مقالة منهجية

الآلات الدقيقة بالليزر لتصميم تضاريس سطح البوليمر

DOI:

10.3791/68126

⸱

سبتمبر 19, 2025

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Faculty of Mathematics and Physics, University of Ljubljana, 2Faculty of Mechanical Engineering, University of Ljubljana, 3Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg, 4Department of Complex Matter, Jožef Stefan Institute

* These authors contributed equally

في هذه المقالة

ملخص

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

يتم تقديم طريقة لفرض تضاريس السطح لمواد البوليمر المركبة الممتصة للضوء ، وخاصة اللدائن المغناطيسية (MAEs) ، باستخدام الآلات الدقيقة بالليزر. تتيح هذه الطريقة مرونة كبيرة في التصاميم الطبوغرافية والنماذج الأولية السريعة. يتم توضيح مثال على هيكلة أسطح MAE وتوصيفها واستجابتها للمجال المغناطيسي الخارجي.

الملخص

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

اللدائن المغناطيسية الناعمة (MAEs) هي مواد ذكية تستجيب للمجالات المغناطيسية الخارجية عن طريق تغيير خصائصها الميكانيكية ديناميكيا. وهي تتكون من جزيئات دقيقة مستجيبة مغناطيسيا مدمجة داخل مصفوفة بوليمر ناعمة ، وتظهر معامل قص فعال يصل إلى 100 كيلو باسكال. في العقود الأخيرة ، تم استغلال الخصائص السائبة ل MAEs بنجاح لتطبيقات مثل التخميد الديناميكي للاهتزاز ، واستشعار الاهتزاز ، والتشغيل في الروبوتات اللينة. تحولت الأبحاث الحديثة إلى خصائص سطحها ، وكشفت عن نتائج واعدة على ميزات السطح القابلة للضبط مثل الخشونة والالتصاق والترطيب. حتى نقل الأجسام الصلبة والسائلة الصغيرة تم إثباتها. يمكن تعزيز تأثيرات السطح المرتبطة بشكل كبير من خلال الهندسة الدقيقة لتضاريس السطح. في هذه المقالة ، يتم تقديم تقنية تصنيع دقيقة بالليزر فعالة ، بدقة 15 ميكرومتر ، والتي تتيح النماذج الأولية السريعة لأسطح MAE. يسمح بإنشاء أشكال معقدة مختلفة ويوفر وظائف تتجاوز تلك التي يمكن تحقيقها باستخدام تقنيات التشكيل التقليدية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن هذا النهج متعدد الاستخدامات ويمكن تطبيقه على أي بوليمر يمتص ضوء الليزر بشكل كاف. على سبيل المثال ، يتم عرض عملية تصنيع النمط الدقيق للسطح الرقائقي وتوصيفها بواسطة المجهر الإلكترونية الضوئية والماسحة. يتم توضيح استجابته للمجال المغناطيسي. توفر هذه التقنية حلا مرنا وسريعا لتحسين تصميم سطح البوليمر عبر مجموعة واسعة من التطبيقات.

المقدمة

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

هيكلة سطح البوليمر هي طريقة أساسية في العديد من المجالات التكنولوجية. يستخدم تطوير وإنتاج أجهزة أشباه الموصلات الطباعة الحجرية الضوئية ، وهي تقنية راسخة1 ، للبلمرة الانتقائية للبوليمرات الحساسة للضوء لإنشاء أقنعة تتيح النقش الانتقائي أو الترسيب لمواد أخرى ، مثل المعادن أو الأكاسيد. ضمن مفهوم المختبر على رقاقة2 ، يمكن أن يخلق النمط الضوئي أو الطباعة ثلاثية الأبعاد أو المعالجة المادية قوالب تطبع تضاريس مصممة مسبقا للأجهزة المللي والموائع الدقيقة القائمة على البوليمر. هنا ، يتم وصف طريقة بدون قناع لهيكلة البوليمرات يمكن أن تنتج نفس النطاق من الأشكال التي تحققها القوالب مع إضافة هندسة نتوء مائلة ووقت دوران سريع3. تؤدي الأسطح ذات الميزات الصغيرة إلى خصائص مادية رائعة مثل قدرة التنظيف الذاتي ، أو انخفاض السحب4 ، أو الألوان الهيكلية المتقزحةالألوان 5. لذلك ، فإن تطوير تقنيات ذات قدرات هيكلية جديدة أو محسنة أمر بالغ الأهمية.

لطالما عرفت اللدائن المغناطيسية (MAEs) بأنها مادة يمكنها تغيير خصائصها الميكانيكية استجابة للمجالات المغناطيسية الخارجية6،7،8 ، وقد تم تنفيذها بالفعل في تكنولوجيا السيارات ومكبرات الصوت. مكنت المعالجة بالليزر المباشرة من زيادة في الاستكشاف التجريبي لأسطح MAE المعدلة طبوغرافيا. يمكن أن تؤثر المجالات المغناطيسية على النتوءات المستجيبة مغناطيسيا لتغيير شكلها واتجاهها وخصائصها المرنة. لقد ثبت أن هذا يمكن أن يؤثر بشكل عميق على تأثير الجسم والارتداد9،10 ، وانعكاس الضوء11،12 ، والترطيب13 ، ويمكن استخدامه لنقل الأجسام الصلبة والسائلة14،15،16،17،18،19،20 أو توليد التدفق21،22. إن المعالجة الدقيقة بالليزر المعروضة هنا مناسبة تماما ل MAE لأن الجسيمات المغناطيسية تمتص ضوء الليزر المشع وتسخن وتؤدي إلى إزالة المواد. تنطبق الطريقة على مركبات الجسيمات التي تمتص ضوء الليزر وأي بوليمر بشكل كاف ، وكذلك البوليمرات الممتصة للضوء بدون جزيئات.

العينات الموضحة في هذه المقالة مأخوذة من أوراق MAE الأكبر. يتكون MAE من مصفوفة بولي ديميثيل سيلوكسان (PDMS) مملوءة بجزيئات الحديد الكربونيل. يتكون PDMS من خليط مخصص (انظر الجدول 1 لمعرفة المكونات ونسبة وزنها). يتم دمج البوليمرات وجزيئات الحديد وزيت السيليكون والمعدل وخلطها جيدا ، وبعد ذلك يتم إضافة الرابط المتشابك والمثبط والمحفز وإعادة خلطها. ينتشر خليط MAE السائل على ركيزة ، في هذه الحالة ، رقائق البولي إيثيلين تيريفثاليت (PET) بسمك 0.2 مم ، باستخدام قضيب فيلم مزود بشفرة قابلة للتعديل مضبوطة على مسافة 0.5 مم. يقوم القضيب بتحريك الشفرة فوق السائل بمعدل ثابت يبلغ 1 مم ثانية −1 لتشكيل فيلم MAE بالسمك المطلوب. ثم تم نقل الركيزة مع فيلم MAE إلى صفيحة خبز مسطحة ووضعها في فرن لمدة ساعة واحدة عند 80 درجة مئوية متبوعة ب 24 ساعة عند 60 درجة مئوية للشفاء الكامل. تم قياس معامل تخزين القص G0 ' بتردد دائري قدره 10 s−1 وسعة قص قدره 0.01٪ على عينة منفصلة بسماكة 1 مم. كانت المادة المستخدمة في التجارب تحتوي على معامل تخزين القص G0 '≈ 15 كيلو باسكال (معامل يونغ ≈ 45 كيلو باسكال). يتم استخدام الآلات الدقيقة بالليزر (انظر الرسم التخطيطي في الشكل 1) لإنشاء زخرفة سطحية ، والتي تتميز باستخدام المجهر البصري (الشكل 2 والشكل 3) والمجهر الإلكتروني الماسح (الشكل 3). يتم عرض نوعين من الزخرفة: الأعمدة في الشكل 1 والصفائح في الشكل 3 والشكل 4. ينحرف السطح الرقائقي إلى الجانب استجابة لتغيرات المجال المغناطيسي (الشكل 4) الناتج عن مغناطيس كهربائي (الشكل 2).

البروتوكول

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

تم استخدام عينة من مركب بوليمر ممتص بصريا مع سطح مستو ، والذي يمكن أن يكون مطاطا مغناطيسيا مخصصا أو متاحا تجاريا ، لهذه الدراسة. لذلك ، هذه ليست خطوة حاسمة لتعديل سطح البوليمر باستخدام طريقة التصنيع الدقيق بالليزر (الخطوة 1 ، الشكل 1). يتم سرد الكواشف والمعدات المستخدمة في جدول المواد.

1. الآلات الدقيقة بالليزر

ملاحظة: استخدم تقنية المعالجة الدقيقة لتوجيه شعاع الليزر المركز على سطح العينة باستخدام رأس مسح ضوئي ثنائي الأبعاد يعمل بالجالفو. استخدم نظام ليزر ألياف نانو ثانية بطول موجي يبلغ 1064 نانومتر ، ومتوسط طاقة يصل إلى 20 واط ، ومدة نبضة بين 10 نانوثانية و 250 نانوثانية ، وتردد من 1 كيلو هرتز إلى 1 ميجاهرتز ، وطاقة لكل نبضة تصل إلى 0.6 مللي جول. تأكد من أن قطر الشعاع عند النقطة البؤرية هو 14.1 ميكرومتر باستخدام عدسة f-theta عن بعد بطول بؤري يبلغ 56 مم.

  1. قم بتشغيل نظام التصنيع الدقيق بالليزر والتهوية لإزالة الدخان.
  2. ضع عينة MAE المعالجة (أو بوليمر آخر ممتص للضوء) على منطقة عمل رأس المسح في المستوى البؤري وعند الإمالة المحددة مسبقا (θ في الشكل 1).
  3. قم بتعيين معلمات المعالجة والهيكل المطلوب (في مثال موضح في الخطوات 2-4 ، هيكل رقائقي بعرض قاعدة 70 ميكرومتر وعرض تباعد 160 ميكرومتر ، بدون إمالة) في برنامج التحكم بالليزر باتباع الخطوات التالية:
    1. صمم مسار المسح عن طريق تتبع المنطقة التي يجب إزالة المادة فيها (إنشاء "سلبي" للهياكل المطلوبة).
    2. اضبط معلمات المسح الضوئي (التكرار - يختلف حسب العمق المستهدف3 ، وسرعة المسح 500 مم s-1 ، ومسافة الفقس 15 ميكرومتر).
      ملاحظة: قم بمعايرة هذه المعلمات لكل مادة بهيكل اختبار.
    3. اضبط معلمات التحكم بالليزر (الطاقة 20 واط ، التردد 30 كيلو هرتز ، مدة النبضة 12 نانوثانية).
      ملاحظة: قم بمعايرة هذه المعلمات لكل مادة بهيكل اختبار.
  4. تأكد من استيفاء بروتوكولات السلامة (ارتداء النظارات الواقية وتهوية إزالة الدخان) وتشغيل البرنامج.
  5. (اختياري) بالنسبة للهياكل المائلة ، قم بتعويض إمالة سطح العينة عن طريق رفع / خفض العينة للحفاظ على منطقة العمل الحالية دائما في المستوى البؤري ، باستخدام مرحلة خطية آلية مصممة خصيصا تعمل بالمسمار مع محرك متدرج ودقة ±10 ميكرومتر ، يتم التحكم فيها باستخدام برنامج المسح الضوئي بالليزر.
    ملاحظة: يعتمد تعويض الارتفاع على زاوية إمالة العينة.

figure-protocol-1
الشكل 1: رسم تخطيطي لإعداد الآلات بالليزر مع العناصر الرئيسية. التكبير الدائري: يمكن إمالة العينة لإنشاء هياكل مجهرية سطحية مائلة. يتم وصف خيارات البوليمر والركيزة الممكنة. أسفل الأيسر: تظهر صورة بصرية لأعمدة مستطيلة. شريط المقياس: 500 ميكرومتر. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

2. المجهر البصري

ملاحظة: قم بعمل توصيف أولي لعينات MAE المنظمة باستخدام المجهر الضوئي.

  1. قم بتنظيف العينة باستخدام غاز النيتروجين المضغوط وقم بتفجير جزيئات الغبار أو الحطام المحتملة برفق من العينة.
    ملاحظة: احرص على عدم استخدام رشقات نارية قوية جدا من الغاز ، حيث يمكن أن يؤدي ذلك إلى تدمير العينة.
  2. ضع العينة على طاولة المجهر وقم بتشغيل مصدر الضوء المستخدم في الفحص المجهري العاكس. إذا تم ترسيب العينة على ركيزة شفافة ، فاستخدم مصدر ضوء ناقل.
  3. اختر هدف التكبير المنخفض 10x وقم بقياس الأبعاد الجانبية ذات الصلة للعينة ، على سبيل المثال ، الملعب بين الصفائح (الشكل 3 أ).
    1. قم بتركيب كاميرا أعلى الهدف واسحب الذراع لإعادة توجيه الضوء من العينة باتجاه مستشعر الكاميرا بدلا من العدسة.
    2. قم بتكوين مقياس الكاميرا عن طريق التقاط صور شرائح زجاجية بمقياس مرجعي. قم بقياس المسافات المعروفة بالبكسل لتحديد حجم البكسل لكل هدف. استخدم برنامجا مفتوح المصدر مثل ImageJ لإجراء معايرة المقياس هذه.
    3. قم بقياس الأبعاد الجانبية المختارة للعينة بالبكسل ، ثم احسب المسافات المادية بضرب عدد وحدات البكسل في حجم البكسل بالميكرومتر.
  4. قم بالتبديل إلى هدف تكبير أعلى بمعدل 40 ضعفا للحصول على معلومات ارتفاع الهيكل.
    1. افتح فتحة الحقل لعمق المجال الضحل.
    2. اضبط ارتفاع مرحلة الميكرومتر وركز المجهر على الجزء العلوي من الهياكل. قم بتدوين الرقم الموجود على برغي الميكرومتر.
    3. ارفع المرحلة ببطء عن طريق تدوير برغي الميكرومتر حتى يكمن التركيز على ركيزة العينة. قم بتدوين الرقم الموجود على برغي الميكرومتر.
    4. قم بتقدير ارتفاع الهيكل عن طريق طرح القيم الموجودة على برغي الميكرومتر قبل وبعد ضبط التركيز (الشكل 3 أ).

3. المسح المجهري الإلكتروني

ملاحظة: احصل على معلومات إضافية حول سطح MAE ، مثل تركيزات جزيئات الحشو أو خشونة السطح ، باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM).

  1. قم بالاتصال ببرنامج SEM وتنفيس غرفة الضغط.
    ملاحظة: ضع العينات المحتملة في SEM بعيدا عن عمود الكاشف أثناء تنفيسه، لتجنب تلوث الكاشف.
  2. أثناء تنفيس الغرفة ، قم بإعداد العينات ل SEM باتباع الخطوات التالية:
    1. ارتد قفازات. قم بقص العينات بمشرط بحجم دبوس حامل عينة SEM.
    2. ضع قطعة صغيرة من شريط الكربون على الوجهين على الدبوس ، وقم بتغطيته بالكامل. قم بقص الشريط عن طريق تمديده على حواف الدبوس.
    3. قم بلصق العينات المشذبة بالدبابيس باستخدام ملاقط بلاستيكية لتجنب إتلاف العينات.
    4. قم بتنظيف العينات باستخدام غاز النيتروجين المضغوط وقم بتفجير جزيئات الغبار أو الحطام المحتملة برفق من العينة.
      ملاحظة: لا تستخدم رشقات نارية شديدة من الغاز ، حيث يمكن أن يؤدي ذلك إلى تدمير العينات المرنة اللينة.
    5. (اختياري) قم بتغطية العينات بطبقة رقيقة موصلة من الكربون أو الذهب لأنها تضمن تراكم شحنة أقل وانجرافها أثناء القياسات الأطول.
  3. افتح غرفة التفريغ واسحب المسرح. أدخل المسامير مع العينات في المرحلة مع ملاحظة مواقعها. أعد المرحلة إلى موضعها الأساسي وأغلق غرفة التفريغ.
  4. قم بإجراء قياسات الإلكترون المتناثر.
    ملاحظة: استخدم التشتت الخلفي القوي للإلكترونات من الذرات الأكبر لتوليد تباين في تكوين المواد ، كما هو موضح في الشكل 3 ب ، الإلكترونات المتناثرة خلفية. قم بقياس أشكال الجسيمات وأحجامها وتركيزها وتغيرات الجسيمات الناجمة عن الاستئصال بالليزر عن طريق جمع البيانات المتناثرة.
    1. ضخ الهواء من غرفة التفريغ لتحقيق فراغ عالي. التقط صورة ملاحية بصرية للعينات واستخدمها كدليل لتحريك المسرح لوضع العينة ذات الأهمية على المسافة الصحيحة من حافة الكاشف.
      ملاحظة: أثناء قيادة المسرح ، راقب حركته باستمرار باستخدام كاميرا الأشعة تحت الحمراء الحية لتجنب الاصطدامات.
    2. قم بتشغيل شعاع الإلكترون واعرض الصورة من كاشف التشتت الخلفي متحد المركز (CBS). اضبط قوة الحزمة وشكلها عن طريق اختيار جهد متسارع 30 كيلو فولت ، وحجم بقعة 4.0 ، ووقت بقاء 5 ميكرو ثانية.
    3. ابحث عن التركيز على العينة باستخدام التعديلات اليدوية أو التلقائية. اضبط السطوع والتباين الصحيحين أثناء عرض الرسم البياني للصورة المكتسبة وقم بزيادة عرض الرسم البياني إلى أقصى حد.
    4. اختر المنطقة المناسبة للعينة والتكبير المطلوب ، وربما أعد ضبط التركيز.
  5. قم بإجراء قياسات الإلكترون الثانوية.
    ملاحظة: لاحظ أن الإلكترونات الثانوية تتولد على طول مسار الإلكترون عبر العينة ، ومع ذلك ، فإن الإلكترونات الثانوية فقط من الطبقات السطحية العليا تهرب من العينة ويتم اكتشافها. من خلال جمع بيانات الإلكترون الثانوية ذات الفولتية المتسارعة المنخفضة جدا ، لوحظت تضاريس السطح ، حيث ينبع التباين من ميول السطح ، في الشكل 3 ب للإلكترونات الثانوية.
    1. قم بإيقاف تشغيل شعاع الإلكترون. انقل حامل العينة بعيدا عن الكاشف إلى وضع آمن. اضبط فراغ منخفض في غرفة 0.70 ملي بار. اضبط انحياز الكاشف على 68٪.
    2. انقل العينات إلى مسافة عمل تبلغ حوالي 3.5 مم. اضبط جهدا متسارعا صغيرا يبلغ 2.0 كيلو فولت وحجم بقعة أكثر بروزا 7. قم بزيادة وقت السكون إلى 100 ميكرو ثانية.
    3. قم بتشغيل الحزمة واعرض الصورة المكتشفة من كاشف الإلكترون الثانوي منخفض الفراغ (LVD). ابحث عن التركيز البؤري والسطوع والتباين الصحيحين.
    4. اختر المنطقة المناسبة للعينة والتكبير المطلوب ، وربما أعد ضبط التركيز.
  6. بعد القياسات ، ضع الحامل في الوضع الآمن وقم بتنفيس غرفة التفريغ.
  7. أثناء ارتداء القفازات ، افتح أبواب الغرفة ، وقم بإزالة المسامير بالعينات ، وباستخدام الملقط ، قشر شريط الكربون من الدبوس.
  8. احفظ العينات لإعادة القياس المحتملة. أغلق أبواب الغرفة واترك SEM في فراغ عال.

4. التلاعب المغناطيسي

ملاحظة: استخدم الإعداد الموضح في الشكل 2 ، باستخدام مغناطيس كهربائي بوجه قطب 20 مم لتشويه الأسطح الرقائقية. قم بقيادة المغناطيس الكهربائي بمصدر طاقة تيار مستمر ، ولاحظ التشوهات الناتجة باستخدام كاميرا مقترنة بهدف 10x.

  1. ضع حاملا غير مغناطيسي بين أقطاب المغناطيس. أعلاه ، قم ببناء مجهر عن طريق اقتران الهدف بعدسة أنبوبية مقاس 200 مم تركز الضوء على كاشف الكاميرا. صمم نظام كاشف الهدف للسماح بالترجمات في اتجاهات XYZ (الشكل 2).
  2. قم بتنظيف العينة باستخدام غاز النيتروجين المضغوط وقم بتفجير جزيئات الغبار أو الحطام المحتملة برفق من العينة. لا تستخدم رشقات نارية شديدة جدا من الغاز ، حيث يمكن أن يؤدي ذلك إلى تدمير العينة المرنة اللينة.
  3. قم بتوصيل قطعة من الشريط اللاصق على الوجهين بحامل العينة وضع العينة فوقها في المنتصف بين القطبين.
    ملاحظة: لتسهيل التعامل مع العينة ، استخدم غراء قابل للذوبان في الماء من البولي فينيل كحول (PVA) للصق العينات على شرائح زجاجية مجهرية (يلتصق الزجاج أيضا بالشريط بشكل أفضل من المطاط الصناعي).
  4. قم بتوصيل كبلات الطاقة الخاصة بالمغناطيس الكهربائي بمصدر الطاقة وقم بتوصيلها بالكاميرا باستخدام كابل توصيل مناسب.
  5. أثناء التقاط الصور ، قم بتطبيق تيار مباشر 3.2 أمبير على المغناطيس الكهربائي ، والذي ينتج مجالا مغناطيسيا متجانسا يبلغ حوالي 340 طن متري في وسط فجوة القطب 20 مم. المجال المغناطيسي يشوه هياكل MAE.
  6. ادرس التشوهات عن طريق اختبار الهياكل المختلفة ، واتجاهات الخط المغناطيسي للعينة ، وشدة المجال المغناطيسي ، وتبديل المجال الديناميكي (الشكل 4).

figure-protocol-2
الشكل 2: صورة فوتوغرافية لإعداد المعالجة المغناطيسية مع المكونات الرئيسية المشار إليها. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

النتائج

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

بمجرد هيكلة سطح MAE ، يتم فحصه بالفحص المجهري الضوئي. عادة ما يكون هذا كافيا للتأكد من أن نمط السطح خال من العيوب وللتحقق من أن الأبعاد الجانبية والرأسية كما هو متوقع (الشكل 3 أ). يتم اختيار SEM إذا كان هناك اهتمام بمزيد من التفاصيل ، مثل توزيع الجسيمات داخل مصفوفة البوليمر أو تأثير المعالجة بالليزر على خشونة سطح البوليمر (الشكل 3 ب).

figure-results-1
الشكل 3: صور بصرية لسطح MAE منظم. (أ) باستخدام هدف تكبير عال ، يمكن إجراء توصيف أولي للهيكل في الاتجاهين الجانبي والطولي عن طريق تغيير التركيز. شريط المقياس للصورة الرئيسية هو 500 ميكرومتر ، وأشرطة المقياس في الصور المكبرة هي 100 ميكرومتر. يتم إجراء توصيفات إضافية للسطح باستخدام SEM (B) ، حيث يمكن اكتشاف أنواع مختلفة من الإلكترونات وقياس خصائص السطح المختلفة. تكشف الإلكترونات المتناثرة عن التباين التركيبي ، بينما تقدم الإلكترونات الثانوية نظرة ثاقبة على التباين الطبوغرافي للسطح. جميع أشرطة القياس هي 50 ميكرومتر. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

يمكن التلاعب باتجاه النتوء بمجالات مغناطيسية متغيرة بمرور الوقت ، والتي يمكن إنشاؤها بطرق مختلفة. يمكن أن تنتج الملفات حقول قابلة للتحويل إلكترونيا أو مغناطيسات دائمة يتم نقلها ميكانيكيا. عادة ما تكون المجالات المغناطيسية غير منتظمة ، ولكن إذا كانت هناك حاجة إلى مجالات مغناطيسية موحدة ، فيمكن استخدام الجزء الداخلي من الملفات اللولبية أو الملفات في تكوين هيلمهولتز23.

figure-results-2
الشكل 4: مثال على التحكم في تشوه الهيكل بواسطة مجال مغناطيسي. باستخدام مغناطيس كهربائي ، يمكن إنشاء مجال مغناطيسي متجانس في مستوى العينة ، مما يؤدي إلى تشوهات مرنة للهياكل السطحية. تؤدي هذه التشوهات بدورها إلى إحداث تغييرات في خصائص السطح العيانية لمواد MAE. تنطبق أشرطة المقياس المعروضة على جميع الصور وهي 200 ميكرومتر. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

العنصرنسبة الوزن
بوليمر مقابل 1000007.07
المعدل 7150.03
بوليمر MV 20001.26
زيت السيليكون16.62
جزيئات الحديد الكربونيل74.79
متشابك 2100.12
مثبط DVS0.03
محفز 5100.08
مجموع100

الجدول 1: نسبة المواد الكيميائية في تركيبة مادة MAE المعطاة بنسبة الوزن.

المناقشة

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

تعتبر المعالجة الفيزيائية للقوالب مثالية للإنتاج على نطاق واسع عندما تكون هندسة ميزات السطح مضبوطة مسبقا بالفعل. في المقابل ، فإن النماذج الأولية السريعة أمر مرغوب فيه في مرحلة التطوير والتحسين لجهاز جديد. تتمتع كل من الطباعة ثلاثية الأبعاد للقوالب والطباعة الحجرية الضوئية بالليزر المباشر بوقت استجابة سريع ولكن لها قيود. أحد عيوب الهياكل المطبوعة ثلاثية الأبعاد هو أن خشونة القوالب تؤدي إلى صعوبات في فصل البوليمر المصبوب دون تمزق أو تلف. يقتصر التصوير الحجري الضوئي بالليزر المباشر على الأنماط المتعامدة على السطح. كما أنها مناسبة فقط للبوليمرات التي لا تشتت الضوء الوارد وشفافة بدرجة كافية لتمكين البلمرة الضوئية في جميع أنحاء سمك طبقة البوليمر. من الممكن استخدام بوليمر حساس للضوء لإنشاء قالب لنوع آخر من البوليمر ، لكن هذا يزيد من وقت التصنيع ويطيل تطوير النموذج الأولي. في المقابل ، فإن التصنيع بالليزر هو طريقة بدون قالب تتيح الهيكلة المباشرة للبوليمرات الممتصة بصريا. هذا يجعلها مناسبة تماما لإنشاء ميزات طبوغرافية على البوليمرات مثل اللدائن المغناطيسية (MAEs) ، والتي تكتسب امتصاصا من تركيز كبير من الجسيمات الدقيقة المستجيبة مغناطيسيا. بشكل مميز للغاية ، فإنه يتيح أيضا إنتاج ميزات غير متعامدة ، مثل الجدران المائلة أو المائلة3.

الآلات الدقيقة بالليزر
تعتبر تقنية التصنيع الدقيق بالليزر الموضحة في الخطوة 1 قوية للغاية ، ولكن يجب إيلاء اهتمام خاص لإعداد عينة MAE. يجب تحديد المسافة من العدسة بعناية من خلال العثور بدقة على المستوى البؤري على سطح العينة مع التوازي أيضا مع مستوى عدسة التركيز البؤري بسبب مسافة رايلي القصيرة التي يوفرها إعداد نظام الليزر. يتم اتباع نهج مختلف عند تصنيع الهياكل المائلة ، وتعويض إمالة سطح العينة عن طريق رفع / خفض العينة للحفاظ على منطقة العمل الحالية دائما في المستوى البؤري. إذا كان تراكم الحرارة في العينة كبيرا جدا (تم تقييمه في وضع عدم الاتصال ، بعد المعالجة الدقيقة ، عن طريق فحص الهياكل بصريا) وتآكل الهياكل ، فيجب استخدام إدارة الحرارة المناسبة.

ترتبط قيود النهج بحجم جزيئات حشو المواد ، والتي تحدد الدقة الجانبية للعملية ، والخصائص البصرية للعينة ، أي الامتصاص عند الطول الموجي المستخدم. من الناحية التجريبية ، اكتشفنا أن الحد الأدنى لعرض الهيكل الذي لا يزال يقاوم المعالجة الدقيقة بالليزر هو حوالي خمسة أضعاف متوسط حجم جزيئات الحشو3. إذا كانت الهياكل المستهدفة أصغر من ذلك ، فسيقوم الليزر بإزالة جميع المواد ، مما ينتج عنه سطح غير منظم (على الرغم من أن خشونته ستكون أكبر). بالنسبة للمادة المعروضة هنا ، يتم امتصاص الطول الموجي لضوء الليزر المحدد في الغالب بواسطة جزيئات الحديد الدقيقة أثناء مروره عبر البوليمر. يمكن أن يؤدي تغيير الطول الموجي لليزر والجسيمات أو مادة البوليمر إلى تغيير النتائج بشكل كبير. لذلك ، تعد هيكلة الاختبار نقطة حاسمة للحصول على معلمات المعالجة للمواد الجديدة.

توفر الطريقة الموضحة المرونة فيما يتعلق بحجم الهيكل وإمكانية تصنيع الهياكل المائلة دون الحاجة إلى قوالب متخصصة. أيضا ، مشكلة تراص MAE عند إزالة العفن غائبة عند استخدام طريقة المعالجة الدقيقة هذه. بالمقارنة مع طلاء الرش من أسفل إلى أعلى تحت مجال مغناطيسي ، توفر هذه الطريقة دقة مكانية أعلى وإمكانية تصنيع مصفوفات هيكل السطح المرتبة. تستخدم طريقة المعالجة الدقيقة في مجالات البحث حيث تكون الهياكل النشطة بحجم الميكرومتر مطلوبة لتطوير أجهزة جديدة ، على سبيل المثال ، التحكم في ترطيب السطح ، أو الموائع الدقيقة ، أو نقل الجسيمات الصلبة أو القطرات بحجم مم.

الفحص المجهري البصري
تمتص جزيئات الحديد الدقيقة في MAE الكثير من الضوء ، في حين أن البوليمر الأساسي ، بولي ديميثيل سيلوكسان ، شفاف بصريا. تعد مراقبة خشونة سطح MAE بصريا تحديا لأن تصوير البوليمر مطلوب. بالنسبة لهذه الأنواع من القياسات ، يعد SEM خيارا أفضل للمعدات. من ناحية أخرى ، فإن وجود جزيئات الحديد الدقيقة في MAE يعني أن هناك حاجة إلى الكثير من الضوء لمراقبة المادة. الحل الشائع هو التقاط الصور ذات وقت التعرض الطويل والسماح للكاشف بجمع ما يكفي من الضوء.

المجهر الضوئي هو طريقة سريعة للتحليل النوعي والكمي للعينات. تغيير تركيز الصورة ليس الطريقة الأكثر دقة ، ولكنه يمكن مقارنته بدقة طريقة المعالجة بالليزر. عند التكبير 40x ، تكون الدقة المحورية جيدة جدا (1 ميكرومتر). نظرا لخشونة سطح العينة ، لا يتم تحديد ارتفاع العينة جيدا عند مقاييس الطول هذه ، لذلك يتم قياس متوسط الارتفاع بدلا من ذلك مع عدم اليقين المقدرة حوالي 5 ميكرومتر. تم العثور على الارتفاع مقابل عدد تمريرات الليزر في Kravanja et al.3 ، حيث أصغر شريط خطأ هو ±4 ميكرومتر. إذا كانت هناك حاجة إلى مزيد من الدقة ، على سبيل المثال ، فحص خشونة سطح النتوء ، فإن البديل الممتاز هو الفحص المجهري متحد البؤر.

لا ينصح بمراقبة التغيرات المستحثة مغناطيسيا في الجسم الحي تحت المجهر ، حيث يمكن للمجالات المغناطيسية القوية أن تمغنط مكونات المجهر وتتداخل مع القياسات الأخرى الحساسة للمغناطيسية. وبالتالي ، يتم استخدام إعداد مصمم خصيصا هنا لمراقبة التلاعب المغناطيسي.

الفحص المجهري الإلكتروني الماسح
SEM هي تقنية قياس متعددة الاستخدامات لمراقبة أسطح المواد. من خلال اختيار أجهزة الكشف المختلفة ، من الممكن جمع البيانات الطبوغرافية والتركيبية ، والكشف عن الخشونة الناجمة عن الاستئصال السطحي والبنية المركبة ل MAEs. من المهم ملاحظة أن MAEs ليست موصلة للكهرباء بشكل عام ، لذلك يجب اتخاذ تدابير محددة لتجنب تراكم الإلكترون على سطح العينة. من الممكن طلاء العينات برذاذ الكربون أو رش الذهب الذي يجعل السطح موصلا. من المفيد أيضا استخدام حجم بقعة صغير وأوقات بقاء قصيرة أو فراغ منخفض حيث يقوم بخار الماء بفحص الشحنات على أسطح العينة. يمكن أن يؤدي حجم البقعة الكبير وأوقات السكون الطويلة في الفراغ العالي إلى إتلاف العينات.

تحتوي هذه المادة على تركيز جزيئات الحديد كبير جدا (قريب من عتبة الترشيح) لأي طريقة غير جراحية متاحة حاليا للتغلغل بعمق في العينة دون إنتاج الكثير من القطع الأثرية والتشتت والضوضاء في القياس. الاستثناء الوحيد هو تجارب تشتت النيوترونات ، على الرغم من أنها تتطلب مرافق متخصصة لا يمكن الوصول إليها بسهولة. ومع ذلك ، لا يزال من الممكن استخدام SEM لتصوير توزيع الجسيمات في جميع أنحاء العينة باستخدام قياسات الإلكترون المتناثرة للعينات المقطوعة بواسطة شفرة24. تم الكشف عن أن توزيع الجسيمات موحد ، باستثناء طبقة النضوب ، والتي يعتقد أنها مرتبطة بالترسيب أثناء المعالجة. SEM محدود بعدم وجود قياسات ناتجة عن المجال المغناطيسي ، وهي أكثر إثارة للاهتمام من وجهة نظر التطبيق.

التلاعب المغناطيسي
يمكن تحقيق التلاعب المغناطيسي لهياكل MAE إما بالقرب من مغناطيس دائم أو بين أحذية قطب المغناطيس الكهربائي. في هذا العمل ، أجريت التجارب باستخدام مغناطيس كهربائي بسبب سهولة التحكم في قيم المجال المغناطيسي. تم استخدام عدسة كائن بعيدة المدى لمراقبة العينة لتجنب المغنطة غير المرغوب فيها لأجزاء المجهر. كانت مسافة عمل العدسة 34 مم ، مما سمح بوضعها بعيدا بما فيه الكفاية عن أحذية القطب المغناطيسي ، حيث اختفت شدة المجال.

من الضروري الاعتراف بأن العينات المصنوعة من قطعة MAE واحدة ، منظمة جزئيا على السطح ، ممدودة أيضا في مجال مغناطيسي متجانس. لذلك ، تم تركيب تشوهات الهياكل المجهرية على تمدد العينة. لقياس تشوهات الهيكل بشكل صحيح ، يجب طرح مساهمات التمدد الإجمالية.

لم يكن للمغناطيس الكهربائي استجابة مجال مغناطيسي لحظية لتغيير جهد المصدر ، لكن الثابت الزمني للدائرة الكهربائية حد من الاستجابة العابرة. 11 يجب مزامنة الإخراج الحالي لمصدر طاقة التيار المستمر مع التقاط صورة الكاميرا لإجراء تجارب ديناميكية. من الممكن إما قياس التيار الكهربائي من خلال المغناطيس الكهربائي وحساب المجال المغناطيسي المتولد أو قياسه مباشرة باستخدام مقياس التسلامتر. ومع ذلك ، في الحالة الأخيرة ، يجب مراعاة عرض النطاق الترددي لمقياس التسلامتر أيضا.

بعد إعداد مجهر بالقرب من المغناطيس الكهربائي ، يمكن قياس المعلمات الهندسية لسطح MAE المنظم ، بالإضافة إلى تغييراتها الديناميكية. كان من الممكن أيضا إجراء توصيف ذي صلة بالتطبيق المطلوب ، على سبيل المثال ، زوايا ملامسة القطرات على هذه الأسطح وكيف تتغير ديناميكيا.

الإفصاحات

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

ليس لدى المؤلفين تضارب في المصالح للإفصاح عنها.

شكر وتقدير

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

يعرب المؤلفون عن امتنانهم للتمويل الذي قدمته برامج أبحاث وكالة البحوث السلوفينية (ARIS) P1-0192 و P2-0231 و P2-0392 ، والمشروع البحثي J1-3006 ، Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG ، مؤسسة البحوث الألمانية) - أرقام المشروع 437391117 و 524921900 ، وفي إطار مشروع GREENTECH ، بتمويل مشترك من الاتحاد الأوروبي - NextGenerationEU. كما تم دعم هذا البحث جزئيا من قبل مشروع البحث الثنائي السلوفيني الألماني (ARIS: BI-DE/25-27-003 وخدمة التبادل الأكاديمي الألمانية (DAAD) Projekt-ID: 57753025). نحن ممتنون لشركة Evonik Operations GmbH ، Specialty Additives ، Geesthacht ، ألمانيا ، لتوفير المواد الكيميائية لتخليق PDMS ولشركة BASF SE ، Ludwigshafen am Rhein ، ألمانيا ، لتوفير مسحوق الحديد الكربونيل.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
هدف خطة 10x ApochromatميتوتويوMY10X-803استخدم في الطريقة 4 
هدف 10xنيكونلا يمكن تحديد ذلكاستخدم في الطريقة 2، هدف الهواء
هدف 40xنيكونلا يمكن تحديد ذلكاستخدم في الطريقة 2، هدف الهواء
موسع الحزمةSPI ليزر المملكة المتحدةPT-P00554
كاميراكانونEOS M200المستخدمة في الطريقة الثانية
كاميراFLIRBFS-U3-17S7M-Cاستخدم في الطريقة 4 
جزيئات الحديد الكربونيليBASF SECIP SQمتوسط القطر D50 بين 3.9-5.0 وميكرو؛ m
كاتاليست 510شركة إيفونيك أوبيرشنز GmbH، الإضافات المتخصصةكاتاليست 510
كروس لينكر 210شركة إيفونيك أوبيرشنز GmbH، الإضافات المتخصصةكروس لينكر 210
مصدر الطاقة المستمرجي دبليو إنستيكGPD-3303S
المغناطيسجي إم دبليو3470
DVS المثبطشركة إيفونيك أوبيرشنز GmbH، الإضافات المتخصصةDVS المثبط
مصدر الليزرSPI ليزر المملكة المتحدةSP-020P-A-HS-S-A-N
مجهرنيكونOPTIPHOT2-POL
المعدل 715شركة إيفونيك أوبيرشنز GmbH، الإضافات المتخصصةالمعدل 715
بوليمر MV 2000شركة إيفونيك أوبيرشنز GmbH، الإضافات المتخصصةبوليمر MV 2000
بوليمر VS 100000شركة إيفونيك أوبيرشنز GmbH، الإضافات المتخصصةبوليمر VS 100000
المجهر الإلكتروني الماسحثيرموفيشرأكسيا-كيميسيم
رأس المسحرايليزSSIIE-10
زيت السيليكونواكر كيمي AGAK 10
ميكرومتر المرحلة 1 ممنيكونMBM11100شريحة زجاجية مرجعية بالحجم
محرك الخطواتإيزرت-إلكترونيسلسلة P Nema 24 ثنائية القطب 1.8 درجة 3.5 نيوتن مترمحرك خطوة ثنائي الطور، 1.8° زاوية الخطوة
العدسة التليسنتريكيةرونار-سميثTSL-1064-18-56-V1

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Howland, F. L., Poole, K. M. Device Photolithography: An Overview of the New Mask-Making System. Bell System Technical Journal. 49 (9), 1997-2009 (1970).
  2. Gurkan, U. A., et al. Next generation microfluidics: fulfilling the promise of lab-on-a-chip technologies. Lab Chip. 24 (7), 1867-1874 (2024).
  3. Kravanja, G., et al. Laser micromachining of magnetoactive elastomers as enabling technology for magnetoresponsive surfaces. Adv Mater Technol. 7 (5), 2101045(2022).
  4. Zhang, M., Feng, S., Wang, L., Zheng, Y. Lotus effect in wetting and self-cleaning. Biotribology (Oxf). 5, 31-43 (2016).
  5. Zhang, Z., Chen, Z., Shang, L., Zhao, Y. Structural color materials from natural polymers. Adv Mater Technol. 6 (11), 2100296(2021).
  6. Nadzharyan, T. A., Shamonin, M., Kramarenko, E. Y. Theoretical modeling of magnetoactive elastomers on different scales: a state-of-the-art review. Polymers (Basel). 14 (19), 4096(2022).
  7. Shamonin, M., Kramarenko, E. Y. Highly responsive magnetoactive elastomers. Novel magnetic nanostructures. , Elsevier. 221-245 (2018).
  8. Kalina, K. A., et al. Multiscale modeling and simulation of magneto-active elastomers based on experimental data. Phys Sci Rev. 8 (1), 1-31 (2023).
  9. Kriegl, R., et al. Tunable rebound of millimeter-sized rigid balls by magnetic actuation of elastomer-based surface microstructures. Smart Mater Struct. 33 (6), 067001(2024).
  10. Jezeršek, M., et al. Control of droplet impact through magnetic actuation of surface microstructures. Adv Mater Interfaces. 10 (11), 2202471(2023).
  11. Straus, I., et al. Dynamically tunable lamellar surface structures from magnetoactive elastomers driven by a uniform magnetic field. Soft Matter. 19 (18), 3357-3365 (2023).
  12. Yang, Z., Park, J. K., Kim, S. Magnetically responsive elastomer-silicon hybrid surfaces for fluid and light manipulation. Small. 14 (2), 1702839(2018).
  13. Kriegl, R., et al. Microstructured magnetoactive elastomers for switchable wettability. Polymers (Basel). 14 (18), 3883(2022).
  14. Kravanja, G., et al. Magnetically actuated surface microstructures for efficient transport and tunable separation of droplets and solids. Adv Eng Mater. 25 (22), 2301000(2023).
  15. Wei, C., Zong, Y., Jiang, Y. Bioinspired wire-on-pillar magneto-responsive superhydrophobic arrays. ACS Appl Mater Interfaces. 15 (20), 24989-24998 (2023).
  16. Zhou, Y., Huang, S., Tian, X. Magnetoresponsive surfaces for manipulation of nonmagnetic liquids: design and applications. Adv Funct Mater. 30 (6), 1906507(2020).
  17. Li, C., et al. Directional transportation on microplate-arrayed surfaces driven via a magnetic field. ACS Appl Mater Interfaces. 13 (31), 37655-37664 (2021).
  18. Kim, J. H., et al. Remote manipulation of droplets on a flexible magnetically responsive film. Sci Rep. 5 (1), 17843(2015).
  19. Demirörs, A. F., et al. Amphibious transport of fluids and solids by soft magnetic carpets. Adv Sci (Weinh). 8 (21), 2102510(2021).
  20. Wang, L., et al. Dynamic magnetic responsive wall array with droplet shedding-off properties. Sci Rep. 5 (1), 11209(2015).
  21. ul Islam, T., et al. Microscopic artificial cilia-a review. Lab Chip. 22 (9), 1650-1679 (2022).
  22. Gu, H., et al. Magnetic cilia carpets with programmable metachronal waves. Nat Commun. 11 (1), 2637(2020).
  23. Helmholtz coil. , Wikipedia contributors. https://en.wikipedia.org/wiki/Helmholtz_coil (2025).
  24. Straus, I., et al. Surface modification of magnetoactive elastomers by laser micromachining. Materials (Basel). 17 (7), 1550(2024).

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

مقالات ذات صلة