إعداد شبكات البلورات السائلة للحركة متذبذبة العيانية الناجم عن الضوء

الهدف العام من هذا البروتوكول التجريبي هو تحضير شبكات البلورات السائلة التي تظهر تذبذباً ميكانيكياً تحت تأثير التشعيع الضوئي المستمر. يمكن أن تساعد هذه الطريقة في الإجابة على أسئلة رئيسية في علم المواد، مثل كيفية تحقيق حركة مجهرية مستمرة مع تطبيقات محتملة في الروبوتات اللينة والأنظمة المؤتمتة. تكمن الميزة الرئيسية لهذه التقنية في أن استخداماتها وطرقها شائعة الاستخدام في صناعة التصنيع التشتتي باستخدام مواد كيميائية متوفرة تجارياً.

أولاً، نظف بعناية شرائح زجاجية بمقاس ثلاثة في ثلاثة سنتيمتر باستخدام الصابون والماء الساخن لإزالة الملوثات. ضع الشرائح الزجاجية في بيكر يحتوي على ethanol. ثم ضع البيكر في حمام موجات فوق صوتية لمدة 10 دقائق تقريباً.

بعد ذلك، جفف الصفائح الزجاجية بعناية باستخدام منديل وجهاز نفخ الهواء. تأكد من عدم وجود أي أثر للمذيب أو الغبار أو أي نوع من التلوث المتبقي على الصفائح. ضع الصفائح الزجاجية في مفاعل ضوئي بالأوزون والأشعة فوق البنفسجية (UV ozone photoreactor) لمدة 20 دقيقة لإزالة الرواسب العضوية.

بعد المعالجة بالأوزون، قم بنفخ الهواء على إحدى الصفائح الزجاجية وضعها على جهاز الطلاء الدوراني. ثم صب حوالي 0.5 milliliters من محلول البولي أميد على الصفيحة الزجاجية لتغطية السطح بالكامل. قم بطلاء طبقة المحاذاة دورانياً وفقاً للشروط التالية.

بعد عملية الطلاء بالتدوير، قم بتمييز الشرائح الزجاجية من الجانب غير المطلي بعلامات مميزة للتعرف على طبقات المحاذاة المتعامدة والمستوية. ضع الشريحة الزجاجية المطلية على لوح تسخين عند 110 درجة Celsius لمدة 10 دقائق لإزالة معظم المذيب الموجود في خليط طبقة المحاذاة. بمجرد طلاء جميع الشرائح الزجاجية، ضعها في فرن عند 180 درجة Celsius لمدة ساعة واحدة لمعالجة طبقة البولي أميد.

لإنشاء القنوات الدقيقة على ألواح الزجاج المطلية، ضع كل لوح مسطح بحيث يكون الجانب المطلي لأسفل على قطعة من قماش المخمل. قم بتطبيق ضغط خفيف ومنتظم بإصبعين. اسحب اللوح الزجاجي بعناية على سطح قماش المخمل في اتجاه مستقيم.

ثم قم بنفخ الهواء على اللوحة الزجاجية. بعد ذلك، قم بتحضير مادة لاصقة عن طريق خلط غراء معالج بالأشعة فوق البنفسجية (UV) مع حبيبات زجاجية ذات قطر محدد بدقة يبلغ 20 micrometers. ضع قطرتين صغيرتين من الغراء عند زاويتين متجاورتين من لوحة زجاجية مغطاة بطبقة محاذاة مستوية.

بعد ذلك، ضع قطرتين أخريين من الغراء على مسافة خمسة مليمترات تقريبًا من الزاويتين الآخرتين. ضع اللوح الزجاجي المغطى بطبقة محاذاة homeotropic فوق اللوح الزجاجي الأول، مع ترك فجوة تبلغ حوالي أربعة مليمترات بين حواف الألواح لتوفير مساحة كافية لمزيج LC. ثم قم بمعالجة الغراء بوضع اللوحين الزجاجيين أو الخلية تحت الأشعة فوق البنفسجية UV لمدة دقيقتين.

ضع الخلية على لوح تسخين بحيث يكون الجانب المتجانس (homeotropic) للأعلى. اضبط درجة الحرارة على 110 درجة مئوية لتسهيل ملء الخلية لأن السائل يكون أقل لزوجة مما هو عليه في الطور النيماتي. الآن، ضع جزءاً من خليط الكريستال السائل (LC) على حافة الخلية حتى ينصهر الصلب وتتدفق الخليط السائل عن طريق الخاصية الشعرية إلى داخل الخلية.

أضف المزيد من الخليط عند الحافة حتى تمتلئ الخلية. وبمجرد امتلاء الخلية، قم بتبريدها ببطء حتى تصل إلى 90 درجة مئوية لتكون في الطور النيماتي. وبمجرد أن يصل الفيلم إلى 90 درجة مئوية، قم ببلمرة الخليط عن طريق وضع الخلية تحت الأشعة فوق البنفسجية UV عند درجة الحرارة هذه لمدة 30 دقيقة.

بعد عملية البلمرة، ضع الخلية على لوح تسخين عند درجة حرارة 130 °C لمدة 10 دقائق تقريباً. بعد ترك الخلية تبرد لتصل إلى درجة حرارة الغرفة، افتحها بوضع شفرة حلاقة عند إحدى الحواف ودفعها بين اللوحين الزجاجيين. ولتقشير الغشاء، ارفع الزوايا باستخدام شفرة الحلاقة.

قم بإزالة الغشاء برفق من اللوح الزجاجي. ثم قص شريطاً على طول الموجه الجزيئي للغشاء. بعد ذلك، ثبت عينة الغشاء باستخدام ملقط ذاتي الإغلاق بحيث يظل 1.7 centimeters من الغشاء حراً للحركة.

أمسِك العينة بشكل عمودي ووجه شعاع صمام ثنائي باعث للضوء بشكل متعامد مع العينة لملاحظة التذبذب الذاتي. يتم توضيح الحركة التذبذبية الملاحظة للفيلم تحت تشعيع الضوء في البروتوكول المقدم، وتعد جودة محاذاة التباعد (splay alignment) مهمة لتحقيق التشغيل الذاتي المستدام. يجب أن يكون الفيلم شفافاً.

للتحقق من صحة محاذاة التشتت (splay alignment)، يتم فحص الفيلم الملتصق بالركيزة الزجاجية بين مستقطبين متعامدين فوق مصدر ضوء أبيض منتشر. عندما يكون الفيلم على شكل شرائح، فإنه يظهر انحناءً طبيعياً يكون مركز المنحنى فيه في الجانب المتجانس عمودياً (homeotropic side)، وهو ما يعود إلى الإجهاد المتبقي الناجم عن عملية البلمرة. وتؤكد التذبذبات الميكانيكية والحرارية التي سجلتها كاميرا عالية السرعة نجاح البروتوكول.

عندما يتم تثبيت الغشاء، فإنه ينبسط باتجاه الحالة المسطحة في اتجاه الضوء. بعد ذلك، يبدأ الغشاء في التحرك بشكل مستمر مع تذبذبات ميكانيكية وحرارية. وتتمثل العوامل الرئيسية في ملاحظة هذه الظاهرة في التأثير الضوئي الحراري والتظليل الذاتي للغشاء الذي يتم التحكم فيه بواسطة شدة الضوء وموضعه.

إن شدة الضوء المنخفضة للغاية لا تؤدي إلى انحناء كبير لأن درجة الحرارة عند المفصل تكون غير كافية، بينما تؤدي شدة الضوء العالية للغاية عند المفصل إلى حدوث تجاوز للحد المطلوب. وبمجرد إتقان هذه التقنية، يمكن إنجازها في غضون أربع ساعات إذا نُفذت بشكل صحيح. وأثناء محاولة تطبيق هذا الإجراء، من المهم التحقق من محاذاة الطور البلوري السائل قبل عملية البلمرة لضمان الحصول على تذبذب مستقر.

تكمن قوة هذا البروتوكول في القدرة على تغيير تردد وسعة التذبذب من خلال تغيير أبعاد الغشاء وكثافة الضوء. وبعد تطويره، مهدت هذه الطريقة الطريق للباحثين في مجال علم المواد لاستكشاف حركات اتزان أخرى في المادة اللينة. بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن تكون لديك معرفة جيدة بكيفية تحضير شبكة بلورية سائلة محاذية للحصول على غشاء يستجيب للضوء.

لا تنسَ أن العمل مع الضوء يمكن أن يكون خطيراً للغاية، ويجب دائماً ارتداء نظارات الحماية من الأشعة فوق البنفسجية (UV) أثناء إجراء هذه التجارب.