Name: Freiform-Lichtaktoren - Herstellung und Steuerung der Betätigung in mikroskopischer Skala (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-05-25T15:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 17 s
Description: Erfahren Sie die Herstellung von mikroskopischen Lichtaktoren aus flüssigkristallinen Elastomeren mittels Direkt-Laser-Schreiben. Diese Methode ermöglicht präzise Steuerung molekularer Ausrichtung für Anwendungen in Mikrorobotik und Mikrofluidik.

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Die Forschung zu diesen Ergebnissen geführt haben Mittel aus dem Europäischen Forschungsrates im Rahmen der Europäischen Union des Siebten Rahmenprogramms (FP7 / 2007-2013) / ERC Finanzhilfevereinbarung n o [291349] photonischer Mikrorobotik und von IIT SEED Projekt Microswim erhalten. Wir erkennen auch die Unterstützung durch die Ente Cassa di Risparmio di Firenze. Wir danken den gesamten Optik komplexer Systeme Gruppe bei LENS für Feedback und Diskussionen.

Hinweis: Dieses Protokoll enthält drei Schritte: IP-L-Gitter Vorbereitung für LC molekulare Orientierung, DLW in LCE und Lichtanschaltung Charakterisierung. Die schematische Laser - Direktschreibsystem ist in Figur 1, während die Mikromanipulationssystem ist in Abbildung 5 dargestellt. 1. IP-L Gittermuster Vorbereitung <ol><li> Nehmen Sie ein Mikroskop Abdeckschlitten (3 cm Durchmesser), und reinigen Sie es mit Aceton Linsengewebe. </li><li> Platzieren einige Abstandshalter (Glasmikrokugeln) mit Hilfe einer Metallspitze an 3 verschiedenen Stellen des Glasobjektträger etwa 0,5 cm entfernt von der Mitte. </li><li> Legen Sie eine andere Mikroskopobjektträger (1 cm im Durchmesser) auf der Oberseite der Abstandshalter. Verwenden Sie eine Spitze vorsichtig auf die Oberseite des oberen Glasobjektträger zu drücken. </li><li> Einen Tropfen (ca. 2 &amp; mgr; l) von UV-härtenden Kleber auf drei verschiedenen Punkten jeweils an der Grenze des oberen Glases. </li><li> Bevor der Klebstoff dringt zu viel into die Lücke, UV-Licht verwenden, den Kleber zu verfestigen. Die Zelle wird nun gebildet. </li><li> Einen Tropfen (etwa 10 ul) von IP-L-Harz auf der Grenze der Zelle unter Verwendung einer Pipette. Warten für ein paar Minuten, bis die Flüssigkeit in den gesamten Bereich der Zelle infiltriert wird. </li><li> Benutzen Sie Klebstoff in die Zelle auf dem Probenhalter zu fixieren und legen Sie sie in den direkten Laser-Schreibsystem. </li><li> Wählen Sie eine 100X Ziel und finden Sie die Schnittstelle an der oberen Innenfläche, gefolgt von Neigungskorrektur auf dieser Oberfläche. </li><li> Schreiben die Strukturen entworfen IP-L Gittermuster mit einer Laserleistung und einer Abtastgeschwindigkeit von 6 mW und 60 &amp; mgr; m / sec, respectively. Die Gittermuster werden durch IP-L-Kurve oder gerade Linien. </li><li> Wiederholen Sie die Schritte 1.8 und 1.9 auf der unteren Innenfläche. </li><li> Nehmen Sie die Zelle aus, und tauchen Sie die Probe in einem 2-Propanol-Bad, ohne die Zelle zu öffnen, für 12 bis 24 Stunden. </li><li> Nehmen Sie die Zelle aus dem Lösungsmittel und trocknet es auf der Heizplatte (50 ° C) für 10 - 20 min. </li></ol> 2. LCE Mikrostrukturierungs <ol><li> Messen Sie ~ 300 mg Monomer-Mischung auf die Waage. Siehe die molekulare Zusammensetzung in Tabelle 1. </li><li> Setzen Sie die vorbereitete Mischung in einer Glasflasche, und legte sie auf einer heißen Platte Satz bei 70 bis 80 ° C. </li><li> Warten Sie, bis das Pulver schmilzt, fügen Sie einen Magnetrührer, und mischen Sie die Mischung für 1 Stunde (90 bis 150 Umdrehungen pro Minute). </li><li> Legen Sie die Zelle auf der heißen Platte bei 60 ° C. </li><li> Einen Tropfen (etwa 20 ul) der Mischung auf dem Rand der kleineren Glasobjektträger, und warten, bis die Flüssigkeit in die Zelle eindringt. </li><li> Übertragen, um die Zelle zu dem optischen Mikroskop mit einem gekreuzten Polarisator und einem Temperaturregler. Halten Sie alles in der Dunkelheit während der Übertragung, und legte einen Orange-Filter vor der Beleuchtungslampe des UV-Filters aus. </li><li> Erhöhen Sie die Temperatur der Zelle über 60 ° C durch einen Temperaturregler auf dem Mikroskop, dann sinken die Temperatur (2 bis 10 ° C pro min), Der Temperaturbereich für die LC-Phase zu messen. Auch eine Mischung mit verschiedenen molekularen Zusammensetzung hat eine andere LC Phasentemperatur. Eine gute homogene nematische LC-Phase kann durch Beobachten des Bildkontrastes Inversions erkannt werden, während die Probe alle 45 ° in Bezug auf den Polarisator Achse dreht. </li><li> Befestigen Sie die Zelle auf dem Probenhalter, legen Sie sie in das DLW-System, und stellen Sie die Temperatur der LC-Phase zu erreichen (gemessen in Schritt 2.7). </li><li> Finden Sie die Schnittstelle an der unteren Innenfläche und führen Sie die Neigungskorrektur ein 100X Ziel, oder ein 10X-Objektiv ohne die Schnittstelle zu finden. </li><li> Schreiben Sie die LCE-Strukturen durch die Verwendung von DLW mit einer Laserleistung und einer Scangeschwindigkeit von 4 mW und 60 &amp; mgr; m / sec auf der unteren Glasträger durch 100X Ziel verwenden. Verwenden Sie andernfalls mit einer Laserleistung und einer Scangeschwindigkeit von 14 mW und 60 &amp; mgr; m / s unter Verwendung von 10X-Objektiv (LCE Struktur wird während der gesamten Probendicke hergestellt). </li><li> Nehmen Sie die Zelle aus, und verwenden Sie eine KlingeÖffnen Sie die Zelle, die die obere Glasobjektträger zu entfernen. </li><li> Tauchen Sie die Strukturen in einem Toluolbad für 5 min. </li><li> Nehmen Sie die Probe aus, und in der Luft trocknen für 10 min. </li></ol> 3. Charakterisierung von Lichtansteuerung von LCE Microstructures <ol><li> Legen Sie die Probe in dem optischen Mikroskop (20fach) und Fokus eines Laserstrahls (CW, 532 nm, 50 bis 500 mW) von 10X-Objektiv auf den Strukturen. </li><li> Beachten Sie Licht induzierte Verformung durch das optische Mikroskop-CMOS-Kamera (Bildrate 25,8 fps). </li><li> Verwenden Sie die manuelle Steuerung des Mikromanipulationssystem (Abbildung 5) an einer Position der Glasspitze zu setzen nahe der LCE Mikrostrukturen. </li><li> Schalten Sie den Laser bei niedriger Leistung (~ 20 mW), um die Temperatur des LCE (aufgrund der Lichtabsorption) zu erhöhen und damit die Struktur zu erweichen. </li><li> Verwenden Sie eine Glasspitze ein LCE Mikrostruktur zu holen, und halten Sie ihn in der Luft. Dieses Verfahren ist notwendig, um die Adhäsion von Glasoberfläche zu vermeiden. </li><li> FassE den Laser hoher Leistung (&gt; 100 mW) und die LCE Struktur deformieren beobachten. </li><li> Nehmen Sie das Licht induzierte Verformung mit der Mikroskopkamera. </li></ol>

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<li>Zeng, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Light-fueled+microscopic+walkers%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Light-fueled microscopic walkers.</a> Adv. Mater. 27, 3883-3887 (2015).</li>
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</ol>

Die Autoren erklären, dass sie keine konkurrierenden finanziellen Interessen haben.

IP-L Mikrogitterorientierung Technik wurde mit DLW integriert flüssigkristalline Monomere zu orientieren. Die anschließend laser geschrieben LCE Mikrostrukturen können auch mit der vorgesehenen Ausrichtung in der Mikroskala strukturiert werden. Diese Technik erlaubt es uns Verbindung LCE Elemente zu schaffen, die mehrere Funktionalitäten unterstützen können. Mit hervorragenden Fähigkeit , genaue 3D - Mikrostrukturen und Kontrolle der Betätigung zu schaffen , erwarten wir, dass diese Technik für die Erstellung von Elastomer auf Basis mikroskopischen Roboter 14 verwendet werden, und eine Fülle neuer Strategien für die Gewinnung von Licht abstimmbare Geräte 15 zu öffnen. Es gibt zwei wichtige Schritte bei der Vorbereitung. Die erste ist, dass die beiden Gläser der Zelle sollte fest (Schritt 1.4, 1.5) verklebt werden. Die UV-Härtung Leim bewahrt die Stabilität der Zellgeometrie während der Entwicklung: die Bewegung eines Glas der Zelle in Bezug auf die andere in einer worst Ausrichtung führen vonder LCE. Zweitens sollte die Laser-Schreibgeschwindigkeit während der LCE Struktur schriftlich so hoch wie möglich, während 100X Ziel gewählt wird. Aufgrund der starken Schwellung des LCE während des Laserschreibprozesses würde die gequollenen Struktur die vorgesehene Position aus, wodurch die Qualität der hergestellten Aktuatoren beeinflussen. In einigen Fällen wird das Licht induzierte Verformbarkeit beobachtet in den Strukturen zu verschlechtern. Dies könnte aufgrund der Farbstoffbleich unter hoher Beleuchtungsstärke sein. Sobald die Farbstoffmoleküle sind ausgeschaltet worden ist, verhält sich die Struktur LCE als transparentes Medium und die Lichtabsorption / Licht induzierte Verformung unterdrückt wird. Eine niedrigere Laserleistung würde für die Betätigung von Mikrostrukturen LCE sicherer. Es gibt auch einige Nachteile dieses Verfahrens. Erstens nimmt der gesamte Prozess eine relativ lange Zeit. Um die Zellenkonfiguration, die erste IP-L-Entwicklungsprozess (hergestellt durch Eintauchen des Samp zu haltenle in einem Lösungsmittel Bad) in 2-Propanol durchgeführt, ohne die Zelle zu öffnen. Die Entwicklungszeit hängt also von der Zellengröße und der Dicke des Spaltes, und dauert in der Regel 12 bis 24 Stunden. Ersetzen der IP-L mit anderen Laser beschreibbaren Muster Gitter, wie Laser-induzierte Ablationsmusters und laserinduzierten Oberflächen chemisch modifiziert, könnte in LC Ausrichtung zur Folge haben und in einer großen Verringerung der Herstellungszeit. Zweitens ist LCE eine weiche Materie, die immer Haftung auf dem Glassubstrat leidet. Licht induzierte Verformung wurde unterdrückt, wenn die Mikrostrukturen auf der Oberfläche haften. Drittens wird die Höhe der Struktur durch die Dicke der Zelle und dem Ziel Arbeitsabstand begrenzt. In der Laser-Schreibsystem ist die maximale Höhe etwa 100 &amp; mgr; m. Kürzlich 3D entwickelten Drucktechniken könnte ein guter Kandidat für die Erstellung von Licht betätigt LCE Struktur von mesoskopischen zu makroskopischen Maßstab sein. Jedoch Beibehaltung der molekularen Orientierung während der Polymerisation konntesein in der Hauptsache betreffen. Diese Technik ist einzigartig, weil ermöglicht eine 3D-Freiform-Stellantriebe an der wirklich mikroskaligen zu erhalten, die mit anderen Techniken nicht möglich ist. LCE Mikrostrukturen mit unterschiedlichen Molekülorientierungen und Funktionalitäten strukturiert werden. Die Umsetzung einer solchen Technik, die von weiteren chemischen Technik, ermöglicht die Aktoren empfindlich auf andere Reizquellen zu machen und öffnet sich zu einer effizienten Mikroroboter und weiche photonischer Bauelemente zu entwickeln.

Mikroaktuatoren sind mikroskopische Strukturen, die externe Energie für den Betrieb eines anderen Mechanismus oder System übertragen kann. Durch die kompakte Größe und Fernsteuerungsfähigkeit, haben sie weit verbreitet in Lab-on-Chip - Systeme 1, Mikro-sensing 2 und Mikro Robotik 3 verwendet. Die Stellantriebe bisher verfügbaren können in einer Hydrogelmatrix 4, Kontraktion / Biege 5 in einer Richtung mit dem externen Feld nur einfache Maßnahmen, wie Schwellungen / Kollaps führen. Obwohl die kürzlich entwickelten Techniken Strukturen mikroskopischen Maßstab Betätigungs herzustellen aktiviert haben 6 ist es immer noch eine große Herausforderung , diese Betätigungen in der gleichen Längenskala zu steuern. Dieses Papier berichtet über eine Methode 3D-Licht-Mikrostrukturen mit steuerbaren Betätigungseigenschaften aktivieren vorzubereiten. Die Technik basiert auf der direkten Laserschreibens (DLW), und es wird in flüssigkristalline Elastomere (LCEs) demonstriert. LCEs sind soft Polymere, die die Eigenschaft des Elastomers und flüssigkristalline Orientierung zu kämmen. Diese Materialien sind in der Lage große Verformung (20-400%) unter verschiedenen Arten von externen Stimuli 7. Der Vorteil von LCEs für Mikroaktorik Verwendung ist die Bequemlichkeit der Technik molekularen Ordnung in den Strukturen, die 8 zur Steuerung der Betätigung im mikroskopischen Maßstab ermöglicht. LC-Monomere werden mit Acrylatanteil synthetisiert, so dass ein einstufiges Photopolymerisation. Diese Eigenschaft ermöglicht den Zugriff auf verschiedene Arten von lithographischen Techniken für die Herstellung von 3D-Mikrostrukturen. Azo-Farbstoffe als fotoreaktionsMoleküle an das Polymernetzwerk durch Co-Polymerisationsverfahren verbunden. Solche Moleküle kombinieren ihre starke Licht Reaktion Fähigkeit (trans - cis - Isomerisierung) mit dem Licht induzierte Erwärmung des Systems Licht kontrollierte Deformation ergab. DLW ist eine Technik, Polymerstrukturen in einem lichtempfindlichen Materi zu erhaltenal durch räumliche Steuerung eines fokussierten Laserstrahls 9. DLW ermöglicht die Erstellung von 3D - Freiformstrukturen in LCE ohne 6 , um die molekulare Ausrichtung zu verlieren. Es gibt mehrere Vorteile der DLW bei der Herstellung von LCE Mikroaktuatoren. Erstens kann die Auflösung der Submikrometerbereich zu erreichen, und die Strukturen sind wirklich 3D - 6. Zuvor Methoden berichtet LCE Mikroherstellung, z. B. maskierte Belichtung 10 und Replika 11 geformt wird , zur Verfügung gestellt Auflösung von bis zu etwa 10 &amp; mgr; m und haben nur 2D - Geometrie. Zweitens ist DLW eine berührungslose Herstellungsverfahren. Ein geeignetes Lösungsmittel können qualitativ hochwertige Strukturen Beibehaltung der Konfiguration entworfen entwickeln. Replica Formtechnik gibt selten Submikrometerauflösung 12 und die strukturelle Qualität ist schwer zu kontrollieren. Drittens bietet Laser - Schreib vielfältige Optionen für die lokale LC Orientierung auf der mikroskopischen Skala 8,13. Unter den verschiedenen Arten von LC Orientierungstechniken ist das Reiben der most effiziente Art und Weise LC-Moleküle zu orientieren und wurde bei der Herstellung von LCE-Dünnschicht weit verbreitet. Dies wurde durch Reiben auf Polymerschichten zu erzeugen Mikronuten auf den inneren Oberflächen einer Zelle infiltriert durch LC-Monomeren im allgemeinen erreicht. Aufgrund der Oberflächenverankerungswirkung sind solche Mikronuten Lage, das LC-Molekül entlang der Rillenrichtung zu orientieren. DLW ermöglicht die direkte Herstellung dieser Mikronuten auf dem ausgewählten Bereich in der vorgefertigter Richtung mit einer viel höheren Genauigkeit. All diese Eigenschaften machen DLW eine perfekte, einzigartige Technik zur Herstellung und Kontrolle der Betätigung im mikroskopischen Maßstab. Basierend auf DLW, LCE Mikrostrukturen können mit unterschiedlichen Molekülorientierungen strukturiert werden. Mit Verbindung Ausrichtung innerhalb einer einzigen LCE Struktur, werden multifunktionale Ansteuerungen möglich. Das Verfahren kann zur Herstellung von LCE Mikroaktuatoren mit jeder Art von LC Monomermischung verwendet werden. Durch weitere Verfahrenstechnik ist es möglich, das zu machen,Aktoren empfindlich auf andere Reizquellen, z. B. Feuchtigkeit oder Beleuchtung mit unterschiedlichen Wellenlängen.

<table><tbody><tr><td>Molekular: LC-Monomer</td><td>SYNTHON Chemicals GmbH & Co. KG</td><td>ST03866</td><td>~78 mol% in der Mischung</td></tr><tr><td>Molekular: LC-Vernetzer</td><td>SYNTHON Chemicals GmbH & Co. KG</td><td>ST03021</td><td>20 mol% in der Mischung</td></tr><tr><td>Molekular: Azofarbstoff</td><td>Synthese in Bezug auf Ref. 6</td><td></td><td>1 mol% in der Mischung. Lichtempfindliche Komponente, kann bei der Herstellung von wärmebetriebenen Aktuatoren ausgeschlossen werden.</td></tr><tr><td>Molekular: Initiator</td><td>Sigma</td><td>Irgacure 369</td><td>1 - 2 mol% in der Mischung</td></tr><tr><td>Spacer</td><td>Thermo scientific</td><td></td><td>Mikrosphäre mit einem Durchmesser von 10 bis 100 μm.</td></tr><tr><td>IP-L</td><td>Nanoscribe GmbH</td><td></td><td></td></tr><tr><td>UV-härtender Kleber</td><td>Hausgemachter</td><td></td><td>IP-L mit 1 Gew.-% Initiator (Irgacure 369)</td></tr><tr><td>Objektträger für Mikroskop</td><td>MENZEL-GL&Auml; SER</td><td></td><td>Durchmesser: 1 oder 3 mm, Dicke: 0,16 - 0,19 mm</td></tr><tr><td>UV LED Lampe</td><td>Thorlabs</td><td>M385L2-C4</td><td>Wellenlänge: 385 &#177; 10 nm</td></tr><tr><td>532 nm Laser</td><td>Shanghai Dream Lasers</td><td>SDL-532-500T</td><td>500 mW Laser</td></tr><tr><td>Direct Laser Schreibsystem</td><td>Nanoscribe GmbH</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Heizplatte</td><td>Linkam Scientific Instruments Ltd.</td><td>PE120</td><td>Temperaturbereich: -20 bis 120 &Grad; C</td></tr><tr><td>Mikroskop</td><td>Zeiss</td><td>Axio Observer A1</td><td>Mit gekreuzten Polarisatoren</td></tr><tr><td>Mikromanipulator</td><td>Narishige</td><td>MHW-3</td><td></td></tr></tbody></table>

freiform-lichtaktoren - herstellung und steuerung der betätigung in mikroskopischer skala

Free-form Light Actuators &#8212; Fabrication and Control of Actuation in Microscopic Scale

Flüssigkristalline Elastomere (LCEs) sind intelligente Materialien zu einer reversiblen Formänderung in Reaktion auf äußere Reize und haben die Forscher die Aufmerksamkeit in vielen Bereichen angezogen. Die meisten Studien konzentrierten sich auf makroskopischer LCE Strukturen (Folien, Fasern) und deren Miniaturisierung ist noch in den Anfängen. Kürzlich Lithographietechniken entwickelt, z. B., Maskenbelichtung und Replika Guß, nur für die Erstellung von 2D - Strukturen auf LCE - Dünnschichten ermöglichen. Direkte Laserschreiben (DLW) eröffnet den Zugang zu wirklich 3D-Fertigung im mikroskopischen Maßstab. Doch zur gleichen Längenskala, die Betätigung Topologie und Dynamik zu steuern bleibt eine Herausforderung. In diesem Papier berichten wir über eine Methode, um die Flüssigkristall (LC) Molekülausrichtung in den LCE Mikrostrukturen beliebiger dreidimensionaler Form zu steuern. Möglich wurde dies durch eine Kombination von direkten Laserschreiben sowohl für die LCE-Strukturen als auch für micrograting Muster zu induzierenlokale LC-Ausrichtung. Verschiedene Arten von Gitterstrukturen wurden verwendet, um unterschiedliche Ausrichtungen LC einzuführen, die anschließend in die LCE Strukturen gemustert werden kann. Dieses Protokoll ermöglicht eine von mehreren Funktionen LCE Mikrostrukturen mit technisch Ausrichtungen der Lage führen mehrere opto-mechanische Betätigung, so in der Lage zu erhalten sein. Anwendungen finden sich in den Bereichen abstimmbaren Photonik, Mikrorobotik, Lab-on-Chip-Technologie und andere vorgesehen werden.

Abbildung 1 zeigt die optische Einrichtung für Laserbeschriftung. Das System besteht aus einem 780 nm-Faserlaser 130 fsec Impuls mit der Wiederholungsrate von 100 MHz zu erzeugen. Der Laserstrahl wird in ein Teleskop reflektiert das Strahlprofil zur optischen Mikroskopobjektivöffnung einzustellen, wo es in die Probe fokussiert wird. Auf dem Mikroskop wird ein 3D - Piezotisch mit einem 300 installiert × 300 × 300 &amp; mgr; m 3 Fahrbereich für Probeübersetzung mit einer maximalen Geschwindigkeit von 100 &amp; mgr; m / s bei 2 nm Auflösung. Linear polarisiertes Licht von einer roten Lampe beleuchtet die Probe von oben, während das Bild auf dem Boden durch das gleiche Ziel und reflektiert durch einen Strahlteiler in eine CCD-Kamera aufgefangen wird. Vor der Kamera wird ein weiterer Polarisator verwendet kreuzpolarisierte Beleuchtung für erhöhten Kontrast zu erhalten. Abbildung 2 zeigt die Scan elektron-Mikroskop (SEM) -Bilder des Lasers geschrieben IP-L micrograting Muster (Schritt 1). Der Rillenabstand liegt im Bereich von 400 - 1200 nm, während die Höhe der Rillen (top-to-valley) etwa 700 nm ist. Gitterstrukturen mit unterschiedlichen Orientierungen können unterschiedliche Ausrichtungen LC induzieren, abhängig von der gewünschten Betätigung des LCE-Element. Figur 3 zeigt die Ausrichtung LC - Monomer durch die Gittermuster IP-L induzierte (Schritt 2.7). Zuerst wurden vier Arten von Mikrogittermuster mit 100 × 100 &amp; mgr; m 2 Fläche wurden jeweils auf gegenüberliegenden Seiten einer Glaszelle hergestellt (schematisch in 3a gezeigt). Aufgrund der Oberflächenverankerung wurden die infiltrierten LC - Monomere wurden mit der Gitterlinien Richtung orientiert entlang, wodurch 45 ° Kontrastumkehr aufweist in dem Polarisationslichtmikroskop (POM) Bild (Abbildung 3b). Abbildung 4 zeigt die REM - Aufnahmen eines LCE Nano Punkt / Linie gefertigt auf der IP-L Gitternetze mit unterschiedlicher Ausrichtung (Schritt 2.10). Innerhalb des Gitternetzes, werden die LCE Strukturen beschränkt ist, mit einer viel höheren Beständigkeit gegenüber der Entwicklung in Toluol. Eine minimale Breite des abgezogenen LCE wurde gemessen ~ 300 nm zu sein, die mit der Auflösung von DLW ohne das Gittermuster übereinstimmt. Ein weiterer interessanter Ansatz für die photonische Anwendung könnte die Realisierung von großen periodischen Struktur dar. 4 (c, d) zeigt 2D LCE periodische Strukturen innerhalb eines Mikrogitternetzwerk. Die Ausrichtungen sind gut innerhalb dieser Nanostrukturen erhalten, wie es in den eingesetzten POM Bilder von Figur 4 gezeigt (c, d). Jedoch Licht induzierte Verformung nicht in diesen Nanostrukturen erhalten werden konnten. Dies liegt daran, innerhalb des IP-L-Gitter haben die Nano-LCE Elemente stark beschränkt worden und Haftung verhindert jegliche sichtbare Verformung. </p&gt; Die Mikromanipulationssystem ist auf einem hausgemachten basierend reflektiert Mikroskop und ist schematisch in 5 gezeigt. Eine 10X - Objektiv auf einem Linsentubus auf einem vertikal stehenden optischen Steckbrett platziert fixiert. A 730 nm IR-LED-Lichtquelle zur Beleuchtung durch einen nicht polarisierenden Strahlteiler verwendet. Das reflektierte Bild wird durch das gleiche Ziel und projiziert auf die Kamera aufgefangen. Eine kontinuierliche Festkörper-532 nm-Laser wird durch einen langen Durchgang dichroitischen Spiegel (50% Transmission und Reflexion bei 567 nm) bei einem Einfallswinkel von 45 ° in das Objektiv gekoppelt ist. Ein Stromzähler misst die übertragene Strahl nach dem dichroitischen Spiegel für die Echtzeit-Detektion von Laserleistung. Eine lose fokussierte Laserpunkt von ~ 150 &amp; mgr; m Durchmesser erzeugt maximale Beleuchtungsstärke von ~ 10 W / mm 2. Laserintensität wird durch eine variable Neutraldichtefilter vor dem Laser angeordnet gesteuert. Unter dem Ziel, ein 3D-Handbuch translation Stufe wird für die Proben Übersetzung verwendet. Eine Erwärmungsstufe auf der Translationsbühne installiert ist für eine präzise Steuerung der Probentemperatur in einem Bereich von -20 bis 120 ° C mit 0,5 ° C Genauigkeit verwendet. Zwei Glasspitzen montiert auf zwei manuelle Übersetzung Stufen wurden auf der linken und rechten Seite platziert, in der Nähe der Probenposition. Struktur Mikromanipulation kann sorgfältig realisiert werden, indem die Spitzen mit Hilfe der Übersetzungsstufen zu bewegen. Um die Ausrichtung und Verformung Korrelation zeigen, fertigen wir vier LCE zylindrische Strukturen mit 60 &amp; mgr; m Durchmesser und 20 &amp; mgr; m Höhe. Diese Zylinder sind auf vier unterschiedlich orientierte IP-L Gitterbereiche geschrieben (1 &amp; mgr; m-Periode). Unter Lichtanregung, die Farbstoffe im Inneren des LCE absorbieren Lichtenergie und übertragen sie in das Netzwerk. Die LCE Strukturen werden erhitzt und dann Phasenübergang (nematisch zu isotrop) unterzogen werden. Solche Phasenübergang wird auch dazu beigetragen,durch das trans zu cis Isomerisierung des Farbstoffes unter den gleichen Lichtreize. So erweitern die Strukturen Vertrag entlang der ursprünglichen LC Ausrichtung Direktor und in der senkrechten Richtung 7. In Abhängigkeit von verschiedenen lokalen Alignments von den IP-L - Gitter induziert wird , verformen sich diese Strukturen entlang unterschiedlichen Richtungen, wie in Figur 6 gezeigt (Schritt 3.1). Diese Technik ermöglicht die Erzeugung von Misch Aktoren, die in einer einzigen Struktur mehr als eine Art von Ausrichtungs enthalten. A 400 × 40 × 20 &amp; mgr; m 3 Größe LCE Streifen mit zwei Abschnitten Ausrichtungsmuster wurde hergestellt, wie schematisch in Figur 7 (a) gezeigt. Diese Ausrichtung Abschnitte enthalten jeweils eine 90 ° verdrehten Orientierung in eine andere Richtung. Die Oberfläche mit paralleler Ausrichtung Verträge, während die mit senkrechten Ausrichtung dehnt sich unter Lichtbeleuchtung. Die Struktur wurde pidurch die Mikromanipulationssystem cked auf, und in der Luft durch eine Glasspitze gehalten. Doppelbiege wurde unter Lichtbeleuchtung (Schritt 3.3) beobachtet. Ein modulierten Laserstrahl (einen optischen Choppers) können zyklischen Verformungen induzieren. LCE können im Anschluss an die Lasermodulationsfrequenz (&gt; 1 kHz) reagieren. Jedoch nimmt die Deformationsamplitude mit steigender Frequenz 14. <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig1.jpg" /> Abbildung 1: Optische Set Up für DLS - A 780 nm Laserstrahl (130 fsec Puls, Wiederholungsrate von 100 MHz) gekoppelt ist , in ein Mikroskop und durch ein optisches Mikroskop - Objektiv in die Probe fokussiert.. Eine 3D - Piezotisch mit 300 × 300 × 300 &amp; mgr; m 3 Fahrbereich wird für die Probeübersetzung während der Laserbelichtung verwendet. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53744/53744fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier um ein la anzuzeigen</a><html> rger Version dieser Figur. <img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig2.jpg" /> Abbildung 2:. REM - Aufnahmen von IP-L Micro-Gitter a) unidirektional parallel Linienstruktur. b) Radialgittermuster. Maßstabsbalken:. 10 &amp; mgr; m <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53744/53744fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> um <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53744/53744fig2large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 3" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig3.jpg" /> Abbildung 3:. IP-L Micro-Gitter LC Orientierung Induce a) Schematische Darstellung des Mikrogittermuster für die LC - Ausrichtung entwickelt. b) POM Bild der die LC-Orientierung durch die micrograting Muster induziert. Der Maßstab ist 50 &amp; mgr; m. Die rote Farbe ist auf dem Filter, die die Photopolymerisation verhindert.ge.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. <img alt="Abbildung 4" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig4.jpg" /> Abbildung 4:. REM - Aufnahmen von LCE Nano Embedded Innen IP-L Grating Networks a) und b) Zwei Mikrogittermuster wurden entlang verschiedener Richtungen von DLW hergestellt, während LCE nanodots im Gitternetz hergestellt werden. c) und d) Periodische LCE Nanostrukturen innerhalb der gleichen Art von IP-L-Gitter eingebettet. Die Einschübe sind POM Bild der Strukturen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53744/53744fig4large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53744/53744fig4large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Abbildung 5" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig5.jpg" /> Abbildung 5:. Schema des Mikromanipulations Setup - A CW Solid - State - 532 - nm - Laser in eine gekoppelte<html> hausgemachte Mikroskopsystem. Ein 10-fach Objektiv ist für die Bildgebung und die Fokussierung des 532-nm-Laser zur Anregung verwendet. Zwei manuelle Übersetzung Stufen ausgestattet mit Glasspitze Manipulatoren für die Probenmikromanipulation. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53744/53744fig5large.jpg" target="_blank">Bitte hier klicken</a> , um <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53744/53744fig5large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 6" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig6.jpg" /> Abbildung 6: Licht Betätigung des LCE Micro-Zylinder auf vier verschiedenen IP-L Micrograting Regionen mit unterschiedlichen Orientierungen a) Vier LCE zylindrische Strukturen mit 60 &amp; mgr; m Durchmesser und 20 &amp; mgr; m Höhe, geschrieben auf vier unterschiedlich orientierten Mikrogitterbereiche.. b) LCE Zylinder verformen entlang verschiedenen Achsen ( in Abhängigkeit von den Gitter induzierten Alignments) , wenn sie einer 532 nm Laserstrahlung ausgesetzt (10 W mm -2). Maßstabsbalken: 100 &amp; mgr; m.les / ftp_upload / 53744 / 53744fig6large.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. <img alt="7" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig7.jpg" /> Abbildung 7: Lichtgetriebene Verformung von LCE Mikrostrukturen mit mehreren Molecular Alignments a) Schematische aus zwei Abschnitten von gegenüberliegenden 90 ° verdrehten Ausrichtungen in einem einzigen LCE Streifen.. b) und c) Optische Bilder eines 400 &amp; mgr; m langen LCE Streifen in entgegengesetzte Richtungen unter 532 nm Laserbeleuchtung Biegen (3 W mm -2) 8. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53744/53744fig7large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53744/53744fig7large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a>

Hier stellen wir polymere 3D-Mikro-/Nanostrukturen her, in denen sowohl die Form als auch die molekulare Ausrichtung mit Hilfe von direktem Laserschreiben mit Genauigkeit im Nanometerbereich hergestellt werden können. Die lichtinduzierte Verformung verschiedener Arten von flüssigkristallinen Elastomer-Mikrostrukturen kann auf der mikroskopischen Skala gesteuert werden.

Freiform-Lichtaktoren - Herstellung und Steuerung der Betätigung in mikroskopischer Skala

Liquid crystalline elastomers (LCEs) are smart materials capable of reversible shape-change in response to external stimuli, and have attracted ...

Das übergeordnete Ziel dieses zweistufigen Laserschreibverfahrens ist es, elastomerbasierte mikrometergroße Lichtbetätigungsstrukturen zu erhalten. Die Methode kann helfen, zentrale Fragen in den Bereichen Mikrobiotik und Mikrofluidik zu beantworten. Zum Beispiel, wie man eine einzelne Mikrostruktur mit komplexer Bewegung erzeugt.Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass die molekulare Orientierung manuell im Mikromaßstab strukturiert werden kann. Somit kann die spezifische Form der Betätigung aperturgesteuert werden. Einige dieser Methoden können Mikrobiotika im Inneren bereitstellen, aber sie können auch auf verschiedene Systeme angewendet werden, z. B. durch das Einstellen photonischer Geräte oder Materialien, die auf unterschiedliche Reize reagieren.Einen Teil des Eingriffs wird Daniele Martella, ein Postdoc aus meinem Labor, demonstrieren. Reinigen Sie zunächst einen Glasdeckel mit einem Durchmesser von 3 cm mit Aceton und Linsentuch. Lege dann mit einer Pinzette oder Pinzette einige Mikroglaskugeln etwa einen halben Zentimeter vom Mittelpunkt entfernt auf den Objektträger.Diese fungieren als Abstandshalter. Legen Sie einen Objektträger mit einem Durchmesser von 1 cm auf die Abstandshalter und drücken Sie ihn vorsichtig in Position. Geben Sie als nächstes etwa zwei Mikroliter UV-härtenden Kleber in den Spalt zwischen den Objektträgern an den drei verschiedenen Stellen, an denen sich die Abstandshalter befinden.Bevor der Kleber zu weit in den Spalt eindringt, härten Sie den Kleber mit UV-Licht aus. Diese bildet die Zelle für das Experiment. Tropfen Sie nun entlang des Randes der Zelle etwa 10 Mikroliter IPL-Harz.Warten Sie einige Minuten, bis die Flüssigkeit in den gesamten Bereich der Zelle eingedrungen ist. Befestigen Sie dann die Zelle mit Fixo-Kleber auf dem Probenhalter. Platzieren Sie die Baugruppe in das Direct Laser Writing-System, und suchen Sie mit einem 100X-Objektiv die Schnittstelle an der oberen Innenfläche.Nehmen Sie als Nächstes eine Neigungskorrektur vor, da die Folie nicht perfekt horizontal ist. Schreiben Sie nun die Strukturen der entworfenen IPL-Grading-Muster mit einer Laserleistung von 6 Milliwatt bei 60 Mikrometern pro Sekunde. Die Grading-Muster werden mit Kurven oder geraden Linien erstellt.Suchen Sie dann die Schnittstelle und neigen Sie sie korrekt zur unteren Innenfläche. Schreibe die Anleitung auch dorthin. Übertragen Sie die Zelle nun für 12 bis 24 Stunden in ein Isopropanolbad.Öffnen Sie die Zelle noch nicht. Am nächsten Tag trocknen Sie die Zelle auf einer 50 Grad heißen Platte für 10 bis 20 Minuten. Beginnen Sie diesen Vorgang, indem Sie etwa 300 mg Monomermischung abmessen.Geben Sie die Mischung in eine Glasflasche und stellen Sie sie auf eine auf 70 bis 80 Grad Celsius eingestellte Kochplatte, um das Pulver zu schmelzen. Sobald es geschmolzen ist, rühren Sie es eine Stunde lang zwischen 90 und 150 U/min. Sobald die Mischung homogen ist, stellen Sie die vorbereitete Zelle bei 60 Grad Celsius auf die Herdplatte und tropfen Sie 20 Mikroliter der Mischung entlang des Randes des kleineren Objektträgers.Lassen Sie die Flüssigkeit in die Zelle einziehen. Schirmen Sie dann den Objektträger vor Licht ab und übertragen Sie ihn mit einem Kreuzpolarisator und einem Temperaturregler auf das Mikroskop. Bevor Sie die Zelle beleuchten, befestigen Sie einen orangefarbenen Filter an der Lampe, um die UV-Strahlung herauszufiltern. Erhitzen Sie dann die Zelle mit der beheizten Stufe auf über 60 Grad Celsius.Senken Sie nun die Temperatur mit einer Rate von zwei bis 10 Grad Celsius pro Minute, um den Temperaturbereich für die Flüssigkristallphase zu messen. Beobachten Sie die Probe mit Bildkontrastinvertierung, während Sie sie um 45 Grad in Bezug auf die Polarisationsachse drehen. Schließlich sollte eine gute homogene nematische Flüssigkristallphase festgestellt werden.Befestigen Sie anschließend die Zelle auf einem Probenhalter für das DLW-System. Laden Sie die Probe und stellen Sie die Temperatur ein, um in die Flüssigkristallphase zu gelangen. Suchen Sie dann die Schnittstelle der unteren Innenfläche und führen Sie die Neigungskorrektur mit einem 100X-Objektiv durch.Dann schreiben Sie die LCE-Strukturen mit der Laserleistung von vier Milliwatt und mit 60 Mikrometern pro Sekunde. Wenn ein 10-fach-Objektiv verwendet wird, stellen Sie den Laser auf 14 Milliwatt ein und machen Sie sich keine Sorgen, die Schnittstelle zu finden. In diesem Fall wird die Struktur auf die gesamte Dicke der Probe zugeschnitten.Entladen Sie dann die Zelle und entfernen Sie mit einer Klinge den oberen Glasschieber. Tauchen Sie die Strukturen nach abgenommener oberer Rutsche fünf Minuten lang in ein Toluolbad und trocknen Sie sie dann 10 Minuten lang an der Luft. Um die LCE-Mikrostrukturen zu charakterisieren, legen Sie die Probe in das selbstgebaute Mikroskop und fokussieren Sie einen Laser mit einem 10X-Objektiv auf die Strukturen.Beobachten Sie nun mit einer CMOS-Kamera die lichtinduzierte Verformung. Platzieren Sie mit der manuellen Steuerung des Mikromanipulationssystems die Glasmikrospitzen, die sich an den Manipulatorarmen befinden, in der Nähe der LCE-Mikrostrukturen. Schalten Sie nun den Laser auf geringe Leistung ein, etwa 20 Milliwatt, um die Temperatur des LCE zu erhöhen und so die Struktur weicher zu machen.Nehmen Sie dann mit den Glasspitzen eine LCE-Mikrostruktur auf und halten Sie sie in die Luft. Dieser Prozess ist notwendig, um ein Anhaften von der Glasoberfläche zu vermeiden. Erhöhen Sie anschließend die Laserleistung um mehr als 100 Milliwatt.Zeichnen Sie dann die lichtinduzierte Verformung der LCE-Struktur für die Analyse auf. Vier zylindrische LCE-Strukturen mit einem Durchmesser von 60 Mikrometern und einer Höhe von 20 Mikrometern wurden auf vier unterschiedlich ausgerichteten IPL-Sortierbereichen mit einer Periode von einem Mikrometer hergestellt. Unter Lichtanregung nahmen die Farbstoffe im LCE Energie auf und gaben sie in das Netzwerk ab.Die Strukturen gingen von der nematischen in die isotrope Phase über, zogen sich entlang des ursprünglichen LC-Ausrichtungsleiters zusammen und dehnten sich in senkrechter Richtung aus. Diese Technik ermöglicht die Herstellung von Verbundantrieben, die mehr als eine Art von Ausrichtung in einer einzigen Struktur enthalten. Zum Beispiel wurde ein 400 x 40 x 20 Mikrometer großer LCE-Streifen mit zwei Abschnitten von Ausrichtungsmustern hergestellt, die eine 90-Grad-Verdrehung enthielten.Bei Lichteinfall zog sich die Fläche mit paralleler Ausrichtung zusammen, während sich die Fläche mit senkrechter Ausrichtung ausdehnte. Dadurch wird die Struktur in zwei verschiedene Richtungen gebogen. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man flüssigkristalline Elastomere mit einem Direct Laser Writing-Setup ausrichtet und wie man Mikroaktuatoren mithilfe von Licht bewegt.

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Forschung

JoVE Journal

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Ingenieurwesen

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