Lasermikrobearbeitung für das Design der Polymeroberflächentopographie

Zusammenfassung

Es wird ein Verfahren zur Auferlegung der Oberflächentopographie von lichtabsorbierenden Polymerverbundwerkstoffen, insbesondere magnetoaktiven Elastomeren (MAEs), mittels Lasermikrobearbeitung vorgestellt. Diese Methode ermöglicht eine große Flexibilität bei topografischen Entwürfen und Rapid Prototyping. Ein Beispiel für die Strukturierung von MAE-Oberflächen, die Charakterisierung und ihre Reaktion auf das externe Magnetfeld wird demonstriert.

Zusammenfassung

Weichmagnetoaktive Elastomere (MAEs) sind intelligente Materialien, die auf externe Magnetfelder reagieren, indem sie ihre mechanischen Eigenschaften dynamisch verändern. Sie bestehen aus magnetisch ansprechenden Mikropartikeln, die in eine weiche Polymermatrix eingebettet sind und einen effektiven Schermodul von bis zu 100 kPa aufweisen. In den letzten Jahrzehnten wurden die Bulk-Eigenschaften von MAEs erfolgreich für Anwendungen wie dynamische Schwingungsdämpfung, Schwingungsmessung und Betätigung in der Softrobotik genutzt. Die jüngste Forschung hat sich auf ihre Oberflächeneigenschaften verlagert und vielversprechende Ergebnisse bei einstellbaren Oberflächenmerkmalen wie Rauheit, Adhäsion und Benetzung geliefert. Sogar der Transport von kleinen festen und flüssigen Objekten wurde demonstriert. Die damit verbundenen Oberflächeneffekte können durch die präzise Konstruktion der Oberflächentopographie deutlich verstärkt werden. In diesem Artikel wird eine effiziente Lasermikrobearbeitungstechnik mit einer Auflösung von 15 μm vorgestellt, die ein Rapid Prototyping von MAE-Oberflächen ermöglicht. Es ermöglicht die Herstellung verschiedener komplexer Formen und bietet Funktionen, die über die mit herkömmlichen Formtechniken erreichbare hinausgehen. Darüber hinaus ist der Ansatz vielseitig einsetzbar und kann auf jedes Polymer angewendet werden, das das Laserlicht ausreichend absorbiert. Als Beispiel wird ein Herstellungsprozess für lamellare Oberflächenmikromuster und dessen Charakterisierung durch optische und Rasterelektronenmikroskopie gezeigt. Seine Reaktion auf ein Magnetfeld wird demonstriert. Die Technik bietet eine flexible und schnelle Lösung zur Optimierung des Polymeroberflächendesigns für eine Vielzahl von Anwendungen.

Einleitung

Die Oberflächenstrukturierung von Polymeren ist in vielen technologischen Bereichen eine unverzichtbare Methode. Bei der Entwicklung und Produktion von Halbleiterbauelementen wird die Photolithographie, eine etablierte Technik¹, zur selektiven Polymerisation lichtempfindlicher Polymere eingesetzt, um Masken herzustellen, die das selektive Ätzen oder Abscheiden anderer Materialien wie Metalle oder Oxide ermöglichen. Im Rahmen des Lab-on-a-Chip-Konzepts² können durch Photostrukturierung, 3D-Druck oder physikalische Bearbeitung Formen hergestellt werden, die eine vorgefertigte Topografie für polymerbasierte Milli- und Mikrofluidikgeräte prägen. Hier wird ein maskenloses Verfahren zur Strukturierung von Polymeren beschrieben, das mit der Hinzufügung einer schrägen Protrusionsgeometrie und einer schnellen Durchlaufzeit den gleichen Formenbereich erzeugen kann, der von Formen erreicht wird³. Oberflächen mit kleinen Merkmalen führen zu herausragenden Materialeigenschaften wie Selbstreinigungsvermögen, verringertem Luftwiderstand⁴ oder changierenden Strukturfarben⁵. Daher ist die Entwicklung von Techniken mit neuartigen oder verbesserten Strukturierungsmöglichkeiten von größter Bedeutung.

Magnetoaktive Elastomere (MAEs) sind seit langem als Material bekannt, das seine mechanischen Eigenschaften als Reaktion auf äußere Magnetfelder verändern kann ^6,7,8 und wurden bereits in der Automobil- und Lautsprechertechnik eingesetzt. Die direkte Laserbearbeitung ermöglichte einen Schub in der experimentellen Erforschung topographisch modifizierter MAE-Oberflächen. Magnetfelder können die magnetisch ansprechenden Vorsprünge beeinflussen, um ihre Form, Ausrichtung und elastischen Eigenschaften zu verändern. Es wurde gezeigt, dass dies den Aufprall und Rückprall von Objekten ^9,10, die Lichtreflexion^11,12 und die Benetzung¹³ tiefgreifend beeinflussen kann und zum Transport fester und flüssiger Objekte 14,15,16,17,18,19,20 oder zur Erzeugung von Strömung ^21,22 verwendet werden kann. Die hier vorgestellte Lasermikrobearbeitung eignet sich gut für die MAE, da magnetische Partikel das eingestrahlte Laserlicht absorbieren, sich erwärmen und zum Materialabtrag führen. Das Verfahren gilt sowohl für Verbundwerkstoffe aus Partikeln, die das Laserlicht ausreichend absorbieren, und ein beliebiges Polymer, als auch für lichtabsorbierende Polymere ohne Partikel.

Die in diesem Artikel gezeigten Proben stammen von größeren MAE-Blechen. Das MAE wird aus einer Polydimethylsiloxan (PDMS)-Matrix hergestellt, die mit Carbonyleisenpartikeln gefüllt ist. Das PDMS wird aus einer kundenspezifischen Mischung hergestellt (siehe Tabelle 1 für die Zutaten und ihr Gewichtsverhältnis). Die Polymere, Eisenpartikel, das Silikonöl und der Modifikator werden kombiniert und gründlich gemischt, wonach der Vernetzer, der Inhibitor und der Katalysator hinzugefügt und neu gemischt werden. Das flüssige MAE-Gemisch wird auf ein Substrat aufgetragen, in diesem Fall eine 0,2 mm dicke Folie aus Polyethylenterephthalat (PET), wobei ein Folienapplikator verwendet wird, der mit einer verstellbaren Klinge ausgestattet ist, die auf einen Abstand von 0,5 mm eingestellt ist. Der Applikator bewegt die Klinge mit einer konstanten Geschwindigkeit von 1 mm ^s-1 über die Flüssigkeit, um einen MAE-Film der gewünschten Dicke zu bilden. Das Substrat mit der MAE-Folie wurde dann auf ein flaches Backblech übertragen und für 1 h bei 80 °C und anschließend 24 h bei 60 °C in einen Ofen gelegt, um vollständig auszuhärten. Der Scherspeichermodul G₀' wurde bei einer Kreisfrequenz von 10 s⁻¹ und einer Scheramplitude von 0,01 % an einer separaten Probe von 1 mm Dicke gemessen. Das in den Experimenten verwendete Material hatte einen Scherspeichermodul von G₀' ≈ 15 kPa (Elastizitätsmodul ≈ 45 kPa). Die Lasermikrobearbeitung (siehe Skizze in Abbildung 1) wird eingesetzt, um eine Oberflächenstrukturierung zu erzeugen, die mit Hilfe eines optischen Mikroskops (Abbildung 2 und Abbildung 3) und eines Rasterelektronenmikroskops (Abbildung 3) charakterisiert wird. Es sind zwei Arten von Musterungen dargestellt: Säulen in Abbildung 1 und Lamellen in Abbildung 3 und Abbildung 4. Die Lamellenoberfläche wird als Reaktion auf Magnetfeldänderungen (Abbildung 4), die durch einen Elektromagneten erzeugt werden, zur Seite abgelenkt (Abbildung 2).

Protokoll

Für diese Studie wurde eine Probe eines optisch absorbierenden Polymerverbundwerkstoffs mit flacher Oberfläche verwendet, bei dem es sich um maßgeschneiderte oder kommerziell erhältliche magnetische Kautschuke handeln kann. Daher ist dies kein kritischer Schritt für die Oberflächenmodifikation von Polymeren mit dem Lasermikrobearbeitungsverfahren (Schritt 1, Abbildung 1). Die verwendeten Reagenzien und die verwendeten Geräte sind in der Materialtabelle aufgeführt.

1. Laser-Mikrobearbeitung

HINWEIS: Verwenden Sie eine Mikrobearbeitungstechnik, um den fokussierten Laserstrahl mit einem galvobetätigten 2D-Scankopf auf die Oberfläche der Probe zu führen. Verwenden Sie ein Nanosekunden-Faserlasersystem mit einer Wellenlänge von 1064 nm, einer durchschnittlichen Leistung von bis zu 20 W, einer Pulsdauer zwischen 10 ns und 250 ns, einer Frequenz von 1 kHz bis 1 MHz und einer Energie pro Puls von bis zu 0,6 mJ. Stellen Sie sicher, dass der Durchmesser des Strahls im Brennpunkt 14,1 μm beträgt, indem Sie ein telezentrisches f-Theta-Objektiv mit einer Brennweite von 56 mm verwenden.

1. Schalten Sie das Laser-Mikrobearbeitungssystem und die Belüftung zur Rauchabsaugung ein.
2. Positionieren Sie die ausgehärtete MAE-Probe (oder ein anderes lichtabsorbierendes Polymer) auf dem Arbeitsbereich des Scankopfes in der Fokusebene und in der vorgewählten Neigung (θ in Abbildung 1).
3. Stellen Sie die Verarbeitungs- und die gewünschten Strukturparameter (in einem in den Schritten 2-4 gezeigten Beispiel eine Lamellenstruktur mit einer Basisbreite von 70 μm und einer Abstandsbreite von 160 μm, ohne Neigung) in der Lasersteuerungssoftware ein, indem Sie die folgenden Schritte ausführen:
   1. Entwerfen Sie die Scanbahn, indem Sie den Bereich verfolgen, in dem das Material entfernt werden soll (Erstellung eines "Negativs" der erforderlichen Strukturen).
   2. Stellen Sie die Scanparameter ein (Wiederholungen - variierend je nach Zieltiefe³, Scangeschwindigkeit 500 mm ^s-1 und Schraffurabstand 15 μm).
      HINWEIS: Kalibrieren Sie diese Parameter für jedes Material mit einer Teststruktur.
   3. Stellen Sie die Parameter der Lasersteuerung ein (Leistung 20 W, Frequenz 30 kHz, Pulsdauer 12 ns).
      HINWEIS: Kalibrieren Sie diese Parameter für jedes Material mit einer Teststruktur.
4. Stellen Sie sicher, dass die Sicherheitsprotokolle eingehalten werden (Tragen einer Schutzbrille und Belüftung zur Rauchableitung) und führen Sie das Programm durch.
5. (fakultativ) Bei schrägen Strukturen kompensieren Sie die Oberflächenneigung der Probe, indem Sie die Probe anheben/absenken, um den aktuellen Arbeitsbereich immer in der Fokusebene zu halten, indem Sie einen schraubengetriebenen, speziell angefertigten motorisierten Lineartisch mit einem Schrittmotor und einer Auflösung von ±10 μm verwenden, der mit der Laserscanning-Software gesteuert wird.
   HINWEIS: Der Höhenausgleich hängt vom Neigungswinkel der Probe ab.

Abbildung 1: Eine Skizze des Laserbearbeitungsaufbaus mit den Hauptelementen. Zirkuläres Vergrößern: Die Probe kann gekippt werden, um gekippte Oberflächenmikrostrukturen zu erzeugen. Mögliche Polymer- und Substratoptionen werden beschrieben. Links unten: Es wird ein optisches Bild von rechteckigen Säulen gezeigt. Maßstab: 500 μm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

2. Optische Mikroskopie

HINWEIS: Führen Sie eine vorläufige Charakterisierung von strukturierten MAE-Proben mit einem optischen Mikroskop durch.

1. Reinigen Sie die Probe mit unter Druck stehendem Stickstoffgas und blasen Sie potenzielle Staub- oder Schmutzpartikel vorsichtig von der Probe ab.
   HINWEIS: Achten Sie darauf, keine zu starken Gasstöße zu verwenden, da dies die Probe möglicherweise zerstören kann.
2. Legen Sie die Probe auf den Mikroskoptisch und schalten Sie die Lichtquelle ein, die für die Reflexionsmikroskopie verwendet wird. Wenn die Probe auf einem transparenten Substrat abgelagert wird, verwenden Sie eine durchlässige Lichtquelle.
3. Wählen Sie das 10-fache Objektiv mit geringer Vergrößerung und messen Sie relevante laterale Abmessungen der Probe, z. B. den Abstand zwischen den Lamellen (Abbildung 3A).
   1. Montieren Sie eine Kamera an der Oberseite des Objektivs und ziehen Sie den Hebel, um das Licht von der Probe auf den Kamerasensor statt auf das Okular umzuleiten.
   2. Konfigurieren Sie den Kameramaßstab, indem Sie Glasdiabilder mit Referenzmaßstab aufnehmen. Messen Sie die bekannten Entfernungen in Pixeln, um die Pixelgröße jedes Objektivs zu bestimmen. Verwenden Sie Open-Source-Software wie ImageJ, um diese Skalenkalibrierung durchzuführen.
   3. Messen Sie die gewählten lateralen Abmessungen der Probe in Pixeln und berechnen Sie dann die physikalischen Entfernungen, indem Sie die Anzahl der Pixel mit der Pixelgröße in Mikrometern multiplizieren.
4. Wechseln Sie zu einem 40-fachen Objektiv mit höherer Vergrößerung, um Informationen über die Strukturhöhe zu erhalten.
   1. Öffnen Sie die Feldblende, um die Schärfentiefe zu verringern.
   2. Stellen Sie die Höhe des Mikrometertisches ein und fokussieren Sie das Mikroskop auf die Oberseite der Strukturen. Notieren Sie sich die Nummer auf der Mikrometerschraube.
   3. Heben Sie den Tisch langsam an, indem Sie die Mikrometerschraube drehen, bis der Fokus auf dem Probensubstrat liegt. Notieren Sie sich die Nummer auf der Mikrometerschraube.
   4. Schätzen Sie die Höhe der Struktur, indem Sie die Werte an der Mikrometerschraube vor und nach dem Einstellen des Fokus subtrahieren (Abbildung 3A).

3. Rasterelektronenmikroskopie

HINWEIS: Erfassen Sie zusätzliche Informationen über die Oberfläche des MAE, wie z. B. die Konzentrationen der Füllstoffpartikel oder die Oberflächenrauheit, mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM).

1. Verbinden Sie sich mit der REM-Software und entlüften Sie die Druckkammer.
   HINWEIS: Positionieren Sie die potenziellen Proben im REM während der Entlüftung von der Detektorsäule entfernt, um eine Kontamination des Detektors zu vermeiden.
2. Während die Kammer entlüftet wird, bereiten Sie die Proben für das REM vor, indem Sie die folgenden Schritte ausführen:
   1. Tragen Sie Handschuhe. Schneiden Sie die Proben mit einem Skalpell auf die Größe des REM-Probenhalter-Stifts zu.
   2. Lege ein kleines Stück doppelseitiges Carbonband auf den Stift und decke ihn ganz ab. Schneiden Sie das Klebeband ab, indem Sie es über die Ränder der Stecknadel verlängern.
   3. Kleben Sie die abgeschnittenen Proben mit einer Kunststoffpinzette auf die Stifte, um eine Beschädigung der Proben zu vermeiden.
   4. Reinigen Sie die Proben mit unter Druck stehendem Stickstoffgas und blasen Sie potenzielle Staub- oder Schmutzpartikel vorsichtig von der Probe ab.
      HINWEIS: Verwenden Sie keine zu intensiven Gasstöße, da dies die weichen Elastomerproben möglicherweise zerstören kann.
   5. (fakultativ) Beschichten Sie die Proben mit einer dünnen leitfähigen Schicht aus Kohlenstoff oder Gold, da dies bei längeren Messungen für weniger Ladungsaufbau und Drift sorgt.
3. Öffnen Sie die Vakuumkammer und ziehen Sie den Tisch heraus. Setzen Sie die Stifte mit den Proben in den Tisch ein und notieren Sie sich deren Positionen. Bringen Sie den Tisch wieder in seine Ausgangsposition und schließen Sie die Vakuumkammer.
4. Führen Sie die Messungen des rückgestreuten Elektrons durch.
   HINWEIS: Verwenden Sie die starke Rückstreuung von Elektronen aus größeren Atomen, um einen Kontrast in der Materialzusammensetzung zu erzeugen, wie in Abbildung 3B gezeigt, rückgestreute Elektronen. Messen Sie Partikelformen und -größen, Konzentrationen und durch Laserablation induzierte Partikeländerungen, indem Sie rückstreuende Daten sammeln.
   1. Pumpen Sie die Luft aus der Vakuumkammer, um ein Hochvakuum zu erreichen. Machen Sie ein optisches Navigationsfoto der Proben und verwenden Sie es als Leitfaden, um den Tisch zu bewegen, um die interessierende Probe im richtigen Abstand vom Detektorrand zu platzieren.
      HINWEIS: Überwachen Sie während des Fahrens auf der Bühne ständig die Bewegung mit der Live-Infrarotkamera, um Kollisionen zu vermeiden.
   2. Schalten Sie den Elektronenstrahl ein und zeigen Sie das Bild des konzentrischen Rückstreudetektors (CBS) an. Passen Sie die Strahlstärke und -form an, indem Sie eine Beschleunigungsspannung von 30 kV, eine Spotgröße von 4,0 und eine Verweilzeit von 5 μs wählen.
   3. Ermitteln Sie den Fokus auf der Probe mit manuellen oder automatischen Anpassungen. Stellen Sie die richtige Helligkeit und den richtigen Kontrast ein, während Sie das Histogramm des aufgenommenen Bildes anzeigen, und maximieren Sie die Breite des Histogramms.
   4. Wählen Sie den richtigen Bereich der Probe und die gewünschte Vergrößerung und stellen Sie möglicherweise den Fokus neu ein.
5. Führen Sie die Sekundärelektronenmessungen durch.
   HINWEIS: Beachten Sie, dass Sekundärelektronen entlang des Elektronenwegs durch die Probe erzeugt werden, jedoch nur Sekundärelektronen aus den obersten Oberflächenschichten aus der Probe entweichen und detektiert werden. Durch das Sammeln von Sekundärelektronendaten mit sehr geringen Beschleunigungsspannungen wird in Abbildung 3B von Sekundärelektronen eine Oberflächentopographie beobachtet, bei der der Kontrast von Oberflächenneigungen herrührt.
   1. Schalten Sie den Elektronenstrahl aus. Bringen Sie den Probenhalter vom Detektor weg in eine sichere Position. Stellen Sie in der Kammer ein niedriges Vakuum von 0,70 mbar ein. Stellen Sie die Detektorvorspannung auf 68 % ein.
   2. Bewegen Sie die Proben auf einen Arbeitsabstand von ca. 3,5 mm. Stellen Sie eine kleine Beschleunigungsspannung von 2,0 kV und eine markantere Punktgröße 7 ein. Erhöhen Sie die Verweilzeit auf 100 μs.
   3. Schalten Sie den Strahl ein und zeigen Sie das erkannte Bild des Niedervakuum-Sekundärelektronendetektors (LVD) an. Finden Sie den Fokus und die richtige Helligkeit und den richtigen Kontrast.
   4. Wählen Sie den richtigen Bereich der Probe und die gewünschte Vergrößerung und stellen Sie möglicherweise den Fokus neu ein.
6. Bringen Sie den Halter nach den Messungen in die sichere Position und entlüften Sie die Vakuumkammer.
7. Öffnen Sie mit Handschuhen die Kammertüren, entfernen Sie die Stifte mit den Proben und ziehen Sie mit einer Pinzette das Kohleband vom Stift ab.
8. Bewahren Sie die Proben für mögliche Nachmessungen auf. Schließen Sie die Kammertüren und lassen Sie das REM im Hochvakuum.

4. Magnetische Manipulation

HINWEIS: Verwenden Sie den in Abbildung 2 gezeigten Aufbau mit einem Elektromagneten mit einer Polfläche von 20 mm, um lamellare Oberflächen zu verformen. Treiben Sie den Elektromagneten mit einer Gleichstromversorgung an und beobachten Sie die daraus resultierenden Verformungen mit einer Kamera, die mit einem 10-fach-Objektiv gekoppelt ist.

1. Platzieren Sie eine nichtmagnetische Halterung zwischen den Magnetpolen. Bauen Sie oben ein Mikroskop, indem Sie das Objektiv mit einer 200-mm-Tubuslinse koppeln, die das Licht auf den Kameradetektor fokussiert. Entwerfen Sie das Objektiv-Detektor-System so, dass Translationen in XYZ-Richtungen möglich sind (Abbildung 2).
2. Reinigen Sie die Probe mit unter Druck stehendem Stickstoffgas und blasen Sie potenzielle Staub- oder Schmutzpartikel vorsichtig von der Probe ab. Verwenden Sie keine zu intensiven Gasstöße, da dies die weiche elastomere Probe möglicherweise zerstören kann.
3. Befestigen Sie ein Stück doppelseitiges Klebeband an dem Probenhalter und legen Sie die Probe in der Mitte zwischen den Stangen darauf.
   HINWEIS: Um die Probenhandhabung zu erleichtern, verwenden Sie einen wasserlöslichen Klebstoff aus Polyvinylalkohol (PVA), um die Proben auf Objektträger zu kleben (Glas haftet auch besser auf dem Klebeband als das Elastomer).
4. Schließen Sie die Netzkabel des Elektromagneten an die Stromversorgung an und verbinden Sie sie mit einem geeigneten Verbindungskabel mit der Kamera.
5. Während der Bildaufnahme wird ein Gleichstrom von 3,2 A an den Elektromagneten angelegt, der in der Mitte des Polabstands von 20 mm ein homogenes Magnetfeld von etwa 340 mT erzeugt. Das Magnetfeld verformt die MAE-Strukturen.
6. Untersuchen Sie die Verformungen, indem Sie verschiedene Strukturen, Proben-Magnetlinien-Orientierungen, Magnetfeldstärken und dynamisches Feldschalten testen (Abbildung 4).

Abbildung 2: Ein Foto des magnetischen Manipulationsaufbaus mit den angegebenen Hauptkomponenten. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Ergebnisse

Sobald die MAE-Oberfläche strukturiert ist, wird sie mit dem Lichtmikroskop untersucht. Dies reicht in der Regel aus, um zu bestätigen, dass das Oberflächenmuster frei von Defekten ist, und um zu überprüfen, ob sowohl die lateralen als auch die vertikalen Abmessungen den Erwartungen entsprechen (Abbildung 3A). Das REM wird gewählt, wenn Interesse an weiteren Details besteht, wie z. B. der Partikelverteilung innerhalb der Polymermatrix oder dem Einfluss der Laserbearbeitung auf die Oberflächenrauheit des Polymers (Abbildung 3B).

Abbildung 3: Optische Bilder einer strukturierten MAE-Oberfläche. (A) Mit einem stark vergrößernden Objektiv kann eine vorläufige Strukturcharakterisierung in Quer- und Längsrichtung durch Variation des Fokusses durchgeführt werden. Der Maßstabsbalken des Hauptbildes beträgt 500 μm, und der Maßstabsbalken in den vergrößerten Bildern beträgt 100 μm. Zusätzliche Oberflächencharakterisierungen werden mit REM (B) durchgeführt, wobei verschiedene Arten von Elektronen detektiert und unterschiedliche Oberflächeneigenschaften gemessen werden können. Rückgestreute Elektronen zeigen einen Kontrast in der Zusammensetzung, während Sekundärelektronen Einblicke in die topographische Variation der Oberfläche geben. Alle Maßstabsstäbe sind 50 μm groß. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Die Protrusionsorientierung kann mit zeitlich veränderlichen Magnetfeldern manipuliert werden, die auf verschiedene Weise erzeugt werden können. Spulen können elektronisch schaltbare Felder oder Permanentmagnete erzeugen, die mechanisch bewegt werden. Normalerweise sind Magnetfelder ungleichmäßig, aber wenn gleichmäßige Magnetfelder benötigt werden, kann das Innere von Magneten oder Spulen in der Helmholtz-Konfiguration genutzt werden²³.

Abbildung 4: Ein Beispiel für die Kontrolle der Strukturverformung durch ein Magnetfeld. Mit Hilfe eines Elektromagneten kann ein homogenes Magnetfeld in der Probenebene erzeugt werden, das elastische Verformungen von Oberflächenstrukturen induziert. Diese Verformungen wiederum führen zu Veränderungen der makroskopischen Oberflächeneigenschaften von MAE-Materialien. Die gezeigten Maßstabsbalken gelten für alle Bilder und sind 200 μm groß. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Bestandteil	Gewicht in Prozent
Polymer VS 100000	7.07
Modifikator 715	0.03
Polymer MV 2000	1.26
Silikonöl	16.62
Carbonyleisen-Partikel	74.79
Vernetzer 210	0.12
Inhibitor DVS	0.03
Katalysator 510	0.08
SUMME	100

Tabelle 1: Das Verhältnis der Chemikalien in der MAE-Materialformulierung in Gewichtsprozent.

Diskussion

Die physikalische Bearbeitung der Formen ist optimal für die Großserienfertigung, wenn die Geometrie der Oberflächenmerkmale bereits voreingestellt ist. Im Gegensatz dazu ist Rapid Prototyping in der Entwicklungs- und Optimierungsphase eines neuartigen Bauelements wünschenswert. Sowohl der 3D-Druck von Formen als auch die direkte Laser-Photolithografie haben eine schnelle Durchlaufzeit, haben aber Einschränkungen. Ein Nachteil von 3D-gedruckten Strukturen besteht darin, dass die Rauheit der Formen zu Schwierigkeiten führt, das gegossene Polymer ohne Bruch und Beschädigung zu trennen. Die direkte Laser-Photolithographie ist auf orthogonale Muster zur Oberfläche beschränkt. Es ist auch nur für Polymere geeignet, die das einfallende Licht nicht streuen und ausreichend transparent sind, um eine Photopolymerisation über die gesamte Polymerschichtdicke zu ermöglichen. Es ist möglich, ein lichtempfindliches Polymer zu verwenden, um eine Form für eine andere Art von Polymer zu erstellen, aber dies verlängert die Herstellungszeit und verlängert die Entwicklung des Prototyps. Im Gegensatz dazu handelt es sich bei der Laserbearbeitung um ein formloses Verfahren, das die direkte Strukturierung von optisch absorbierenden Polymeren ermöglicht. Damit eignet es sich perfekt, um topografische Merkmale auf Polymeren wie magnetoaktiven Elastomeren (MAEs) zu erzeugen, die durch eine große Konzentration magnetisch reagierender Mikropartikel absorbiert werden. Sehr markant ermöglicht es auch die Herstellung von nicht-orthogonalen Merkmalen, wie z. B. schräge oder geneigte Wände³.

Laser-Mikrobearbeitung
Die in Schritt 1 beschriebene Lasermikrobearbeitungstechnik ist sehr robust, aber besonderes Augenmerk sollte auf den Aufbau der MAE-Probe gelegt werden. Der Abstand von der Linse sollte sorgfältig definiert werden, indem die Fokusebene auf der Oberfläche der Probe genau gefunden wird, während er aufgrund des kurzen Rayleigh-Abstands, der durch den Aufbau des Lasersystems bereitgestellt wird, parallel zur Fokussierlinsenebene verläuft. Bei der Herstellung von schrägen Strukturen wird ein anderer Ansatz gewählt, bei dem die Oberflächenneigung der Probe durch Anheben/Absenken der Probe kompensiert wird, um den aktuellen Arbeitsbereich immer in der Fokusebene zu halten. Ist der Wärmestau in der Probe zu groß (Auswertung offline, nach der Mikrobearbeitung, durch visuelle Überprüfung der Strukturen) und erodiert die Strukturen, sollte ein geeignetes Wärmemanagement eingesetzt werden.

Die Grenzen des Ansatzes hängen mit der Partikelgröße des Materialfüllstoffs zusammen, die die laterale Auflösung des Prozesses bestimmt, und mit den optischen Eigenschaften der Probe, d.h. der Absorption bei der verwendeten Wellenlänge. Experimentell haben wir herausgefunden, dass die minimale Strukturbreite, die der Lasermikrobearbeitung noch standhält, etwa fünfmal so groß ist wie die mittlere Größe der Füllstoffpartikel³. Wenn die Zielstrukturen kleiner sind, trägt der Laser das gesamte Material ab, was zu einer unstrukturierten Oberfläche führt (obwohl ihre Rauheit größer ist). Für das hier vorgestellte Material wird die spezifische Wellenlänge des Laserlichts beim Durchgang durch das Polymer überwiegend von Eisenmikropartikeln absorbiert. Eine Änderung der Laserwellenlänge und des Partikel- oder Polymermaterials kann die Ergebnisse erheblich verändern. Die Versuchsstrukturierung ist daher ein kritischer Punkt, um die Verarbeitungsparameter für neues Material zu erhalten.

Das beschriebene Verfahren bietet Flexibilität hinsichtlich der Strukturgröße und die Möglichkeit, gekippte Strukturen herzustellen, ohne dass spezielle Formen erforderlich sind. Auch das Problem der MAE-Agglutination bei der Schimmelentfernung gibt es bei dieser Mikrobearbeitungsmethode nicht. Im Vergleich zur Bottom-up-Sprühbeschichtung unter einem Magnetfeld bietet dieses Verfahren eine höhere räumliche Auflösung und die Möglichkeit, geordnete Oberflächenstrukturarrays herzustellen. Das Mikrobearbeitungsverfahren wird in Forschungsbereichen eingesetzt, in denen mikrometergroße aktive Strukturen benötigt werden, um neue Geräte zu entwickeln, z. B. für die Kontrolle der Oberflächenbenetzung, die Mikrofluidik oder den Transport von mm-großen Feststoffpartikeln oder -tröpfchen.

Optische Mikroskopie
Eisen-Mikropartikel in MAE absorbieren viel Licht, während das Basispolymer Polydimethylsiloxan optisch transparent ist. Die optische Beobachtung der MAE-Oberflächenrauheit ist eine Herausforderung, da die Abbildung des Polymers erforderlich ist. Für diese Art von Messungen ist ein REM die bessere Wahl der Ausrüstung. Auf der anderen Seite bedeutet das Vorhandensein von Eisenmikropartikeln in der MAE, dass viel Licht benötigt wird, um das Material zu beobachten. Eine gängige Problemumgehung besteht darin, Bilder mit einer langen Belichtungszeit aufzunehmen und den Detektor genügend Licht sammeln zu lassen.

Die optische Mikroskopie ist eine schnelle Methode zur qualitativen und quantitativen Analyse von Proben. Das Ändern des Bildfokus ist nicht die genaueste Methode, aber es ist vergleichbar mit der Genauigkeit des Laserbearbeitungsverfahrens. Bei 40-facher Vergrößerung ist die axiale Auflösung sehr gut (1 μm). Aufgrund der Rauheit der Probenoberfläche ist die Probenhöhe auf diesen Längenskalen nicht gut definiert, so dass stattdessen eine durchschnittliche Höhe mit geschätzten Unsicherheiten um 5 μm gemessen wird. Die Höhe im Verhältnis zur Anzahl der Laserdurchgänge findet sich bei Kravanja et ^al.3, wo der kleinste Fehlerbalken bei ±4 μm liegt. Wenn eine höhere Präzision erforderlich ist, z. B. bei der Untersuchung der Rauheit der hervorstehenden Oberfläche, ist die konfokale Rastermikroskopie eine hervorragende Alternative.

Es ist nicht ratsam, magnetisch induzierte Veränderungen in vivo unter dem Mikroskop zu beobachten, da die starken Magnetfelder Mikroskopkomponenten magnetisieren und andere magnetisch empfindliche Messungen stören können. Daher wird hier ein speziell angefertigter Aufbau für die magnetische Manipulationsbeobachtung verwendet.

Rasterelektronenmikroskopie
REM ist eine sehr vielseitige Messtechnik zur Beobachtung von Materialoberflächen. Durch die Auswahl verschiedener Detektoren ist es möglich, topographische und kompositorische Daten zu sammeln, die die durch Oberflächenablation induzierte Rauheit und Kompositstruktur von MAEs aufdecken. Es ist wichtig zu beachten, dass MAEs in der Regel nicht elektrisch leitfähig sind, so dass spezifische Maßnahmen ergriffen werden müssen, um einen Elektronenaufbau auf der Probenoberfläche zu vermeiden. Es ist möglich, die Proben mit einem Kohlenstoffspray oder Goldsputtern zu beschichten, wodurch die Oberfläche leitfähig wird. Es ist auch von Vorteil, eine kleine Spotgröße und kurze Verweilzeiten oder ein niedriges Vakuum zu verwenden, bei dem Wasserdampf die Ladungen auf den Probenoberflächen abschirmt. Große Spotgrößen und lange Verweilzeiten im Hochvakuum können die Proben beschädigen.

Dieses Material hat eine Eisenpartikelkonzentration, die zu groß ist (nahe der Perkolationsschwelle), als dass eine derzeit verfügbare nicht-invasive Methode tief in die Probe eindringen könnte, ohne zu viele Artefakte, Streuung und Rauschen bei der Messung zu erzeugen. Die einzige Ausnahme sind Neutronenstreuexperimente, die jedoch spezielle Einrichtungen erfordern, die nicht leicht zugänglich sind. Das REM kann jedoch immer noch verwendet werden, um die Partikelverteilung in der Probe unter Verwendung von Rückstreuelektronenmessungen für Proben, die mit einer Klinge²⁴ geschnitten wurden, abzubilden. Es hat sich gezeigt, dass die Partikelverteilung gleichmäßig ist, mit Ausnahme der Verarmungsschicht, von der angenommen wird, dass sie mit der Sedimentation während der Aushärtung zusammenhängt. Die REM ist durch das Fehlen von magnetfeldinduzierten Messungen eingeschränkt, die aus anwendungstechnischer Sicht am interessantesten sind.

Magnetische Manipulation
Die magnetische Manipulation von MAE-Strukturen kann entweder in der Nähe eines Permanentmagneten oder zwischen den Polschuhen eines Elektromagneten erreicht werden. In der vorliegenden Arbeit wurden die Experimente mit einem Elektromagneten durchgeführt, um die Magnetfeldwerte leichter kontrollieren zu können. Für die Probenbeobachtung wurde eine Objektfernlinse eingesetzt, um eine unerwünschte Magnetisierung der Mikroskopteile zu vermeiden. Das Objektiv hatte einen Arbeitsabstand von 34 mm, wodurch es ausreichend weit von den magnetischen Polschuhen entfernt positioniert werden konnte, wo die Feldstärke verschwand.

Es ist wichtig zu berücksichtigen, dass Proben, die aus einem einzigen MAE-Stück hergestellt werden, das teilweise auf der Oberfläche strukturiert ist, auch in einem homogenen Magnetfeld länglich sind. Die Verformungen der Mikrostrukturen überlagerten sich also mit der Probendehnung. Um Strukturverformungen korrekt zu messen, müssen die gesamten Dehnungsbeiträge subtrahiert werden.

Ein Elektromagnet hatte keine unmittelbare Reaktion des Magnetfeldes auf sich ändernde Quellenspannung, aber die Zeitkonstante des Stromkreises begrenzte das Einschwingverhalten. ¹¹ Der Stromausgang des Gleichstromnetzes muss für dynamische Experimente mit der Bildaufnahme der Kamera synchronisiert werden. Es ist möglich, entweder den elektrischen Strom durch den Elektromagneten zu messen und das erzeugte Magnetfeld zu berechnen oder direkt mit einem Teslameter zu messen. In letzterem Fall sollte jedoch auch die Bandbreite des Teslameters berücksichtigt werden.

Nachdem ein Mikroskop in der Nähe eines Elektromagneten aufgestellt worden war, konnten die geometrischen Parameter der strukturierten MAE-Oberfläche sowie deren dynamische Veränderungen gemessen werden. Es war auch möglich, für die gewünschte Anwendung relevante Charakterisierungen durchzuführen, z. B. die Kontaktwinkel von Tröpfchen auf solchen Oberflächen und wie sie sich dynamisch ändern.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
10x Plan Apochromat Ziel	Mitutoyo	MY10X-803	verwendet in Methode 4
10x-Ziel	Nikon	kann nicht bestimmt werden	verwendet in Methode 2, Luftobjektiv
40x Ziel	Nikon	kann nicht bestimmt werden	verwendet in Methode 2, Luftobjektiv
Strahlexpander	SPI-Laser UK	PT-P00554
Kamera	Kanon	EOS M200	verwendet in Methode 2
Kamera	FLIR	BFS-U3-17S7M-C	verwendet in Methode 4
Carbonyl-Eisenpartikel	BASF SE	CIP SQ	mittlerer Durchmesser D50 von 3,9–5,0 & mikro; m
Katalysator 510	Evonik Operations GmbH, Spezialzusätze	Katalysator 510
Crosslinker 210	Evonik Operations GmbH, Spezialzusätze	Crosslinker 210
Gleichstromversorgung	GW Instek	GPD-3303S
Elektromagnet	GMW	3470
Inhibitor DVS	Evonik Operations GmbH, Spezialzusätze	Inhibitor DVS
Laserquelle	SPI-Laser UK	SP-020P-A-HS-S-A-N
Mikroskop	Nikon	OPTIPHOT2-POL
Modifikator 715	Evonik Operations GmbH, Spezialzusätze	Modifikator 715
Polymer MV 2000	Evonik Operations GmbH, Spezialzusätze	Polymer MV 2000
Polymer VS 100000	Evonik Operations GmbH, Spezialzusätze	Polymer VS 100000
Rasterelektronenmikroskop	ThermoFisher	AXIA-CHEMISEM
Scankopf	Raylase	SSIIE-10
Silikonöl	Wacker Chemie AG	AK 10
Stufenmikrometer 1 mm	Nikon	MBM11100	Größenreferenz Glas-Objektträger
Schrittmotor	Isert-elektronisch	P-Serie Nema 24 Bipolar 1,8 Grad 3,5 Nm	2-Phasen-Schrittmotor, 1,8 °C; Schrittwinkel
Telezentrisches Objektiv	Ronar-Smith	TSL-1064-18-56-V1