Out of equilibrium actuation of microprinted hydrogel objects for ultrasmall locomotor systems

• Ungleichgewichtsanregung von mikrogedruckten Hydrogelobjekten für ultrakleine Lokomotorsysteme

Zhang, Hang; Möller, Martin (Thesis advisor); Simon, Ulrich (Thesis advisor)

Aachen (2017)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Kurzfassung

Selbstantreibende Mikroobjekte oder Kolloide sind ein aktuelles Forschungsgebiet für Mikroroboter aus weicher Materie sowie für Geräte, die Fluide mischen, sortieren und zirkulieren. Jedoch ist ein künstlicher Mikroschwimmer, der sich durch reine Körperverformung antreibt, schwierig zu realisieren, da die Verformungen während zyklischer Anregungen nicht reziprok (oder zeit-irreversibel) sein dürfen, was auch als das von E. M. Purcell beschriebene Scallop-Theorem bekannt ist. Zusätzliche Anforderungen für die Implementierung eines derartigen Morphing-Mikroschwimmers sind eine Energiequelle, eine ausreichend schnelle Anregung und ein Kontrollmechanismus sowohl für die Wiederholung als auch zum Steuern der Bewegung.In dieser Dissertation wird eine neuartige Klasse von künstlichen Mikroschwimmern vorgestellt, die das Prinzip der Nichtgleichgewichtsanregung durch photothermische Erwärmung ausnutzen. Das System besteht aus einem vernetzten, temperatursensitiven Poly(N-isopropylacrylamid)-Hydrogel, in dem Gold-Nanostäbchen eingebettet sind. Laserbestrahlungen der Gold-Nanostäbchen, die die Lichtenergie fast vollständig in die Wärme umwandeln, rufen eine schnelle Temperaturänderung innerhalb des Mikrogels hervor. Da die Diffusion des Gelnetzwerkes raschen Temperaturänderungen zeitlich nicht folgen kann, kann die Volumenänderung aus dem Gleichgewicht gebracht werden. Unter Bedingungen außerhalb des Gleichgewichts werden nicht-reziproke Bewegungen erwartet, die aufgrund der Abweichung des Quell- und Schrumpfprozesses stattfinden.Die Kontrolle der Temperaturänderung und -rate in einem Hydrogel durch photothermisches Erwärmen wurde demonstriert. Es wurde gezeigt, dass sich die Erwärmungsprozesse von dem Fall der in Lösung suspendierten Goldnanostäbchen unterschieden. Ultrakleine Hydrogelobjekte wurden mittels der PRINT-Technik (Particle Replication in Non-wetting Templates) hergestellt, die präzise Kontrolle der Zusammensetzung, der Größe und der Geometrie im mikroskopischen Bereich ermöglicht. Die Anregungskinetik mittels photothermischer Erwärmung wurde auf der Basis eines scheibenförmigen Mikrogels unter stroboskopischen Bestrahlungen untersucht und der Wirkungsgrad der Anregung wurde berechnet. Es wurden auch anisometrische Mikrogele hergestellt, die eine Biegeverformung und eine erhöhte Anregungsamplitude aufgrund der Nichtgleichgewichts-bedingungen zeigten. Ferner wurden doppelschichtige Hydrogelbänder hergestellt, die nach dem Quellen/Schrumpfen reversiblen Formtransformationen unterlagen. Spiral-, schrauben- oder röhrenförmige Geometrien konnten in Abhängigkeit von den ursprünglichen Seitenverhältnissen des Bandes gewonnen werden. Die schraubenförmigen Mikrogele zeigten eine Reaktionszeit im Millisekundenbereich bei der photothermischen Anregung. Das Umschalten der Helizität kann durch Bestrahlung ausgelöst werden, das auf die Umkehrung der Bandkrümmung zurückzuführen ist. Es wurde herausgefunden, dass der Inversionsprozess stark von der Umgebungstemperatur und den ionischen Spezies im Medium abhängt, was potentiell in Sensoranwendungen von Nutzen sein kann. Durch Feinabstimmung der Bestrahlungsbedingungen konnten Rotationsbewegungen der schraubenförmigen sowie spiralförmigen Mikrogele beobachtet werden. Die Analyse der Kinematik deckte nicht-reziproke Verformungswege unter stroboskopischen Bestrahlungen auf. Unter physikalischen Einschränkungen wiesen die schraubenförmigen Mikrogele auch Translations-bewegungen auf.Die Ergebnisse in dieser Dissertation zeigen die Möglichkeit auf, die Moden, Sequenzen und Amplituden komplexer Körperverformungen von kleinen Hydrogelobjekten präzise und zielgerichtet zu gestalten. Der Selbstantrieb von Mikrogelen mit dynamischer Steuerung der Form durch photothermische Erwärmung bietet eine spannende Möglichkeit für die Entwicklung von weicher Mikro-Robotik in biomedizinischen oder mikrofluidischen Anwendungen.