşak takım süreç zinciri sütun

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

Multi-material Ceramic-Based Components &#8211; Additive Manufacturing of Black-and-white Zirconia Components by Thermoplastic 3D-Printing (CerAM - T3DP)

To combine the benefits of Additive Manufacturing (AM) with the benefits of Functionally Graded Materials (FGM) to ceramic-based 4D components (three dimensions for the geometry and one degree of freedom concerning the material properties at each position) the Thermoplastic 3D-Printing (CerAM -&#160;T3DP) was developed. It is a direct AM technology which allows the AM of multi-material components. To demonstrate the advantages of this technology black-and-white zirconia components were additively manufactured and co-sintered defect-free.
Two different pairs of black and white zirconia powders were used to prepare different thermoplastic suspensions. Appropriate dispensing parameters were investigated to manufacture single-material test components and adjusted for the additive manufacturing of multi-color zirconia components.

Here we describe a protocol for additively manufacturing black-and-white zirconia components by Thermoplastic 3D-Printing (CerAM -&#160;T3DP) and co-sintering defect-free.

Çoklu malzeme Seramik tabanlı bileşenler-katkı siyah-beyaz zirkon bileşenleri termoplastik 3D baskı tarafından (CerAM - T3DP) üretim

To combine the benefits of Additive Manufacturing (AM) with the benefits of Functionally Graded Materials (FGM) to ceramic-based 4D components (three ...