مقالة منهجية

المحركات الخفيفة ذات شكل حر - تصنيع ومراقبة يشتغل في مقياس المجهري

DOI:

10.3791/53744

⸱

مايو 25, 2016

 ,  ,  ,  , 
1European Labratory for Non-Linear Spectroscopy, University of Florence, 2Institute of Experimental Physics, Faculty of Physics, University of Warsaw, 3CNR-INO, 4Chemistry Department, University of Florence

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

هنا ، نقوم بتصنيع هياكل بوليمرية دقيقة / نانو ثلاثية الأبعاد يمكن فيها هندسة كل من الشكل والمحاذاة الجزيئية بدقة مقياس نانومتر باستخدام الكتابة بالليزر المباشر. يمكن التحكم في التشوه الناجم عن الضوء لعدة أنواع من الهياكل المجهرية المطاطية البلورية السائلة في المقياس المجهري.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

اللدائن البلورية السائلة (LCEs) هي مواد ذكية قادرة على عكسها تغير شكل استجابة للمؤثرات الخارجية، واجتذبت اهتمام الباحثين في العديد من المجالات. ركزت معظم الدراسات على هياكل LCE العيانية (أفلام، البروتين)، والتصغير من لا يزال في مراحله الأولى. وضعت مؤخرا تقنيات الطباعة، على سبيل المثال، تعرض قناع وصب طبق الأصل، يسمح فقط لإنشاء هياكل 2D على LCE الأغشية الرقيقة. الليزر الكتابة المباشرة (DLW) بفتح الوصول إلى تلفيق 3D حقا في نطاق والمجهرية. ومع ذلك، والسيطرة على طوبولوجيا يشتغل وديناميكية في نفس مقياس طول ما زال يمثل تحديا.

في هذا البحث يقدم تقريرا عن طريقة للسيطرة على الكريستال السائل (LC) محاذاة الجزيئية في المجهرية LCE من التعسفي شكل ثلاثي الأبعاد. وقد أصبح هذا ممكنا من خلال مزيج من كتابة الليزر مباشرة لكل من الهياكل LCE فضلا عن أنماط micrograting حملمحاذاة LC المحلية. استخدمت عدة أنواع من أنماط صريف لتقديم التحالفات LC مختلفة، والتي يمكن نمط لاحقا في الهياكل LCE. هذا البروتوكول يسمح احد للحصول على المجهرية LCE مع التحالفات المهندسة قادرة على أداء متعددة يشتغل البصريات الميكانيكية، بحيث تكون قادرة على وظائف متعددة. تطبيقات يمكن التنبؤ في مجال الضوئيات الانضباطي، الروبوتات الدقيقة والتكنولوجيا مختبر على رقاقة وغيرها.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

المشغلات والبنى المجهرية التي يمكن أن تنقل الطاقة الخارجية لتشغيل آلية أو نظام آخر. ويرجع ذلك إلى الحجم الصغير والقدرة على التحكم عن بعد، كانت قد استخدمت على نطاق واسع في مختبر على رقاقة أنظمة 1، الاستشعار الدقيقة 2، والروبوتات الدقيقة 3. المحركات المتاحة حتى الآن يمكن أن تؤدي إجراءات بسيطة فقط، مثل تورم / انهيار في مصفوفة هيدروجيل 4، تقلص / الانحناء 5 في اتجاه واحد مع حقل خارجي. على الرغم من أن التقنيات التي تم تطويرها مؤخرا مكنت لتصنيع الهياكل التي تحرك نطاق والمجهرية 6، فإنه لا يزال يشكل تحديا كبيرا للسيطرة على هذه اكتواتيونس في نفس مقياس طول. يقدم هذا البحث طريقة لإعداد 3D ضوء تفعيل المجهرية ذات خصائص يشتغل السيطرة عليها. وتستند هذه التقنية على الكتابة الليزر مباشرة (DLW)، ويتجلى ذلك في اللدائن البلورية السائلة (LCEs).

LCEs هي البرمجر البوليمرات تمشيط الملكية من المطاط الصناعي والتوجه البلورية السائلة. هذه المواد هي قادرة على تشويه كبير (20-400٪) تحت أنواع مختلفة من المحفزات الخارجية 7. وميزة استخدام LCEs عن المشغلات هي الراحة الهندسة أجل الجزيئي في الهياكل، والذي يسمح للسيطرة على يشتغل في نطاق والمجهرية 8. تم تجميعها أحادية LC مع شاردة أكريليت، تمكن من خطوة واحدة الصور البلمرة. هذه الخاصية يعطي الوصول إلى أنواع مختلفة من تقنيات الطباعة الحجرية لتصنيع المجهرية 3D. وترتبط نيتروجينية، صبغ بما أن صورة جزيئات تستجيب لشبكة البوليمر عملية المشارك البلمرة. هذه الجزيئات الجمع بين قدرة قوية استجابة ضوءها (المتحولة إلى المماكبة رابطة الدول المستقلة) مع التدفئة ضوء يسببها للنظام منح الضوء تسيطر عليها تشوه.

DLW هو أسلوب للحصول على الهياكل البوليمر في العتاد حساسالقاعدة الذي السيطرة المكانية من تركيز شعاع الليزر 9. DLW تمكن من خلق هياكل ذات شكل حر 3D في LCE دون أن تفقد محاذاة الجزيئية 6. وهناك العديد من المزايا من DLW في تصنيع المشغلات LCE. أولا، يمكن للقرار أن تصل إلى نطاق submicron، والهياكل و3D حقا 6. ذكرت سابقا أساليب التصنيع LCE الصغيرة، على سبيل المثال، تعرض ملثمين 10 و نسخة صب 11، شريطة قرار إلى حوالي 10 ميكرون وإلا يكون الهندسة 2D. ثانيا، DLW هو عملية تلفيق عدم الاتصال. ومذيب مناسب يمكن أن تتطور هياكل عالية الجودة الحفاظ على التكوين تصميم. طبق الاصل تقنية صب نادرا ما يعطي قرار ميكرون الفرعي 12 ونوعية الهيكلية من الصعب السيطرة عليها. ثالثا، تقدم كتابة ليزر خيارات متعددة لتوجيه LC المحلي على المستوى المجهري 8،13. ومن بين أنواع مختلفة من أساليب التوجه LC، فرك هو موسر سيلة فعالة لتوجيه جزيئات LC، واستخدمت على نطاق واسع في إعداد من LCE رقيقة. وقد تحقق ذلك عادة عن طريق فرك على طبقات البوليمر لتوليد microgrooves على الأسطح الداخلية للخلية مخترقة من قبل أحادية LC. ويرجع ذلك إلى تأثير رسو السطح، هذه microgrooves قادرة على توجيه جزيء LC على طول اتجاه الأخدود. DLW تمكن من تصنيع المباشر لتلك microgrooves على المنطقة المحددة في الاتجاه مصمم مسبقا مع أعلى بكثير من الدقة. كل هذه الميزات تجعل DLW الكمال، تقنية فريدة من نوعها لتصنيع ومراقبة يشتغل في نطاق والمجهرية.

وبناء على DLW، قد يكون نمط المجهرية LCE مع توجهات الجزيئية المختلفة. مع محاذاة المجمع ضمن هيكل LCE واحد، اكتواتيونس متعددة الوظائف تصبح ممكنة. ويمكن استخدام طريقة لتصنيع المشغلات LCE مع أي نوع من خليط LC مونومر. بمزيد من الهندسة الكيميائية، فمن الممكن لجعلالمحركات حساسة للمصادر التحفيز الأخرى، على سبيل المثال. والرطوبة أو الإضاءة في طول موجي مختلف.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ملاحظة: هذا البروتوكول يتضمن ثلاث خطوات: IP-L صريف استعدادا للتوجه الجزيئي LC، DLW في LCE وضوء يشتغل التوصيف. يظهر التخطيطي للنظام الكتابة الليزر المباشر في الشكل 1، في حين يظهر نظام التلاعب الصغرى في الشكل (5).

1. IP-L نمط المشبك التحضير

  1. إخراج المجهر غطاء واحد الشرائح (3 سم في القطر)، وتنظيفه مع الأسيتون باستخدام أنسجة عدسة.
  2. وضع بعض الفواصل (المجهرية الزجاج) مع مساعدة من طرف المعدنية في 3 نقاط مختلفة من شريحة زجاجية حوالي 0.5 سم بعيدا عن المركز.
  3. ضع شريحة المجهر آخر (1 سم في القطر) على الجزء العلوي من الفواصل. استخدام طرف للضغط بلطف على الجزء العلوي من شريحة زجاجية العليا.
  4. وضع قطرة (حوالي 2 ميكرولتر) من الغراء علاج الأشعة فوق البنفسجية على ثلاث نقاط مختلفة على التوالي في حدود الزجاج العلوي.
  5. قبل الغراء تخترق الكثير من كثافة العملياتس الفجوة، واستخدام الأشعة فوق البنفسجية لترسيخ الغراء. تتشكل الآن الخلية.
  6. وضع قطرة (حوالي 10 ميكرولتر) من راتنج IP-L على حدود الخلية باستخدام ماصة. انتظر لبضع دقائق حتى يتم تسلل السائل في المنطقة بأكملها للخلية.
  7. استخدام الغراء لإصلاح الخلية على صاحب العينة ووضعه في نظام الكتابة الليزر المباشر.
  8. اختيار هدف 100X، والعثور على واجهة على السطح الداخلي العلوي، تليها تصحيح الميل على هذا السطح.
  9. إرسال هياكل مصممة IP-L أنماط صريف مع قوة الليزر وسرعة المسح الضوئي من 6 ميغاواط و 60 ميكرون / ثانية، على التوالي. مصنوعة أنماط صريف من منحنى IP-L أو خطوط مستقيمة.
  10. كرر الخطوات من 1.8 و 1.9 على السطح الداخلي السفلي.
  11. اخراج الخلية، وتزج العينة في حمام 2-بروبانول دون فتح الخلية، عن 12-24 ساعة.
  12. اخراج الخلية من المذيب، وجففه على صفيحة ساخنة (50 درجة مئوية) لمدة 10-20 دقيقة.

2. LCE المجهرية تلفيق

  1. مقياس ~ 300 ملغ مونومر الخليط على التوازن. رؤية التركيب الجزيئي في الجدول 1.
  2. ضعي المزيج على استعداد داخل زجاجة، ووضعها على مجموعة لوحة الساخن في 70-80 درجة مئوية.
  3. الانتظار حتى جميع يذوب مسحوق، إضافة محرك مغناطيسي، ومزج الخليط لمدة 1 ساعة (90-150 دورة في الدقيقة).
  4. وضع الخلية على طبق ساخن عند 60 درجة مئوية.
  5. وضع قطرة (حوالي 20 ميكرولتر) من الخليط على حافة الشريحة الزجاجية الصغيرة وانتظر حتى يخترق السائل داخل الخلية.
  6. نقل الخلية إلى المجهر الضوئي مع المستقطب عبر وحدة تحكم في درجة الحرارة. إبقاء كل شيء في الظلام أثناء نقل، ووضع فلتر البرتقال قبل مصباح إضاءة لتصفية الأشعة فوق البنفسجية.
  7. زيادة درجة حرارة الخلية أعلى من 60 درجة مئوية باستخدام وحدة تحكم في درجة الحرارة على المجهر، ثم تنخفض درجة الحرارة (2-10 درجة مئوية لكل دقيقة)، لقياس مدى درجة الحرارة للمرحلة LC. مزيج مع التركيب الجزيئي مختلفة لديها مختلف درجات الحرارة المرحلة LC. ويمكن التعرف على ومتجانسة المرحلة خيطي LC جيدة من خلال مراقبة انعكاس صورة النقيض في حين تناوب العينة كل 45 درجة فيما يتعلق محور المستقطب.
  8. إصلاح الخلية على صاحب العينة، وضعه في النظام DLW، وضبط درجة الحرارة لتصل إلى مرحلة LC (يقاس في الخطوة 2.7).
  9. ابحث عن واجهة على السطح الداخلي السفلي وإجراء تصحيح الميل باستخدام الهدف 100X، أو هدف 10X دون العثور على واجهة.
  10. إرسال الهياكل LCE عن طريق استخدام DLW مع قوة الليزر وسرعة المسح الضوئي من 4 ميغاواط و 60 ميكرون / ثانية على شريحة زجاجية أقل باستخدام الهدف 100X. خلاف ذلك، مع استخدام قوة الليزر وسرعة المسح الضوئي من 14 ميغاواط و 60 ميكرون / ثانية باستخدام الهدف 10X (ملفقة هيكل LCE في جميع أنحاء سمك العينة بأكمله).
  11. اخراج الخلية، واستخدام شفرة لفتح الخلية إزالة الشريحة الزجاجية العلوية.
  12. تزج الهياكل في حمام التولوين لمدة 5 دقائق.
  13. إخراج عينة، وتجف في الهواء لمدة 10 دقيقة.

3. توصيف يشتغل ضوء المجهرية LCE

  1. وضع العينة في المجهر الضوئي (20X) والتركيز على شعاع ليزر (CW، 532 نانومتر، 50-500 ميغاواط) من خلال 10X الهدف على الهياكل.
  2. مراقبة الضوء الناجم عن تشوه بواسطة الكاميرا CMOS المجهر الضوئي (معدل الإطار 25.8 إطارا في الثانية).
  3. استخدام التحكم اليدوي للنظام التلاعب الصغيرة (الشكل 5) لوضع طرف زجاج في مرتبة قريبة جدا من المجهرية LCE.
  4. التبديل على الليزر في الطاقة المنخفضة (~ 20 ميغاواط)، وذلك لزيادة درجة حرارة LCE (بسبب امتصاص الضوء)، وبالتالي تخفف من الهيكل.
  5. استخدام طرف الزجاج لالتقاط واحدة المجهرية LCE، والاحتفاظ بها في الهواء. هناك حاجة إلى هذه العملية لتفادي التصاق من سطح الزجاج.
  6. برميل للخمرالبريد الليزر إلى الطاقة العالية (> 100 ميغاواط)، ومراقبة تشوه هيكل LCE.
  7. تسجيل يسببها تشوه ضوء مع الكاميرا المجهر.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ويبين الشكل 1 مجموعة بصري يصل للكتابة الليزر. ويتكون النظام من 780 نانومتر ليزر الألياف توليد 130 نبض fsec بمعدل تكرار 100 ميغاهيرتز. وينعكس شعاع الليزر إلى تلسكوب لضبط ملف شعاع لفتحة موضوعية المجهر الضوئي حيث أنها تركز في العينة. على المجهر، يتم تثبيت مرحلة بيزو 3D مع مجموعة 300 × 300 × 300 ميكرون 3 السفر للترجمة عينة مع سرعة قصوى تصل إلى 100 ​​ميكرون / ثانية في 2 قرار نانومتر. الضوء المستقطب خطيا من مصباح أحمر يضيء عينة من أعلى، في حين يتم جمع صورة في الجزء السفلي من الهدف نفسه، وينعكس في الحزمة الخائن الى كاميرا CCD. امام الكاميرا، ويستخدم المستقطب أخرى للحصول عبر الإضاءة المستقطبة لتعزيز التباين.

ويبين الشكل 2 كهربائي المسح الضوئي ترون المجهر (SEM) وصور ليزر مكتوبة IP-L أنماط micrograting (الخطوة 1). التباعد الأخدود هو في حدود 400 - 1200 نانومتر، في حين أن ارتفاع الأخاديد (أعلى إلى الوادي) حوالي 700 نانومتر. أنماط صريف مع توجهات مختلفة يمكن أن تحفز التحالفات LC مختلفة، اعتمادا على يشتغل المطلوب من عنصر LCE.

ويبين الشكل 3 التوجه LC مونومر الناجمة عن أنماط صريف IP-L (الخطوة 2.7). أولا، ملفقة أربعة أنواع من نمط صريف الدقيقة مع 100 × 100 ميكرون 2 حجم كل منها على طرفي نقيض من خلية الزجاج (كما هو موضح تخطيطي في الشكل 3A). ويرجع ذلك إلى ترسيخ السطح، وقد تم الموجهة مونومرات LC تسلل جنبا إلى جنب مع الاتجاه خطوط صريف، وبالتالي اظهار 45 درجة انعكاس التباين في المستقطب المجهر الضوئي (بوم) صورة (الشكل 3B).

العمر = "1"> ويبين الشكل 4 صور SEM لLCE نانو نقطة / خط ملفقة على شبكات صريف IP-L مع اتجاه مختلف (الخطوة 2.10). داخل الشبكة صريف، تصبح الهياكل LCE أكثر تحديدا، مع أعلى بكثير مقاومة التنمية في التولوين. وقد تم قياس وعرض الحد الأدنى من LCE قطع لتكون ~ 300 نانومتر، وهو ما يتسق مع قرار DLW دون نمط صريف. مقاربة أخرى مثيرة للاهتمام لتطبيق الضوئية يمكن أن يكون تحقيق هيكل الدوري على نطاق واسع. الشكل 4 (ج، د) تبين 2D LCE الهياكل الدورية ضمن شبكة صريف الصغيرة. يتم الحفاظ على التحالفات بشكل جيد داخل هذه النانو، كما هو مبين في الصور بوم إدراج الشكل 4 (ج، د). ومع ذلك، لا يمكن الحصول على ضوء الناجم عن تشوه في هذه النانو. وذلك لأن داخل صريف IP-L، العناصر نانو LCE قد اقتصرت إلى حد كبير والتصاق يمنع أي تشوه مرئية.

ويستند هذا النظام التلاعب الصغير على المجهر الصنع ينعكس ويظهر تخطيطي في الشكل (5). تم إصلاح الهدف 10X على أنبوب العدسة موضوعة على اللوح الضوئية يقف عموديا. ويستخدم 730 نانومتر الأشعة تحت الحمراء مصدر ضوء LED للإضاءة من خلال الخائن شعاع غير مستقطب. يتم جمع الصورة التي تعكسها نفس الهدف والمتوقعة على الكاميرا. يقترن المستمر الحالة الصلبة 532 نانومتر ليزر إلى الهدف عن طريق مرآة مزدوج اللون تمريرة طويلة (انتقال 50٪ والتأمل في 567 نانومتر) في زاوية حدوث 45 درجة. والسلطة متر يقيس شعاع تنتقل بعد المرآة مزدوج اللون للكشف في الوقت الحقيقي من قوة الليزر. بقعة الليزر فضفاضة مركزة من ~ 150 ميكرون قطر يولد أقصى شدة الإضاءة من 10 ~ W / مم 2. يتم التحكم كثافة الليزر من قبل متغير مرشح الكثافة المحايدة وضعت أمام الليزر. تحت الهدف، آر اليدوي 3Dيستخدم مرحلة anslation للترجمة العينة. ويستخدم مرحلة التسخين المثبتة على مرحلة الترجمة لمراقبة دقيقة من درجة حرارة العينة في مجموعة من -20 إلى 120 درجة مئوية مع 0.5 درجة مئوية دقة. وضعت اثنين من نصائح الزجاج التي شنت على مرحلتين الترجمة اليدوية على الجانبين الأيسر والأيمن، بالقرب من موقف العينة. هيكل التلاعب الصغيرة يمكن أن تتحقق عن طريق نقل بعناية النصائح مع مساعدة من مراحل الترجمة.

للتدليل على التوافق والترابط تشوه، نبتدع أربعة مبان LCE أسطواني مع 60 ميكرون وقطرها 20 ميكرومتر الارتفاع. تتم كتابة هذه الاسطوانات على أربع مناطق الموجه بشكل مختلف IP-L صريف (1 ميكرون الفترة). تحت الإثارة الخفيفة، والأصباغ داخل LCE تمتص الطاقة الضوئية وتحويلها إلى الشبكة. يتم تسخين الهياكل LCE وحتى ذلك الحين يخضع المرحلة الانتقالية (خيطي إلى الخواص). وساعدت هذه المرحلة الانتقالية أيضاقبل العابرة للالمماكبة رابطة الدول المستقلة من الصبغة تحت نفس المحفزات الخفيفة. وهكذا، فإن عقد الهياكل على طول مدير محاذاة LC الأصلي وتوسع في اتجاه عمودي 7. اعتمادا على التحالفات المحلية المختلفة الناجمة عن حواجز شبكية IP-L، هذه الهياكل تشوه على طول اتجاهات مختلفة، كما هو مبين في الشكل (6) (الخطوة 3.1).

هذه التقنية تتيح إنشاء المحركات المركبة، والتي تحتوي على أكثر من نوع واحد من التوافق في هيكل واحد. كانت ملفقة وLCE شريط 400 × 40 × 20 ميكرون 3 الحجم مع قسمين من نمط المحاذاة، كما هو مبين في الشكل تخطيطي 7 (أ). تحتوي تلك الأجزاء محاذاة كل 90 ° التوجه الملتوية في اتجاه مختلف. السطح مع عقود محاذاة موازية، في حين أن واحدة مع محاذاة عمودية يوسع تحت إضاءة خفيفة. وكان هيكل بيcked من قبل نظام المجهرية، والذي عقد في الهواء من قبل طرف الزجاج. وقد لوحظ الانحناء مزدوج تحت إضاءة خفيفة (الخطوة 3.3). شعاع ليزر التضمين (باستخدام المروحية البصرية) يمكن أن تحدث تشوهات الدورية. LCE يمكن أن تستجيب بعد تعديل تردد الليزر (> هرتز 1K). ومع ذلك، يقلل من السعة تشوه مع زيادة تردد 14.

figure-results-1
الشكل 1: بصري إعداد لمباشرة الكتابة ليزر شعاع 780 نانومتر ليزر (130 نبض fsec، ومعدل تكرار 100 ميغاهيرتز) يقترن إلى المجهر وركزت قبل الهدف المجهر الضوئي في العينة. ويستخدم مرحلة 3D بيزو مع مجموعة 300 × 300 × 300 ميكرون 3 السفر لترجمة عينة خلال التعرض ليزر. الرجاء انقر هنا لعرض لا نسخة rger من هذا الرقم.

figure-results-2
الشكل 2: SEM صور IP-L الصغرى حواجز شبكية أ) هيكل خط مواز أحادي الاتجاه. ب) شعاعي نمط صريف. مقياس شريط: 10 ميكرومتر الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-3
الرقم 3: IP-L الصغرى صريف الحث LC التوجيه أ) تخطيطي لأنماط صريف الصغيرة المصممة لتوجيه LC. ب) صورة بوم للتوجه LC الناجمة عن أنماط micrograting. شريط النطاق هو 50 ميكرون. اللون الأحمر ويرجع ذلك إلى المرشح الذي يمنع الصور البلمرة.ge.jpg مرحبا "الهدف =" _ فارغة "> الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-4
الرقم 4: SEM صور النانو LCE جزءا لا يتجزأ من داخل شبكات المشبك IP-L أ) و (ب)) ملفقة اثنين من أنماط صريف الصغيرة التي DLW على طول اتجاهات مختلفة، بينما هي ملفقة nanodots LCE داخل الشبكة صريف. ج) و د) هياكل نانو LCE الدوري جزءا لا يتجزأ من داخل نفس النوع من حواجز شبكية IP-L. إدراجات هي صورة بوم من الهياكل. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-5
الرقم 5:. تخطيطي لإعداد المجهرية يقترن CW الحالة الصلبة 532 نانومتر ليزر إلى محلية الصنع نظام المجهر. ويستخدم الهدف 10X للتصوير وتركيز الليزر 532 نانومتر لإثارة. وتستخدم مرحلتين الترجمة اليدوية مجهزة المتلاعبين الزجاج طرف لعينة صغيرة التلاعب. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-6
الشكل 6: ضوء يشتغل من LCE مايكرو اسطوانات على أربعة IP-L المناطق Micrograting مختلفة مع توجهات مختلفة أ) أربعة LCE الهياكل أسطواني مع 60 ميكرون وقطرها 20 ميكرومتر ارتفاع، وكتب على أربع مناطق صريف الجزئي الموجه بشكل مختلف. ب) اسطوانات LCE تشوه على طول محاور مختلفة (اعتمادا على التحالفات صريف يسببها) عندما تتعرض لأشعة الليزر 532 نانومتر (10 W مم -2). شريط مقياس: 100 ميكرون.ليه / ftp_upload / 53744 / 53744fig6large.jpg "الهدف =" _ فارغة "> الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-7
الرقم 7: تشويه مدفوعة خفيفة من المجهرية LCE مع الأحلاف الجزيئية متعددة أ) رسم تخطيطي للقسمين متقابلين 90 ° التحالفات الملتوية في شريط LCE واحد. ب) و (ج)) الصور الضوئية من 400 ميكرون شريط LCE طويلة الانحناء في اتجاهين متعاكسين تحت 532 إضاءة الليزر نانومتر (3 W مم -2) 8. يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تم دمج IP-L تقنية توجيه صريف الصغيرة مع DLW لتوجيه أحادية البلورية السائلة. ويمكن أيضا أن LCE الهياكل الدقيقة في وقت لاحق، وقد كتب ليزر يكون نمط مع محاذاة مصممة على النطاق الصغير. هذا الأسلوب يسمح لنا لخلق عناصر مجمع LCE التي يمكن أن تدعم وظائف متعددة. مع قدرة بارزة على خلق المجهرية 3D دقيقة والتحكم في التشغيل، فإننا نتوقع هذه التقنية لاستخدامها لخلق المطاط الصناعي القائم الروبوتات المجهرية 14، وتفتح مجموعة كبيرة من استراتيجيات جديدة لحصولهم الأجهزة الانضباطي الخفيفة 15.

هناك نوعان من الخطوات الحاسمة في إعداد. أول واحد هو أن النظارات اثنين من خلية وينبغي لاصق باحكام (الخطوة 1.4، 1.5). الغراء الأشعة فوق البنفسجية علاج يحافظ على الاستقرار في هندسة الخلايا خلال التنمية: سوف حركة كوب من الخلية فيما يتعلق الآخر يؤدي إلى أسوأ محاذاةوLCE. ثانيا، وسرعة الكتابة الليزر خلال LCE بنية الكتابة يجب أن تكون على أعلى مستوى ممكن في حين يتم اختيار الهدف 100X. ويرجع ذلك إلى تورم القوي للLCE أثناء عملية الكتابة ليزر، فإن هيكل متورم من الخروج من المكان المخصص، مما يؤثر على نوعية المحركات ملفقة.

في بعض الحالات، لوحظ ضوء الناجم عن التشوه في التدهور في البنى. هذا قد يكون عائدا لتبيض صبغ تحت كثافة عالية الإضاءة. مرة واحدة وقد تحولت جزيئات الصبغة حالا، يتصرف بنية LCE كوسيلة شفافة، ويتم قمع خفيفة امتصاص / الضوء الناجم عن التشوه. ومن شأن قوة الليزر أقل يكون أكثر أمانا ليشتغل من المجهرية LCE.

وهناك أيضا بعض مساوئ هذا الأسلوب. أولا، العملية كلها تستغرق وقتا طويلا نسبيا. من أجل الحفاظ على تكوين الخلايا، وعملية التنمية الأول IP-L (مصنوعة بغمر عصيدةويتم جنيه في حمام مذيب) في 2-proponal دون فتح الخلية. الساعة تطوير بالتالي يعتمد على حجم الخلية وسمك من هذه الفجوة، وعادة ما يستغرق 12 - 24 ساعة. استبدال-L IP صريف مع أنماط للكتابة الليزر الأخرى، مثل الليزر التي يسببها نمط الاجتثاث والليزر التي يسببها سطح معدلة كيميائيا، يمكن أن يؤدي إلى محاذاة LC وفي انخفاض كبير في ذلك الوقت تلفيق. ثانيا، LCE مسألة الناعمة التي تعاني دائما الالتصاق على الركيزة الزجاج. وقد تم قمعها الضوء الناجم عن تشوه عندما عصا المجهرية على سطح. ثالثا، ارتفاع الهيكل محدودة بسبب سمك الخلية والمسافة العمل الموضوعية. في نظام الكتابة بالليزر، أقصى ارتفاع حوالي 100 ميكرون. تقنيات الطباعة 3D وضعت مؤخرا قد يكون مرشحا جيدا لخلق ضوء دفعتها هيكل LCE من mesoscopic لتوسيع نطاق العيانية. ومع ذلك، والحفاظ على التوجه الجزيئية خلال البلمرة يمكنتكون القضية الرئيسية للقلق.

هذه التقنية هي فريدة من نوعها لأنه يسمح احد للحصول على 3D ذات شكل حر المحركات في الميكروسكيل حقا، وهو أمر غير ممكن مع غيرها من التقنيات الحالية. قد يكون نمط المجهرية LCE مع توجهات وظائف الجزيئية المختلفة. تنفيذ هذه التقنية من قبل المزيد من الهندسة الكيميائية، وسيمكن لجعل المحركات حساسة للمصادر التحفيز الأخرى، وسوف تفتح لتطوير microrobots كفاءة والأجهزة الضوئية لينة.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يعلن المؤلفون أنه ليس لديهم مصالح مالية متنافسة.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تلقت البحوث المؤدية إلى هذه النتائج بتمويل من مجلس البحوث الأوروبي في إطار البرنامج الإطاري السابع للاتحاد الأوروبي (FP7 / 2007-2013) / ERC اتفاقية منحة ن س [291349] على الروبوتات الصغيرة الضوئية ومن مشروع SEED IIT Microswim. ونحن نعترف أيضا الدعم من قبل التر كاسا دي Risparmio دي فلورنسا. نشكر بصريات كاملة من مجموعة النظم المعقدة في عدسة لردود الفعل والمناقشات.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
الجزيئي: LC مونومرSYNTHON Chemicals GmbH & Co. KGST03866~ 78 mol٪ في الخليط
الجزيئي: LC crosslinkerSYNTHON Chemicals GmbH & Co. KGST0302120 mol٪ في الخليط
الجزيئي: Azo dyeSynthesis في إشارة إلى المرجع 61 mol٪ في الخليط. مكون حساس للضوء ، يمكن استبعاده في تصنيع المحركات التي تعمل بالحرارة.
جزيئي: بادئسيجما[إيرجاكيور] 3691 - 2 مول٪ في الخليط
فاصلحراري علميةمجهر مع قطر من 10 إلى 100 [ميكرو].
IP-LNanoscribe GmbH
الأشعة فوق البنفسجية علاج الغراءمحلي الصنعIP-L مع بادئ 1٪ بالوزن (Irgacure 369) شريحة
غطاء المجهرMENZEL-GL & Auml ؛ قطر SER: 1 أو 3 مم ، السماكة: 0.16 - 0.19 مم
مصباح LED للأشعة فوق البنفسجيةThorlabsM385L2-C4الطول الموجي: 385 &# 177 ؛ 10 نانومتر
532 نانومترليزر شنغهاي دريم ليزرSDL-532-500T500 ميجاوات ليزر
نظام الكتابة بالليزر المباشرNanoscribe GmbH
لوحة ساخنةLinkam Scientific Instruments Ltd.PE120: -20 إلى 120 درجة ؛ C
المجهرZeissAxio Observer A1مع المستقطبات المتقاطعة
مناور دقيقNarishigeMHW-3
نطاق درجة حرارة

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Tanaka, Y., et al. Biological cells on microchips: New technologies and applications. Biosens. Bioelectron. 23, 449-458 (2007).
  2. Hierold, C., Jungen, A., Stampfer, C., Helbling, T. Nano electromechanical sensors based on carbon nanotubes. Sensor. Actuator. A-Phys. 136 (1), 51-61 (2007).
  3. van Oosten, C. L., Bastiaansen, C. W. M., Broer, D. J. Printed artificial cilia from liquid-crystal network actuators modularly driven by light. Nat. Mater. 8, 677-682 (2009).
  4. Ulijn, R. V., et al. Bioresponsive hydrogels. Mater. today. 10 (4), 40-48 (2007).
  5. Roy, D., Cambre, J. N., Sumerlin, B. S. Future perspectives and recent advances in stimuli-responsive materials. Prog. Polym. Sci. 35 (1-2), 278-301 (2010).
  6. Zeng, H., et al. High-Resolution 3D Direct Laser Writing for Liquid-Crystalline Elastomer Microstructures. Adv.Mater. 26 (15), 2319-2322 (2014).
  7. Ohm, C., Brehmer, M., Zentel, R. Liquid Crystalline Elastomers as Actuators and Sensors. Adv. Mater. 22 (31), 3366-3387 (2010).
  8. Zeng, H., et al. Alignment engineering in liquid crystalline elastomers: Free-form microstructures with multiple functionalities. Appl. Phys. Lett. 106 (11), 111902(2015).
  9. Malinauskas, M., Farsari, M., Piskarskas, A., Juodkazis, S. Ultrafast laser nanostructuring of photopolymers: A decade of advances. Phys. Rep. 533 (1), 1-31 (2013).
  10. Liu, D., Bastiaansen, C. W. M., den Toonder, J. M. J., Broer, D. J. Photo-switchable surface topologies in chiral nematic coatings. Angew. Chem. Int. Edit. 51 (4), 892-896 (2012).
  11. Yang, H., et al. Micron-sized main-chain liquid crystalline elastomer actuators with ultralarge amplitude contractions. J. Am. Chem. Soc. 131 (41), 15000-15004 (2009).
  12. Yan, Z., et al. Light-switchable behavior of a microarray of azobenzene liquid crystal polymer induced by photodeformation. Macromol. Rapid Commun. 33 (16), 1362-1367 (2012).
  13. Liao, Y., et al. Alignment of liquid crystal molecules in a micro-cell fabricated by femtosecond laser. Chem. Phys. Lett. 498, 188-191 (2010).
  14. Zeng, H., et al. Light-fueled microscopic walkers. Adv. Mater. 27, 3883-3887 (2015).
  15. Flatae, A. M., et al. Optically controlled elastic microcavities. Light: Science & Applications. 4, 282(2015).

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

مقالات ذات صلة