Name: Vorbereitung der Flüssigkristall-Netzwerke für makroskopische oszillierende Bewegung, die durch Licht induzierten (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-09-20T15:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 56 s
Description: Erfahren Sie die Herstellung von Flüssigkristall-Netzwerken für photoresponsive Filme mit mechanischer Oszillation unter Licht. Diese Methode ermöglicht Anwendungen in der Soft Robotics und Materialwissenschaft.

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Diese Arbeit wurde finanziell unterstützt durch die niederländische Organisation für wissenschaftliche Forschung (NWO - TOP PUNT Grant: 10018944) und der Europäische Forschungsrat (ERC vibrieren, Grant 669991). A. H. G. erkennt die Finanzierung aus dem Programm von Menschen (Marie-Curie-Maßnahmen) von der Europäischen Union siebten Rahmenprogramm Programm FP7-2013, Grant Nr. 607602.

Hinweis: das gesamte Verfahren ist detailliert in Abbildung 1.
 1. Vorbereitung der Zellen <ol><li>Reinigung von Glasplatten <ol><li>sorgfältig reinigen 3 x 3 cm Glasplatten mit Seife und heißem Wasser entfernen Verunreinigungen ( Abbildung 1A).</li>
		<li>Legen die Glasplatten in ein Becherglas und mit Ethanol 99,5 % ( Abbildung 1 b).</li>
		<li>Statt den Becher in ein Ultraschallbad für ca. 10 min.</li>
		<li>Sorgfältig trocknen die Glasplatten ein Gewebe mit Luftbeimischung.</li>
		<li>Stellen Sie sicher, dass es keine Spur von Lösungsmittel, Staub, oder jede Art von Verschmutzung auf den Tellern links. 
		Hinweis: Die Glasplatten sind jetzt sauber und sollte mit Handschuhen manipuliert werden.</li>
		<li>Legen die Glasplatten in einer UV-Ozon-Photoreactor für 20 min um organische Rückstände zu entfernen. Nach der Ozonbehandlung, die Platten sind bereit für die Beschichtung Schritt ( Abbildung 1).</li>
	</ol></li> <li>Beschichtung von Glasplatten Hinweis: zwei Sätze von beschichteten Platten sind bereit: ein Satz mit einer planaren Ausrichtung Schicht und das andere mit einer Homeotropic Ausrichtung. In einer späteren Phase wird die Zelle eine planare Glasplatte und einem Homeotropic Glasplatte ( Abbildung 1) bestehen.
	<ol><li>Luft bläst eine Glasplatte und legen Sie sie auf der Spin Coater.</li>
		<li>Hinterlegen die Polyimid-Lösung auf die Glasplatte, die gesamte Oberfläche (ca. 0,5 mL der Lösung).</li>
		<li>Spin beschichten die Ausrichtung Schicht nach folgenden Kriterien: Programm 1: 5 s 17 x g und Beschleunigung von 11 X g/s; Programm 02:40 s bei 420 x g und Beschleunigung von 17 X g/s.</li>
	</ol></li> <li>Härtung der Ausrichtung Schichten <ol><li>beschichtete Glasplatten auf einer heißen Platte bei 110 ° C für 10 min platzieren, um den Großteil der Lösungsmittel in die Ausrichtung Schicht Mischung ( Abbildung 1E) vorhanden entfernen.</li>
		<li>Markieren die Glasplatten (auf der unbeschichteten Seite) mit Kennzeichen, die Homeotropic und die planare Ausrichtung Schichten zu erkennen. Ein kleiner Pfeil ist in der Regel hilfreich für die planare Glasplatte, da es auch die Reibung Richtung beschrieben in einer späteren Phase ( Abb. 1F zeigt).</li>
		<li>Sobald die Glasplatten sind überzogen, und das Lösungsmittel entfernt wird, legen die Glasplatten in einem Ofen bei 180 ° C für 1 h zu heilen die Polyimidschicht ( Abbildung 1). 
		Achtung: Dieser Schritt umfasst die extrem heiße Temperaturen; Handschuhe, Brille und geeignete persönliche Schutzausrüstung zu tragen.</li>
		<li>Nach dem Backen der Glasplatten abkühlen lassen auf Raumtemperatur. 
		Hinweis: Um eine Kontamination zwischen den einzelnen Schritten zu verhindern, es wird empfohlen, eine Schutzfolie über die Glasplatten zu legen.</li>
	</ol></li> <li>Reiben die planare Ausrichtung Schicht <ol><li>reiben die Glasplatten mit planaren Ausrichtung Schicht beschichtet, um (Sub-) Mikrokanäle in der Schicht zu erstellen, die die LC in eine Richtung führt. Hierzu legen Sie die Glasplatten mit der beschichteten Seite nach unten auf ein Samttuch. Eine gleichmäßige und weiche Druck mit zwei Fingern. Ziehen Sie vorsichtig die Glasplatte entlang der Oberfläche der Samttuch in gerader Richtung. Heben Sie die Glasplatte und wiederholen Sie den gleichen Vorgang drei Zeiten ( Abbildung 1 H). 
		Anmerkung: Es ist wichtig, die Platte in einer Richtung und nur während der Zukunft zu reiben. Eine schlechte Ausrichtung führt in gerader Richtung hin-und hergesendet.</li>
	</ol></li> <li>Kleben die Zellen <ol><li>Luft sprengen die Glasplatten mit Gebläse zur.</li>
		<li>Bereiten den Kleber durch Mischen einen UV-härtende Kleber mit Abstandshaltern (Glasperlen) mit einem klar definierten Durchmesser von 20 µm.</li>
		<li>Nehmen eine Glasplatte mit einer planaren Ausrichtung überzogen und eine Glasplatte mit einer Homeotropic Ausrichtung Schicht beschichtet. Platzieren Sie zwei winzige Tropfen Leim an zwei benachbarten Ecken des planaren Glases. Legen Sie zwei andere Tropfen Leim in ca. 5 mm von den zwei letzten Ecken ( Abbildung 1I).</li>
		<li>Homeotropic Glasplatte nehmen und platzieren Sie es an der Spitze. Lassen Sie einen Abstand von ca. 4 mm zwischen den Kanten der Glasplatten, genügend Platz für die LC-Mischung geben. Stellen Sie sicher, dass die beschichteten Seiten einander zugewandt sind.</li>
		<li>Den Kleber zu heilen, indem man die Zelle für 2 min unter UV-Licht. 
		Achtung: UV-Licht ist gefährlich; Handschuhe, Brille und geeignete persönliche Schutzausrüstung zu tragen.</li>
	</ol></li></ol> 2. LC-Gemischbildung und Charakterisierung <ol><li>Komponenten <ol><li>wiegen 97,5 mg LC Diacrylate 1, 2,5 mg Foto-Stabilisator und 1 mg Photoinitiator in einer braunen Glasflasche ( Abbildung 2). Wegen der Empfindlichkeit des Initiators, UV-Licht Exposition auf die Mischung so gut wie möglich zu verhindern.</li>
	</ol></li> <li>Homogen mischen der Pulver Hinweis: dieser Schritt wird in einem chemischen Haube ausgeführt.
	<ol><li>Der oben genannten Komponenten 3 mL Dichlormethan (DCM) hinzu und schütteln, bis der Volumenkörper vollständig aufgelöst ist.</li>
		<li>Legen Sie das Fläschchen auf einer heißen Platte bei 30 ° C für 30 min und fügen Sie einen Strom von Argon, fördern die schnelle Verdampfung des DCM. 
		Hinweis: Es empfiehlt sich, legen Sie das Fläschchen im Vakuum, um jede restliche Spur von DCM entfernen.</li>
	</ol></li> <li>Beobachtung unter polarisiert optischen Mikroskop (POM) für Phase Übergang Bestimmung <ol><li>sobald die Mischung vollständig trocken ist, legen Sie eine kleine Menge (± 10 mg) zwischen zwei Glasplatten mit planaren Ausrichtung Schicht beschichtet. 
		Hinweis: Um die Phasen richtig charakterisieren, es wird empfohlen, unrubbed planare Glasplatten nutzen.</li>
		<li>Legen Sie die Folien in eine POM, ausgestattet mit einer heißen Phase. Die Zelle erwärmen, bis das Bild schwarz (mit gekreuzten Polarisatoren) wird unter Angabe der isotropen Phase.</li>
		<li>Langsam abkühlen der heißen Platte und beachten Sie die Übergangstemperaturen. Für die oben beschriebene Mischung, isotrope nematische Übergang ist bei 103 ° C und die nematische Smectic Übergang tritt bei 86 ° C ( Abb. 3A).</li>
	</ol></li></ol> 3. Vorbereitung zu Filmen <ol><li>Füllen der Zellen ( Abbildung 1J) <ol><li>Ort der Zelle auf einer heißen Platte mit der Homeotropic Seite nach oben. Stellen Sie die Temperatur auf 110 ° C (isotropen Phase), die Füllung der Zelle zu erleichtern, da die Flüssigkeit in die nematische Phase dünnflüssiger als ist.</li>
		<li>Stellen Teil der feste Mischung auf den Rand der Zelle.</li>
		<li>Der Feststoff schmilzt und die flüssige Mischung fließt durch Kapillarität in der Zelle. Fügen Sie weitere Mischung am Rand, bis die Zelle gefüllt ist.</li>
	</ol></li> <li>Abkühlung auf die nematische Phase und Polymerisation ( Abbildung 1-K) <ol><li>Wenn die Zelle gefüllt ist, langsam abkühlen (5 ° C/min) auf 90 ° C in die nematische Phase sein.</li>
		<li>, Sobald der Film mit der richtigen Temperatur ist die Mischung polymerisieren, indem man sie unter UV-Licht bei 90 ° C für 30 min. 
		Achtung: UV-Licht ist gefährlich, es empfiehlt sich, die Polymerisation in einer geschützten Umgebung führen.</li>
		<li>Ein nach dem Backen Schritt empfiehlt sich, die vollständige Polymerisation des Netzwerks zu gewährleisten. Legen Sie die Zelle auf einer heißen Platte bei 130 ° C für ca. 10 min und langsam auf Zimmertemperatur abkühlen lassen.</li>
	</ol></li> <li>Eröffnung der Zelle und dem Zuschnitt der Probe <ol><li>um die Zelle zu öffnen, setzen eine Rasierklinge in einem Rand und schieben Sie es zwischen den beiden Glasplatten. Die Zelle öffnet sich auf einmal ( Abbildung 1 L).</li>
		<li>, Die Folie abziehen, eine kleine Ecke mit einer Rasierklinge zu heben. Bei Bedarf kann die Glasplatte platziert werden, in heißem Wasser, das Entfernen der Folie ( Abbildung 1 M) zu erleichtern.</li>
		<li>Den Film aus dem Wasser zu entfernen und vorsichtig schälen it.</li>
		<li>Schneiden Sie einen Streifen entlang der molekularen Direktor (reiben Richtung der planaren Seite) des Films mit den folgenden Abmessungen: 4 mm x 2, 5 cm ( Abbildung 1N).</li>
	</ol></li></ol> 4. Selbstoszillation Beobachtung <ol><li>Setup im Labor <ol><li>Clamp Probe eine selbstschließende Pinzette so, dass 1,7 cm des Films kann sich frei bewegen.</li>
		<li>Die Probe senkrecht halten und lenken das Licht emittierende Diode (LED) Strahl (400 mW/cm 2) senkrecht auf die Probe. Das Licht ist in der Regel etwa 20 cm entfernt von der Probe. Das Licht sollte die Spitze des Films, unter die Pinzette ( Abbildung 4). Die Schwingungen erhalten mit einer Highspeed-Kamera (150 Bilder/s) aufgezeichnet und analysiert mit einem Bildbearbeitungsprogramm.</li>
	</ol></li> <li>Setup mit direktem Sonnenlicht <ol><li>wie oben in Schritten 4.1.1 beschrieben vorgehen, aber anstatt das LED-Licht, konzentriert das Sonnenlicht auf den Film mit einem Objektiv.</li>
	</ol></li> <li>Messung der thermischen Wirkung <ol><li>messen die Temperaturschwankungen in der oszillierenden Probe mit einer Wärmebildkamera 15 (40 Bilder/s).</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

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</ol>

Die Autoren haben keinen Interessenkonflikt.

Die hier beschriebenen Ergebnisse sind vergleichbar mit der früheren Studie15 auf einem LC Diacrylate mit einem Abstandhalter von 6 Kohlenstoffatomen. Es zeigt, dass die Methode, um die Schwingung zu erhalten auf Filme mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften16angewendet werden kann.
Die Vorbereitung einer Foto-thermische reagieren LCN wird berichtet. Es gibt ein paar Schritte in das beschriebene Protokoll, die kritisch, wie das Reiben der planaren Ausrichtung Schichten und die Vorbereitung der Zelle sind. In der Tat setzt der Erfolg des Protokolls auf die hohe Qualität der LC Spreizfuß Ausrichtung, die auch die Anwendung dünner Schichten beschränkt.
Bisher haben viele Beispiele für Foto-Aktuatoren basierend auf LCNs, die eine große Menge an Foto-Schalter enthalten gemeldeten11,12,13,19. Die wichtigsten Vorteile der hier entwickelten Methode sind der begrenzten Zahl der Dotierstoffe benötigt, um die Betätigung beobachten (&#60; 5 Gew.-%) und die breite Auswahl der Dotierstoffe verfügbar. 15 diese Ergebnisse erweitern das Spektrum der Anwendungsmöglichkeiten. Die Kraft dieses Protokolls ist darüber hinaus die Möglichkeit, die Frequenz und die Amplitude der Schwingung, die durch eine Änderung der e-Modul des Films mit einer anderen Matrix-Zusammensetzung, die Dimensionen der Streifen und die Lichtintensität variieren.
Dieser Methodik kann leicht erweitert werden, um eine breite Palette von LC Materialien für automatisierte Systeme fertigen. Das Protokoll beschriebenen ebnet den Weg für die Entwicklung der nicht-Gleichgewichts-Systeme für Soft-Robotik und automatisierte Materialien.

Die Suche in Richtung nachhaltige Energie ist ein Bereich von wachsendem Interesse als Reaktion auf die Erschöpfung der fossilen Energie und Klimawandel. Methoden, um Licht-Energie in mechanische Arbeit umwandeln werden derzeit untersucht, wie der Photovoltaik zur Stromerzeugung, Biomasse produzieren Kraftstoffe, solaren Wasserspaltung um Sauerstoff und Wasserstoff zu produzieren. All diese Prozesse angeheizt durch Licht erfordern jedoch mehrere Schritte, bevor ihre Energieproduktion Maschinen ausgeführt werden kann, die Arbeit zu verrichten. Obwohl diese Ansätze eine große Gruppe von Anwendungen anbieten zu können, benötigen sie Produktion, Lagerung und Transport von Zwischenprodukten (z.B. elektrische potential, chemische Energieträger). Daher präsentieren Geräte in der Lage, die Umwandlung von Sonnenlicht in makroskopische Bewegung direkt Vorteile der Vereinfachung.
In den letzten Jahrzehnten wurden viele Beispiele von Foto-Antriebe entwickelt wo Polymere Formänderung bei Bestrahlung1,2,3. Kontinuierliche Betätigung erfordert jedoch in der großen Mehrzahl dieser Beispiele, drehen das Licht ein-/Ausschalten von einem Zustand zum anderen zu wechseln. Bisher wurde nur eine begrenzte Anzahl von Foto-responsive Materialien arbeiten Out-of-Gleichgewicht beschrieben4,5,6,7. Systeme auf Basis von Flüssigkristall-Netzwerke (LCNs)8,9,10,11,12,13 werden auch wegen ihrer intrinsischen untersucht. Anisotropie, das ermöglicht die Verformung in einer kontrollierten Art und Weise14Vorprogrammierung. Vor kurzem wurde berichtet, dass die Foto-thermische Wirkung induziert durch Anregung von Foto-Stabilisatoren gegründet LCN oszillierende Bewegung15erzeugen kann.
Hier wird die Methode zum LCN Filme erstellen, die mechanisch unter kontinuierlicher Lichteinstrahlung oszillieren beschrieben. Die Konzeption der Filme ist von der Vorbereitung der Zellen auf die Charakterisierung und die Polymerisation der LC Mischungen detailliert. Die Foto-Betätigung der LCN-Filme und die Analyse der Bewegung sind auch berichtet. Die LCNs sind dotiert mit Molekülen, die schnell Licht in Wärme innerhalb des Netzwerks abgeführt werden kann die anisotropen Wärmeausdehnung und anschließende makroskopische Deformation des Films induziert. Ein Wechselspiel zwischen Eigenschatten, Temperaturschwankungen und Kontraktion/Dehnung des Materials ergibt sich die oszillierende Bewegung15. Die genaue Einrichtung, einschließlich die Ausrichtung des Lichtes und der Probe um diesen Effekt zu erzielen wird im Protokoll hervorgehoben. Die Oszillation ist zeichnet sich durch seine Frequenz und kontrolliert durch die Eigenschaften der LCN. Nach unserer Kenntnis ist dies die erste Beschreibung einer Methode für die Erstellung von LCN-Filme, die, durch einen einfachen Mechanismus arbeitet mit einer breiten Palette von Dotierstoffe selbst schwingen kann.

<table><tbody><tr><td>Material</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>LC Diacrylat (Verbindung 1: Abbildung 2)</td><td>Syncom</td><td>Custom Synthesis</td><td></td></tr><tr><td>Photostabilisator</td><td>Ciba</td><td>tinuvin 328</td><td></td></tr><tr><td>Photoinitiator</td><td>Ciba</td><td>Irgacure 819</td><td></td></tr><tr><td>Alignment layer planar</td><td>JSR micro</td><td>optimer Al1051</td><td></td></tr><tr><td>Ausrichtungsschicht homöotrop</td><td>Nissan chemische Industrie</td><td>Sunever Klasse 5300</td><td></td></tr><tr><td>Name</td><td>Company<</td><td>strong>Katalognummer</td><td><>Kommentare</td></tr><tr><td>Ausrüstung</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>UV-Ozon-Photoreaktor</td><td>Ultra Violet Produkte, PR-100</td><td>Nicht verfügbar</td><td></td></tr><tr><td>Spin</td><td>Coater Karl-SÜSS</td><td>SUSS RC Spin Coater CT62 V098</td><td></td></tr><tr><td>UV-Licht</td><td>Gentec</td><td>EXFO-Omnicure S2000</td><td></td></tr><tr><td>micropearl</td><td>Sekisui Chemicals</td><td>SP220-20um</td><td></td></tr><tr><td>Glue</td><td>Gentec</td><td>UVS91</td><td></td></tr><tr><td>LED 365 nm</td><td>Thorlabs</td><td>M365LP1</td><td></td></tr><tr><td>Lichtkollimator</td><td>Thorlabs</td><td>SM2F32-A</td><td></td></tr><tr><td>Hochgeschwindigkeitskamera</td><td>PCO.</td><td>PCO 5.5 sCMOS-Kamera</td><td></td></tr><tr><td>Wärmebildkamera</td><td>Xenics Infrarot-Lösung</td><td>Gobi-640-GigE</td><td>in Verbindung mit der Xeneth-Software</td></tr><tr><td>Differenzielles Rasterkalorimeter</td><td>TA-Instrumente</td><td>Q1000</td><td></td></tr><tr><td>Dynamisch-mechanischer Analysator</td><td>TA-Instrumente</td><td>Q800</td><td></td></tr><tr><td>Polarisiertes optisches Mikroskop</td><td>Leica</td><td>DM6000M</td><td></td></tr></tbody></table>

vorbereitung der flüssigkristall-netzwerke für makroskopische oszillierende bewegung, die durch licht induzierten

Preparation of Liquid Crystal Networks for Macroscopic Oscillatory Motion Induced by Light

Eine Strategie, die auf Basis dotierten flüssig kristallinen Netze wird beschrieben, um mechanische selbsttragenden Schwingungen von Kunststofffolien unter kontinuierlicher Lichteinstrahlung zu erstellen. Die Foto-Anregung der Dotierstoffe, die schnell Licht in Wärme abgeführt werden kann zusammen mit anisotropen Wärmeausdehnung und Eigenschatten des Films, gibt Anlass zur autarken Verformung. Die Schwingungen beobachtet werden durch die Abmessungen und das Elastizitätsmodul des Films, und durch die Richtwirkung und Intensität des Lichts beeinflusst. Das entwickelte System bietet Anwendungen in der Energieumwandlung und Ernte für Soft-Robotik und automatisierte Systeme.
Die hier beschriebene allgemeine Methode besteht aus kristallinen Flüssigkeitsfilme freistehende erstellen und Charakterisierung der mechanischen und thermischen Effekte beobachtet. Die molekulare Ausrichtung erfolgt über Ausrichtung Schichten (rieb Polyimid), allgemein verwendet in der Anzeige, die Verarbeitungsindustrie. Um Antriebe mit starker Verformungen zu erhalten, sind die Mesogene ausgerichtet und in eine Spreizung/Biegung Konfiguration, d. h.mit dem Direktor der Flüssigkristalle (LCs) gehen allmählich von planaren Homeotropic durch die Foliendicke polymerisiert. Bei der Bestrahlung werden die mechanischen und thermischen Schwingungen erhalten mit einer Highspeed-Kamera überwacht. Die Ergebnisse werden durch die Bildanalyse mit Bildverarbeitungs-Programm weiter quantifiziert.

Der Erfolg des Protokolls ist die Beobachtung der oszillierenden Bewegung des Films unter Lichteinstrahlung. Schwingungen sind groß und keine irreführenden Ergebnis zu sehen. Darüber hinaus die Schwingungen sind im Laufe der Zeit (Zeitskala Stunden) stabil und wenig Müdigkeit wurde beobachtet.
Unter anderem ist die Qualität der Spreizfuß Ausrichtung von Bedeutung für die Erfüllung der selbsttragenden Betätigung (Abb. 5A). Der Farbverlauf in molekulare Orientierung in der Dicke der Folie induziert eine Kontraktion/Expansion planar/Homeotropic seitlich des dem Film bei Betätigung16,17,18. Diese asymmetrische Reaktion erhöht die makroskopische Bewegung. Das Scheitern des Versuchs (Abwesenheit von biegen, kleine Verformung oder seltsam verbiegen) kann durch eine schlechte LC Ausrichtung erklärt werden. Erstens sollte der Film transparent sein. (Abb. 5 b).  Überprüfen Sie die korrekte Spreizfuß Ausrichtung in einem einfachen Schritt, wird der Film auf dem Glassubstrat befestigt zwischen gekreuzten Polarisatoren über ein diffuses weiße Lichtquelle (Abbildung 5-E) beobachtet. Durch Drehen des Films zwischen dem kreuzen Polarisatoren von 0° bis 45° in der Xy-Ebene, sollte der Film stark Helligkeit ändern. Durch Verschwenken des Films aus dem Flugzeug um die molekularen Regisseur, sollte der Film Farbe von Schwarz (im Flugzeug), weiß (aus Flugzeug) während des Betrachtens von oben ändern. Ähnliche Überprüfungsschritte können vor der Polymerisation erfolgen, durch die Beobachtung der Zelle durch einen Polarisator auf der heißen Platte mit einer Aluminiumfolie bedeckt. Außerdem, wenn der Film in Streifen geschnitten wird, stellt es eine natürliche Krümmung mit der Mitte der Kurve in der Homeotropic-Seite. Dies ist auf die Restspannung mit Ursprung aus der Polymerisation bei erhöhter Temperatur, wo die Erweiterungen der beiden Seiten des Films entgegengesetzte Vorzeichen (Abb. 6A haben). Für den Fall, dass die Ausrichtung nicht erfolgreich ist, sollte die Methode zum Vorbereiten der Polyimid-Schichten überdacht werden. Die Produktion dieser Zellen ist entscheidend für die gut abgestimmten Filme zu erhalten. Die wichtigste Schritt ist das reiben: ein zu starker Druck auf die Platte werden teilweise die Polyimid entfernen Schicht und eine sehr schlechte Beherrschung Schicht für Ausrichtung zur Folge. Bei Raumtemperatur ist der Film in den Glas-Zustand (Abb. 3 b). Wenn die Folie weich und klebrig ist, bedeutet dies, dass die Polymerisation nicht, wahrscheinlich abgeschlossen ist weil die Bestrahlungszeit zu kurz ist oder der Initiator wird abgebaut. Die Mischung aus LC Mesogene sollte homogen und trocken sein, bevor die Füllung der Zelle, weil das Vorhandensein des Lösungsmittels das Phasenverhalten der LC Mischung beeinflussen könnten. Die LC-Mischung sollte vor der Polymerisation ausgerichtet werden. Vorsichtsmaßnahmen sollten getroffen werden, thermische Polymerisation während des Prozesses der Ausrichtung zu vermeiden, indem Sie durch die Schritte schnell und heizt nicht die Probe über 130 ° C über einen längeren Zeitraum. Füllt die Zelle oberhalb der Clearing-Stelle ist ausreichend (110 ° C).
Die mechanischen und thermischen Schwingungen, die durch die High-Speed-Kamera registriert bestätigen den Erfolg des vorgestellten Protokoll (Abbildung 7; Video 1). Wenn der Film an einem Ende eingespannt ist, Zurückbiegungen so dass 1,7 cm frei bewegen und bestrahlten planar seitlich mit gebündelte Licht, es auf den flachen Zustand in die Richtung des Lichts (Abb. 6 b). Das Scharnier befindet sich an der Position des Fokus-Punkt des Lichtes (Abbildung 4). Der Film sollte reibungslos, senkrecht an der Klemme und nicht auf der Seite bewegen. Dann beginnt der Film kontinuierlich mit Schwingungen der Frequenz 7,6 Hz ± 5 % und Amplitude 30° ± 10 % für einen Film von Dimensionen 1,7 cm x 0,4 cm x 20 µm zu bewegen. Die thermische Schwingungen gemessen mit der Wärmebildkamera vorhanden die gleiche Frequenz (7,4 Hz ± 5 %), mit einer leichten Phase Verzögerung aufgrund der Trägheit des Films. Diese Frequenz f richtet sich nach den Abmessungen und der Modulus der Film15. Die Amplitude der Schwingungen mit der Lichtintensität variiert und wird durch das Setup und insbesondere die Positionierung der Brennpunkt des Lichts auf der Probe beeinflusst werden. Der Mechanismus der Oszillation ist wie folgt: 1) die gekräuselte Film mit Licht bestrahlt wird, den Dotierstoff absorbiert das Licht und wandelt es in Wärme, der Film auf dem Scharnier erwärmt und Zurückbiegungen in die Richtung, das vordefiniert durch die LC-Ausrichtung; (2) die Spitze Schatten das Scharnier des Films, die einen Rückgang der seine Temperatur und seine anschließende Entfaltung durch Entspannung induziert; (3) das Scharnier ist wieder unter Bestrahlung, erwärmt sich und der Film beugt15. Die Wiederholung dieser aufeinanderfolgenden Schritte ergibt sich die Schwingungen. Die Schlüsselfaktoren bei der Beobachtung dieses Phänomens sind die Foto-thermische Wirkung und Eigenschatten des Films, gesteuert durch die Intensität und die Position der das gebündelte Licht (Abbildung 4). Beispielsweise wird eine leicht geneigte Lampe eine komplette Eisstockschießen der Probe induzieren. Außerdem, zu niedrig eine Lichtintensität tut nicht geben große biegen, da die Temperatur am Scharnier nicht ausreicht, während zu hohe Lichtintensität auf dem Scharnier Überschwingen induzieren wird (Abbildung 6, 180 ° Biegung des Films). Eine weitere Voraussetzung für den Erfolg des Experiments ist das Setup in einer Umgebung, die windgeschützt, Störung zu vermeiden.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56266/56266fig1.jpg"> 
Abbildung 1. Das gesamte Verfahren um die Spreizung zu erhalten ausgerichtet LCN in 14 Stufen (von A-N). Schritte A–C: Reinigung von Glasplatten; D–GSchritte: Beschichtung von Glasplatten planar erstellen oder Homeotropic Ausrichtung Schichten; Schritt H: Reiben der Glasplatten mit einem Samttuch; Schritt ich: kleben die Platten zu der Zelle; Schritt J: füllen die Zelle mit der LC-Mischung und Ausrichtung in die nematische Phase; Schritt K: Foto-dadurch unter UV-Licht; L–NSchritte: Öffnen der Zelle und des Films zu einem Streifen schneiden. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56266/56266fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56266/56266fig2.jpg"> 
Abbildung 2. Chemische Strukturen der verwendeten Komponenten. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56266/56266fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56266/56266fig3.jpg"> 
Abbildung 3. Thermische Charakterisierung der Monomer-Mischung und die Polymerfolie. Ein) Differential scanning Calorimüberwinden (DSC) der Mischung vor der Polymerisation zu bestimmen, die Phasenübergänge. Einsätze: POM Bilder, Maßstabsleisten: 100 µm. B) dynamische mechanische Thermoanalyse (DMTA) Messung von Polymeren Film. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56266/56266fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56266/56266fig4.jpg"> 
Abbildung 4. Bild von der Einrichtung zeigt die LED auf der linken Seite und die oszillierende Film auf die Pinzette vor die Lichtquelle geklemmt. Der Inset zeigt die schematische Darstellung des gebogenen Films und die lokalisierte Beleuchtung. Der rote Bereich entspricht das warme Scharnier im Text erwähnt. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56266/56266fig4large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56266/56266fig5.jpg"> 
Abbildung 5. ( A) schematische Darstellung der Spreizfuß Ausrichtung. B) Bild von der Glas-Zelle vor der TU/e-Logo zeigen die Transparenz und die Abwesenheit von Farbe des Films. Der Pfeil gibt die Richtung der Reibung der planaren Glasplatte. C - E) Bilder des Films zwischen gekreuzten Polarisatoren zeigt die Merkmale der Spreizfuß Achse (Bild D: Drehung von 45 ° in der XY-Ebene, Bild E: schwenkbare aus der Xy-Ebene). Die molekulare Direktor der Achse wird durch den roten Pfeil angezeigt. Maßstab: 1 cm. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56266/56266fig5large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56266/56266fig6.jpg"> 
Abbildung 6. A) Bild des Films mit einer Pinzette zeigt eine natürliche Krümmung mit der Mitte der Kurve in der Homeotropic-Seite geklemmt. B) Bild des Films zu einem flachen Zustand auf Foto-Bestrahlung (365 nm, 0,52 W/cm2). ( C) Bild eines Films bestrahlt mit zu hoher Lichtintensität zeigt eine Biegung um 180°. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56266/56266fig6large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56266/56266fig7.jpg"> 
Abbildung 7. Mechanische Schwingungen von der Spitze des Films im Laufe der Zeit während der Bestrahlung mit UV-Licht (LED 365 nm, 0,52 W/cm2). Einsätze: Screenshots von bewegender Film mit High-Speed-Kamera aufgenommen. Die Film-Geometrie ist 1,7 cm (Länge) x 0,4 cm (Breite) x 20 µm (dick). <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56266/56266fig7large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56266/56266fig8.jpg"> 
Abbildung 8. Thermische Schwingungen der exponierten Bereich (Scharnier) im Laufe der Zeit während der Bestrahlung mit UV-Licht (LED 365 nm, 0,52 W/cm2). Einsätze: Screenshots von der oszillierenden Film mit dem Temperaturprofil registriert mit der Wärmebildkamera zeigt die Veränderungen der Temperatur am Scharnier. Die Film-Geometrie ist 1,7 cm (Länge) x 0,4 cm (Breite) x 20 µm (dick). <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56266/56266fig8large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>

Das Ziel des Protokolls ist die Schaffung flüssig kristallinen Polymerfolien, die mechanisch unter kontinuierlicher Lichteinstrahlung schwingen kann. Wir beschreiben ausführlich die Konzeption der freistehende Filme, von der Flüssigkristall-Ausrichtungsmethode, um die Foto-Betätigung. Das experimentelle Protokoll angewendet, um dieses Material zu bereiten ist breit anwendbar.

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

A strategy based on doped liquid crystalline networks is described to create mechanical self-sustained oscillations of plastic films under continuous ...

Das übergeordnete Ziel dieses experimentellen Protokolls besteht darin, flüssigkristalline Netzwerke herzustellen, die unter kontinuierlicher Bestrahlung mit Licht mechanische Oszillationen zeigen. Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen der Materialwissenschaft zu beantworten, beispielsweise, wie kontinuierliche mikroskopische Bewegungen erzielt werden können, was potenzielle Anwendungen in der weichen Robotik und in automatisierten Systemen ermöglicht. Der Hauptvorteil dieser Technik liegt darin, dass ihre Verfahren und Methoden in der Spreizfolien-Herstellungsindustrie weit verbreitet sind und kommerziell verfügbare Chemikalien verwendet werden.Reinigen Sie zunächst drei mal drei Zentimeter große Glasplatten sorgfältig mit Seife und heißem Wasser, um Verunreinigungen zu entfernen. Geben Sie die Glasplatten in ein Becherglas mit Ethanol. Stellen Sie dann das Becherglas für etwa 10 Minuten in ein Ultraschallbad.Danach die Glasplatten vorsichtig mit einem Tuch und einer Luftpistole trocknen. Stellen Sie sicher, dass keine Spuren von Lösungsmittel, Staub oder anderen Verunreinigungen auf den Platten zurückbleiben. Legen Sie die Glasplatten zur Entfernung organischer Rückstände 20 Minuten lang in einen UV-Ozon-Photoreaktor.Nach der Ozonbehandlung Luft auf eine der Glasplatten blasen und sie auf einen Spin-Beschichter legen. Anschließend etwa 0,5 Milliliter Polyamidlösung auf die Glasplatte geben, um die gesamte Oberfläche zu bedecken. Die Ausrichtungsschicht unter den folgenden Bedingungen spin-beschichten.Nach dem Spin-Coating die Glasplatten auf der nicht beschichteten Seite mit deutlichen Markierungen versehen, um die homeotrope und die planare Ausrichtungsschicht zu identifizieren. Die beschichtete Glasplatte 10 Minuten lang auf eine Heizplatte bei 110 Grad Celsius stellen, um den Großteil des im Ausrichtungsschichtgemisch enthaltenen Lösungsmittels zu entfernen. Sobald alle Glasplatten beschichtet sind, sie eine Stunde lang in einen Ofen bei 180 Grad Celsius geben, um die Polyamidschicht auszuhärten.Um Mikrokanäle auf den beschichteten Glasplatten zu erzeugen, stellen Sie jede ebene Fläche mit der beschichteten Seite nach unten auf ein Samttuch. Üben Sie mit zwei Fingern einen gleichmäßigen und sanften Druck aus. Ziehen Sie die Glasplatte vorsichtig in gerader Richtung über die Oberfläche des Samttuchs.Danach Luft auf die Glasplatte blasen. Anschließend einen Klebstoff herstellen, indem ein UV-härtender Kleber mit Glaskügelchen mit einem genau definierten Durchmesser von 20 Mikrometern gemischt wird. Zwei winzige Klebstofftropfen an zwei benachbarten Ecken einer mit einer planaren Ausrichtungsschicht beschichteten Glasplatte platzieren.Danach zwei weitere Tropfen Klebstoff etwa fünf Millimeter von den anderen beiden Ecken entfernt auftragen. Die mit einer homeotropen Ausrichtungsschicht beschichtete Glasplatte auf die erste Glasplatte legen, wobei ein Abstand von etwa vier Millimetern zwischen den Kanten der Platten verbleibt, um ausreichend Platz für die LC-Mischung zu schaffen. Anschließend den Klebstoff dadurch aushärten, dass die beiden Glasplatten oder die Zelle zwei Minuten lang UV-Licht ausgesetzt werden.Platzieren Sie die Zelle mit der homöotropen Seite nach oben auf eine Heizplatte. 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. Geben Sie nun einen Teil der LC-Mischung an den Rand der Zelle, sodass das feste Material schmilzt und die flüssige Mischung durch Kapillarwirkung in die Zelle fließt.Fügen Sie weitere Mischung am Rand hinzu, bis die Zelle vollständig 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 bei dieser Temperatur 30 Minuten lang UV-Licht aussetzen.Nach der Polymerisation das Gefäß etwa 10 Minuten lang auf eine Heizplatte bei 130 Grad Celsius stellen. Nachdem das Gefäß auf Raumtemperatur abgekühlt ist, öffnen Sie es, indem Sie eine Rasierklinge an einer Kante ansetzen und zwischen die beiden Glasplatten schieben. Zum Ablösen des Films heben Sie die Ecken mit der Rasierklinge an.Lösen Sie vorsichtig die Folie von der Glasplatte. Schneiden Sie anschließend einen Streifen entlang des molekularen Richtungsvektors der Folie ab. Befestigen Sie dann die Filmprobe mithilfe einer selbstschließenden Pinzette so, dass 1,7 Zentimeter der Folie beweglich bleiben.Halten Sie die Probe vertikal und richten Sie einen Strahl einer Leuchtdiode senkrecht zur Probe, um die Selbstoszillation zu beobachten. Die beobachtete oszillatorische Bewegung des Films unter Lichtbestrahlung wird im vorgestellten Protokoll demonstriert, und die Qualität der Spreizausrichtung ist wichtig für die selbstständige Aktuation. Der Film sollte transparent sein.Um die korrekte Splay-Ausrichtung zu überprüfen, wird der Film, der auf dem Glas-Substrat befestigt ist, zwischen gekreuzten Polarisatoren über einer diffusen weißen Lichtquelle beobachtet. Wenn der Film in Streifen vorliegt, zeigt er eine natürliche Krümmung mit dem Krümmungszentrum auf der homeotropen Seite, was auf die Restspannung zurückzuführen ist, die aus der Polymerisation entsteht. Die mechanischen und thermischen Oszillationen, die mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgezeichnet werden, bestätigen den Erfolg des Protokolls.Wenn der Film eingespannt ist, richtet er sich in Richtung des Lichts in Richtung des flachen Zustands auf. Der Film beginnt sich dann kontinuierlich mit mechanischen und thermischen Schwingungen zu bewegen. Die Schlüsselfaktoren zur Beobachtung dieses Phänomens sind der photothermische Effekt und der durch die Intensität und Position des Lichts gesteuerte Selbstschattenwurf des Films.Zu geringe Lichtintensität führt nicht zu einer starken Biegung, da die Temperatur an der Scharnierstelle unzureichend ist, während zu hohe Lichtintensität an der Scharnierstelle ein Überschwingen verursachen kann. Wenn man die Technik einmal beherrscht, kann sie in vier Stunden durchgeführt werden, sofern sie ordnungsgemäß ausgeführt wird. Bei Durchführung dieses Verfahrens ist es wichtig, die Ausrichtung der flüssigkristallinen Phase vor der Polymerisation zu überprüfen, um stabile Oszillation sicherzustellen.Die Stärke dieses Protokolls liegt in der Möglichkeit, die Frequenz und Amplitude der Oszillation durch Änderung der Filmdicke und der Lichtintensität zu variieren. Nach ihrer Entwicklung ebnete diese Methode Forschern auf dem Gebiet der Materialwissenschaft den Weg, andere Gleichgewichtsbewegungen in weicher Materie zu erforschen. Nach dem Anschauen dieses Videos sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man ein ausgerichtetes flüssigkristallines Netzwerk präpariert, um ein lichtempfindliches Film herzustellen.Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit Licht äußerst gefährlich sein kann und UV-Schutzbrillen während dieser Experimente stets getragen werden sollten.

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Research

Forschung

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Engineering

Ingenieurwesen

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