自由形态光驱动器——微观尺度下驱动的制备与控制

该两步激光加工工艺的总体目标是获得基于弹性体的微米级光驱动结构。该方法有助于回答微生物学和微流控领域的关键问题，例如如何构建具有复杂运动行为的单一微结构。

该技术的主要优势在于，分子取向可以在微米尺度上进行人工图案化，从而精确控制特定的驱动形式。其中一些方法可应用于微型机器人内部，也可拓展用于其他系统，例如调控光子器件或响应不同刺激的材料。

演示该实验步骤的是我实验室的博士后 Daniele Martella。首先，用丙酮和镜头纸清洁一个直径为 3 cm 的玻璃盖玻片。然后，使用镊子在玻片上距离中心点约半厘米处放置一些玻璃微球。

这些用作间隔物。将一个直径为1 cm的显微镜盖玻片置于间隔物上，并轻轻按压使其就位。随后，在三个间隔物所在位置的玻片间隙中，分别加入约2 µL的紫外光固化胶。

在胶水渗入缝隙过深之前，使用紫外光照射固化胶水。这样就形成了实验用的腔室。现在沿腔室边缘滴加约 10 µL 的 IPL 树脂。

等待几分钟，直至液体完全渗透到细胞的整个区域。然后使用 Fixo 胶水将细胞固定在样品台上。将组装好的样品放入直写激光系统中，使用 100X 物镜找到上内表面的界面。

接下来进行倾斜校正，因为载玻片并非完全水平。现在使用6毫瓦的激光功率、以每秒60微米的速度书写设计的IPL光栅图案。光栅图案可由曲线或直线构成。

然后找到界面，并将其倾斜校正至下内表面。在此处同样写入图案。现在将细胞转移至异丙醇浴中浸泡 12 至 24 小时。

不要立即打开电池。第二天，在50摄氏度的加热板上干燥电池10至20分钟。开始此操作时，称取约300mg的单体混合物。

将混合物装入玻璃瓶中，置于设定温度为70至80摄氏度的加热板上，以熔化粉末。熔化后，在90至150转/分钟的转速下搅拌一小时。待混合物均一后，将已制备的电池置于60摄氏度的加热板上，并沿较小玻璃载片的边缘滴加20微升混合物。

让液体进入细胞。然后将载玻片避光，并将其转移至配备交叉偏振器和温度控制器的显微镜上。在照射细胞之前，将橙色滤光片安装到光源上，以滤除紫外线。随后利用加热载物台将细胞加热至60摄氏度以上。

现在以每分钟2至10摄氏度的速率降低温度，以测定液晶相的温度范围。在观察样品时采用图像对比度反转模式，并将其相对于偏振轴旋转45度。最终应观察到良好的均质向列型液晶相。

接下来，将细胞固定在DLW系统的样品 holder 上。加载样品并调节温度以达到液晶相。然后找到下内表面的界面，并使用100倍物镜进行倾斜校正。

然后以4毫瓦的激光功率和60微米/秒的速度写入LCE结构。如果使用10倍物镜，则将激光调整至14毫瓦，并无需担心寻找界面。在此情况下，结构将贯穿样品的整个厚度进行制备。

然后卸下样品，使用刀片移除上层玻璃盖片。移除上层盖片后，将结构浸入甲苯溶液中5分钟，随后在空气中干燥10分钟。为表征液晶弹性体（LCE）微结构，将样品置于自制显微镜中，并使用10倍物镜将激光聚焦到微结构上。

现在使用CMOS相机观察光致形变。通过微操作系统的手动控制，将位于操纵臂上的玻璃微尖端靠近LCE微结构。接着将激光器调至低功率，约20毫瓦，以升高LCE的温度，从而软化其结构。

然后使用玻璃探针拾取一个LCE微结构并将其悬于空中。此步骤旨在避免微结构与玻璃表面发生粘连。随后将激光功率增加至100毫瓦以上。

然后记录液晶弹性体（LCE）结构在光照下的形变以进行分析。在四个取向不同的IPL梯度区域上，分别制备了四个直径为60微米、高度为20微米的LCE圆柱结构，其周期为1微米。在光照激发下，LCE中的染料吸收能量并将其传递至网络结构中。

这些结构从向列相转变为各向同性相，在原始液晶取向方向上收缩，同时在垂直方向上膨胀。该技术能够制造包含多种取向模式的复合驱动器，即在单一结构中集成多类取向。例如，制备了一条尺寸为400 × 40 × 20微米的液晶弹性体条带，其内部包含两个具有90度扭转的取向区域。

在光照条件下，具有平行取向的表面发生收缩，而具有垂直取向的表面则发生膨胀，从而使结构向两个不同方向弯曲。观看本视频后，您应能够充分理解如何使用直写激光系统对液晶弹性体进行取向排列，以及如何利用光驱动微致动器运动。