Vorbereitung der Flüssigkristall-Netzwerke für makroskopische oszillierende Bewegung, die durch Licht induzierten

Das übergeordnete Ziel dieses experimentellen Protokolls ist es, Flüssigkristallnetzwerke herzustellen, die unter kontinuierlicher Lichteinstrahlung mechanische Schwingungen zeigen. Diese Methode kann dazu beitragen, Schlüsselfragen in der Materialwissenschaft zu beantworten, z. B. wie man kontinuierliche mikroskopische Bewegungen mit potenziellen Anwendungen in der Softrobotik und in automatisierten Systemen erhält. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass ihre Anwendungen und Methoden in der Spreizherstellungsindustrie mit kommerziell erhältlichen Chemikalien weit verbreitet sind.

Reinigen Sie zunächst drei mal drei Zentimeter große Glasplatten vorsichtig mit Seife und heißem Wasser, um Verunreinigungen zu entfernen. Legen Sie die Glasplatten in ein Becherglas mit Ethanol. Legen Sie dann das Becherglas für ca. 10 Minuten in ein Ultraschallbad.

Trocknen Sie anschließend die Glasplatten vorsichtig mit einem Taschentuch und einem Luftgebläse ab. Stellen Sie sicher, dass sich keine Spuren von Lösungsmitteln, Staub oder Verunreinigungen auf den Platten befinden. Legen Sie die Glasplatten für 20 Minuten in einen UV-Ozon-Photoreaktor, um organische Rückstände zu entfernen.

Nach der Ozonbehandlung blasen Sie Luft auf eine der Glasplatten und legen Sie sie auf einen Schleudercoater. Geben Sie dann ca. 0,5 Milliliter Polyamidlösung auf die Glasplatte, um die gesamte Oberfläche zu bedecken. Schleudern Sie die Ausrichtungsschicht gemäß den folgenden Bedingungen.

Markieren Sie nach der Schleuderbeschichtung die Glasplatten auf der unbeschichteten Seite mit markanten Zeichen, um die homöotrope und die planare Ausrichtungsschicht zu erkennen. Legen Sie die beschichtete Glasplatte 10 Minuten lang bei 110 Grad Celsius auf eine heiße Platte, um den Großteil des in der Ausrichtungsschichtmischung vorhandenen Lösungsmittels zu entfernen. Sobald alle Glasplatten beschichtet sind, legen Sie sie eine Stunde lang bei 180 Grad Celsius in einen Ofen, um die Polyamidschicht auszuhärten.

Um Mikrokanäle auf den beschichteten Glasplatten zu erzeugen, legen Sie jede Planarebene mit der beschichteten Seite nach unten auf ein Samttuch. Üben Sie mit zwei Fingern einen gleichmäßigen und sanften Druck aus. Ziehe die Glasplatte vorsichtig in gerader Richtung über die Oberfläche des Samttuchs.

Blasen Sie dann Luft auf die Glasplatte. Bereiten Sie anschließend einen Klebstoff vor, indem Sie einen UV-härtenden Kleber mit Glasperlen mit einem genau definierten Durchmesser von 20 Mikrometern mischen. Geben Sie zwei winzige Tropfen Kleber auf zwei benachbarte Ecken einer Glasplatte, die mit einer planaren Ausrichtungsschicht beschichtet ist.

Geben Sie dann zwei weitere Tropfen Kleber etwa fünf Millimeter von den anderen beiden Ecken entfernt. Legen Sie die mit einer homöotropen Ausrichtungsschicht beschichtete Glasplatte auf die erste Glasplatte und lassen Sie zwischen den Rändern der Platten einen Abstand von etwa vier Millimetern, um genügend Platz für das LC-Gemisch zu schaffen. Härten Sie dann den Kleber aus, indem Sie die beiden Glasplatten oder die Zelle zwei Minuten lang unter UV-Licht halten.

Legen Sie die Zelle mit der homöotropen Seite nach oben auf eine heiße Platte. Stellen Sie die Temperatur auf 110 Grad Celsius ein, um das Befüllen der Zelle zu erleichtern, da die Flüssigkeit weniger viskos ist als in der nematischen Phase. Lege nun einen Teil des LC-Gemisches auf den Rand der Zelle, so dass der Feststoff schmilzt und das flüssige Gemisch kapillar in die Zelle fließt.

Fügen Sie mehr Mischung am Rand hinzu, bis die Zelle gefüllt ist. Sobald die Zelle gefüllt ist, kühlen Sie sie langsam auf 90 Grad Celsius ab, um sich in der nematischen Phase zu befinden. Sobald der Film 90 Grad Celsius erreicht, polymerisieren Sie die Mischung, indem Sie die Zelle 30 Minuten lang unter UV-Licht bei dieser Temperatur setzen.

Stellen Sie die Zelle nach der Polymerisation für etwa 10 Minuten auf eine heiße Platte bei 130 Grad Celsius. Nachdem Sie die Zelle auf Raumtemperatur abkühlen lassen, öffnen Sie sie, indem Sie eine Rasierklinge an eine Kante legen und zwischen die beiden Glasplatten schieben. Um die Folie abzuziehen, heben Sie die Ecken mit der Rasierklinge an.

Ziehen Sie die Folie vorsichtig von der Glasplatte ab. Schneiden Sie dann einen Streifen entlang des molekularen Leiters des Films. Anschließend klemmen Sie die Filmprobe mit einer selbstschließenden Pinzette so ein, dass sich 1,7 Zentimeter der Folie frei bewegen können.

Halten Sie die Probe senkrecht und richten Sie einen Leuchtdiodenstrahl senkrecht auf die Probe, um die Selbstoszillation zu beobachten. Die beobachtete oszillatorische Bewegung der Folie unter Lichteinstrahlung wird in dem vorgestellten Protokoll demonstriert und die Qualität der Spreizausrichtung ist wichtig für die selbsterhaltende Betätigung. Die Folie sollte transparent sein.

Um die korrekte Spreizausrichtung zu überprüfen, wird die auf dem Glassubstrat befestigte Folie zwischen gekreuzten Polarisatoren über einer diffusen weißen Lichtquelle beobachtet. Wenn der Film in Streifen vorliegt, weist er eine natürliche Krümmung mit dem Mittelpunkt der Kurve auf der homöotropen Seite auf, die auf die von der Polymerisation ausgehende Eigenspannung zurückzuführen ist. Die mechanischen und thermischen Schwingungen, die von einer Hochgeschwindigkeitskamera registriert werden, bestätigen den Erfolg des Protokolls.

Wenn die Folie eingespannt ist, biegt sie sich in Richtung des Lichts in den flachen Zustand. Die Folie beginnt sich dann kontinuierlich mit mechanischen und thermischen Schwingungen zu bewegen. Die Schlüsselfaktoren für die Beobachtung dieses Phänomens sind der photothermische Effekt und die Selbstabschattung des Films, die durch die Intensität und Position des Lichts gesteuert wird.

Eine zu geringe Lichtintensität führt nicht zu einer großen Biegung, da die Temperatur am Scharnier unzureichend ist, während eine zu hohe Lichtintensität am Scharnier zu einem Überschwingen führt. Einmal gemeistert, kann diese Technik in vier Stunden durchgeführt werden, wenn sie richtig ausgeführt wird. Beim Versuch dieses Verfahrens ist es wichtig, die Ausrichtung der flüssigkristallinen Phase vor der Polymerisation zu überprüfen, um sicherzustellen, dass Sie eine stabile Oszillation erhalten.

Die Stärke dieses Protokolls liegt in der Fähigkeit, die Frequenz und die Amplitude der Schwingung zu variieren, indem die Abmessungen der Folie und die Lichtintensität geändert werden. Nach ihrer Entwicklung ebnete diese Methode den Weg für Forscher auf dem Gebiet der Materialwissenschaften, um andere Gleichgewichtsbewegungen in weicher Materie zu erforschen. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie ein ausgerichtetes flüssigkristallines Netzwerk vorbereiten, um einen photoresponsiven Film zu erhalten.

Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit Licht extrem gefährlich sein kann und bei diesen Experimenten immer eine UV-Schutzbrille getragen werden sollte.