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

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.