Engineering

नि: शुल्क फार्म लाइट actuators - निर्माण और actuation का नियंत्रण सूक्ष्म पैमाने में

Published: May 25, 2016 doi: 10.3791/53744

Hao Zeng¹, Piotr Wasylczyk², Camilla Parmeggiani^1,3, Daniele Martella^1,4, Diederik Sybolt Wiersma¹

¹European Labratory for Non-Linear Spectroscopy, University of Florence, ²Institute of Experimental Physics, Faculty of Physics, University of Warsaw, ³CNR-INO, ⁴Chemistry Department, University of Florence

Abstract

तरल क्रिस्टलीय elastomers (LCEs) स्मार्ट बाहरी उत्तेजनाओं के जवाब में प्रतिवर्ती आकार-परिवर्तन करने में सक्षम सामग्री रहे हैं, और कई क्षेत्रों में शोधकर्ताओं का ध्यान आकर्षित किया है। अध्ययन के अधिकांश स्थूल एलसीई संरचनाओं पर (फिल्मों, फाइबर) ध्यान केंद्रित करने और उनके miniaturization अपनी प्रारंभिक अवस्था में है। हाल ही में, लिथोग्राफी तकनीक विकसित उदा।, मुखौटा जोखिम और प्रतिकृति मोल्डिंग, केवल एलसीई पतली फिल्मों पर 2 डी संरचनाओं बनाने के लिए अनुमति देते हैं। प्रत्यक्ष लेजर लेखन (डीएलडब्ल्यू) सूक्ष्म पैमाने में वास्तव में 3 डी निर्माण के लिए उपयोग खोलता है। हालांकि, प्रवर्तन टोपोलॉजी और एक ही लंबाई के पैमाने पर गतिशीलता को नियंत्रित करने के लिए एक चुनौती बनी हुई है।

इस पत्र में हम लिक्विड क्रिस्टल (नियंत्रण रेखा) मनमाना तीन आयामी आकार के एलसीई microstructures में आणविक संरेखण को नियंत्रित करने के लिए एक विधि पर रिपोर्ट। यह दोनों एलसीई संरचनाओं के लिए प्रत्यक्ष लेजर लेखन का एक संयोजन के साथ ही उत्प्रेरण micrograting पैटर्न के लिए संभव बनाया गया थास्थानीय नियंत्रण रेखा संरेखण। झंझरी पैटर्न के कई प्रकार के विभिन्न नियंत्रण रेखा संरेखण, जो बाद में एलसीई संरचनाओं में नमूनों किया जा सकता लागू करने के लिए इस्तेमाल किया गया। इस प्रोटोकॉल इस प्रकार कई functionalities के लिए सक्षम किया जा रहा है, एक इंजीनियर कई ऑप्टो यांत्रिक प्रवर्तन प्रदर्शन करने में सक्षम संरेखण के साथ एलसीई microstructures प्राप्त करने के लिए अनुमति देता है। एप्लीकेशन ट्यून करने योग्य फोटोनिक्स, सूक्ष्म रोबोटिक्स, प्रयोगशाला पर चिप प्रौद्योगिकी और दूसरों के खेतों में सोच जा सकता है।

Introduction

Microactuators सूक्ष्म संरचनाओं कि एक और तंत्र या व्यवस्था के संचालन के लिए बाहरी ऊर्जा संचारित कर सकते हैं। कॉम्पैक्ट आकार और रिमोट कंट्रोल की क्षमता के कारण, वे व्यापक रूप से प्रयोगशाला पर चिप सिस्टम ^1, सूक्ष्म संवेदन ^2, और सूक्ष्म रोबोटिक्स ³ में इस्तेमाल किया गया है। Actuators तिथि करने के लिए उपलब्ध इस तरह के एक हाइड्रोजेल मैट्रिक्स ⁴ में सूजन / ढहने, संकुचन / बाहरी क्षेत्र के साथ एक ही दिशा में ⁵ झुकने के रूप में केवल सरल क्रियाओं, प्रदर्शन कर सकते हैं। हालांकि हाल ही में विकसित तकनीक सूक्ष्म पैमाने actuating संरचनाओं ⁶ निर्माण करने के लिए सक्षम है, यह अभी भी एक ही लंबाई के पैमाने में इन actuations नियंत्रित करने के लिए एक बड़ी चुनौती है। यह पत्र एक विधि रिपोर्ट तैयार करने के लिए 3 डी प्रकाश चलाया प्रवर्तन गुणों के साथ microstructures को सक्रिय करें। तकनीक प्रत्यक्ष लेजर लेखन (डीएलडब्ल्यू) पर आधारित है, और यह तरल क्रिस्टलीय elastomers (LCEs) में प्रदर्शन किया है।

LCEs sof हैंटी पॉलिमर इलास्टोमेर और तरल क्रिस्टलीय उन्मुखीकरण की संपत्ति तलाशी। (- 400% 20) बाहरी उत्तेजनाओं ⁷ के विभिन्न प्रकार के तहत इन सामग्रियों को बड़ी विकृति में सक्षम हैं। Microactuators के लिए LCEs उपयोग करने का लाभ संरचनाओं में इंजीनियरिंग आणविक आदेश है, जो सूक्ष्म पैमाने ⁸ में प्रवर्तन नियंत्रित करने के लिए अनुमति देता है की सुविधा है। नियंत्रण रेखा monomers acrylate आधा भाग के साथ संश्लेषित कर रहे हैं, एक एकल कदम तस्वीर-polymerization सक्षम करने से। इस संपत्ति के लिए 3 डी microstructures के निर्माण के लिए पत्थर के छापे तकनीक के विभिन्न प्रकारों के लिए पहुँच देता है। तस्वीर उत्तरदायी अणुओं के रूप में azo-रंगों सह polymerization की प्रक्रिया से बहुलक नेटवर्क से जुड़े हुए हैं। इस तरह के अणुओं प्रणाली affording प्रकाश नियंत्रित विरूपण के प्रकाश प्रेरित हीटिंग के साथ अपने मजबूत प्रकाश प्रतिक्रिया करने की क्षमता (सीआईएस isomerization करने के लिए ट्रांस) गठबंधन।

डीएलडब्ल्यू एक सहज materi में बहुलक संरचनाओं प्राप्त करने के लिए एक तकनीक हैएक लेजर बीम ध्यान केंद्रित ⁹ के स्थानिक नियंत्रण द्वारा अल। डीएलडब्ल्यू आणविक संरेखण ⁶ खोने के बिना एलसीई में 3 डी मुक्त रूप संरचनाओं के निर्माण के लिए सक्षम बनाता है। वहाँ एलसीई microactuators के निर्माण में डीरेका के कई फायदे हैं। सबसे पहले, संकल्प submicron पैमाने तक पहुँच सकते हैं, और संरचनाओं वास्तव में 3 डी ⁶ हैं। पहले की रिपोर्ट एलसीई सूक्ष्म निर्माण विधियों, उदा।, लगभग 10 माइक्रोन और केवल करने के लिए नीचे प्रदान की संकल्प नकाबपोश जोखिम ¹⁰ और मोल्डिंग ¹¹ प्रतिकृति, 2 डी ज्यामिति की है। दूसरे, डीएलडब्ल्यू एक गैर संपर्क निर्माण की प्रक्रिया है। एक उपयुक्त विलायक उच्च गुणवत्ता के लिए बनाया गया विन्यास को बनाए रखने संरचनाओं का विकास कर सकते हैं। प्रतिकृति मोल्डिंग तकनीक शायद ही कभी उप माइक्रोन संकल्प ¹² देता है और संरचनात्मक गुणवत्ता को नियंत्रित करने के लिए कठिन है। तीसरा, लेजर लेखन सूक्ष्म पैमाने ^8,13 पर स्थानीय नियंत्रण रेखा उन्मुखीकरण के लिए बहुमुखी विकल्प प्रदान करता है। नियंत्रण रेखा की ओर रुख तकनीक के विभिन्न प्रकार के अलावा, मलाई राज्यमंत्री हैनियंत्रण रेखा के अणुओं बोध कराता है कारगर तरीका टी और व्यापक रूप से एलसीई पतली फिल्म की तैयारी में इस्तेमाल किया गया है। यह आम तौर पर बहुलक परतों पर मलाई एक सेल नियंत्रण रेखा monomers द्वारा घुसपैठ की भीतरी सतहों पर microgrooves उत्पन्न करने के द्वारा हासिल किया गया है। सतह प्रस्तोता प्रभाव के कारण, ऐसे microgrooves नाली दिशा के साथ नियंत्रण रेखा अणु-बोध करने में सक्षम हैं। डीरेका में बहुत अधिक सटीकता के साथ पूर्व डिजाइन दिशा में चयनित क्षेत्र पर उन microgrooves के प्रत्यक्ष निर्माण में सक्षम बनाता है। इन सभी सुविधाओं को डीरेका निर्माण और सूक्ष्म पैमाने में प्रवर्तन के नियंत्रण के लिए एक सही, अद्वितीय तकनीक बनाते हैं।

डीएलडब्ल्यू के आधार पर, एलसीई microstructures अलग आणविक झुकाव के साथ नमूनों की जा सकती है। एक भी एलसीई ढांचे के भीतर यौगिक संरेखण के साथ, multifunctional actuations संभव हो जाते हैं। विधि नियंत्रण रेखा मोनोमर मिश्रण के किसी भी प्रकार के साथ एलसीई microactuators के निर्माण के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। आगे केमिकल इंजीनियरिंग करके, इसे बनाने के लिए संभव हैअन्य प्रोत्साहन सूत्रों के संवेदनशील actuators, उदा।, नमी या अलग अलग तरंग दैर्ध्य में रोशनी।

Protocol

नोट: इस प्रोटोकॉल तीन चरणों में शामिल हैं: आईपी एल नियंत्रण रेखा आणविक उन्मुखीकरण के लिए तैयारी झंझरी, एलसीई और प्रकाश प्रवर्तन लक्षण वर्णन में डीरेका। प्रत्यक्ष लेजर लेखन प्रणाली के योजनाबद्ध, चित्रा 1 में दिखाया गया है, जबकि सूक्ष्म हेरफेर प्रणाली चित्रा 5 में दिखाया गया है।

1. आईपी एल झंझरी पैटर्न तैयारी

एक माइक्रोस्कोप कवर स्लाइड (व्यास में 3 सेमी) बाहर ले लो, और एसीटोन का उपयोग कर लेंस ऊतकों के साथ यह साफ।
गिलास स्लाइड के 3 अलग अलग अंक अपने केंद्र से लगभग 0.5 सेमी की दूरी पर एक धातु टिप की मदद से कुछ spacers (कांच microspheres) रखें।
spacers के शीर्ष पर एक और खुर्दबीन स्लाइड (व्यास में 1 सेमी) रखें। एक टिप का उपयोग ऊपरी गिलास स्लाइड के शीर्ष पर धीरे दबाएँ।
क्रमशः ऊपरी कांच की सीमा पर तीन अलग-अलग बिंदुओं पर एक बूंद (लगभग 2 μl) यूवी-इलाज गोंद की जगह है।
इससे पहले गोंद बहुत ज्यादा int प्रवेशओ अंतर है, पराबैंगनी प्रकाश का उपयोग गोंद जमना। सेल अब गठन किया है।
सेल एक पिपेट का उपयोग की सीमा पर एक बूंद (लगभग 10 μl) आईपी एल राल की जगह है। कुछ मिनट के लिए प्रतीक्षा करें जब तक तरल सेल के पूरे क्षेत्र में घुसपैठ की है।
गोंद का प्रयोग नमूना धारक पर सेल को ठीक करने और प्रत्यक्ष लेजर लेखन प्रणाली में जगह के लिए।
एक 100X उद्देश्य चुनें, और ऊपरी भीतरी सतह पर इंटरफेस है, इस सतह पर झुकाव सुधार के द्वारा पीछा पाते हैं।
एक लेजर शक्ति और 6 मेगावाट की स्कैन की गति और 60 माइक्रोन / सेकंड के साथ बनाया गया आईपी एल झंझरी पैटर्न के ढांचे लिखें, क्रमशः। झंझरी पैटर्न आईपी एल वक्र या सीधे लाइनों से बनते हैं।
दोहराएँ 1.8 और 1.9 कम भीतरी सतह पर कदम।
सेल से बाहर ले लो, और 12 के लिए, सेल खोलने के बिना एक 2-propanol स्नान में नमूना विसर्जित - 24 घंटा।
विलायक से सेल से बाहर ले लो, और गर्म प्लेट (50 डिग्री सेल्सियस) 10 के लिए पर सूखी - 20 मिनट।

2. एलसीई Microstructure निर्माण

संतुलन पर उपाय ~ 300 मिलीग्राम मोनोमर मिश्रण। तालिका 1 में आणविक संरचना देखें।
एक कांच की बोतल के अंदर तैयार मिश्रण डाल दिया, और 70 पर एक गर्म थाली सेट पर डाल - 80 डिग्री सेल्सियस।
, सभी पाउडर पिघला देता है जब तक रुको एक चुंबकीय उत्तेजक जोड़ने के लिए, और 1 घंटे के लिए मिश्रण मिश्रण (90 - 150 rpm)।
60 डिग्री सेल्सियस पर गर्म थाली पर सेल रखें।
एक बूंद (लगभग 20 μl) मिश्रण के छोटे गिलास स्लाइड के किनारे पर रखें और जब तक तरल सेल में पैठ प्रतीक्षा करें।
एक पार polarizer और एक तापमान नियंत्रक के साथ ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप के लिए सेल हस्तांतरण। स्थानांतरण के दौरान अंधेरे में सब कुछ रखना, और यूवी फिल्टर करने के लिए बाहर रोशनी दीपक से पहले एक नारंगी फिल्टर डाल दिया।
माइक्रोस्कोप पर एक तापमान नियंत्रक का उपयोग करके 60 डिग्री सेल्सियस से ऊपर सेल के तापमान में वृद्धि, तो तापमान में कमी (2 - 10 डिग्री सेल्सियस प्रति मिनट), नियंत्रण रेखा चरण के लिए तापमान रेंज को मापने के लिए। विभिन्न आणविक संरचना के साथ एक मिश्रण एक अलग नियंत्रण रेखा चरण तापमान है। एक अच्छा सजातीय Nematic नियंत्रण रेखा चरण छवि के विपरीत उलटा का अवलोकन करते हुए polarizer धुरी के संबंध में नमूना हर 45 डिग्री घूर्णन द्वारा मान्यता प्राप्त किया जा सकता है।
, नमूना धारक पर सेल फिक्स डीएलडब्ल्यू प्रणाली में यह जगह है, और तापमान नियंत्रण रेखा चरण तक पहुंचने के लिए सेट (कदम 2.7 में मापा जाता है)।
कम भीतरी सतह पर इंटरफेस का पता लगाएं और इंटरफेस खोजने के बिना एक 100X उद्देश्य है, या एक 10x उद्देश्य का उपयोग झुकाव सुधार प्रदर्शन करते हैं।
100X उद्देश्य का उपयोग करके एक लेजर शक्ति और 4 मेगावाट की स्कैन की गति और कम गिलास स्लाइड पर 60 माइक्रोन / सेकंड के साथ डीरेका के उपयोग के द्वारा एलसीई संरचनाओं लिखें। अन्यथा, 10X उद्देश्य (एलसीई संरचना पूरे नमूना मोटाई भर में निर्मित है) का उपयोग करके एक लेजर शक्ति और 14 मेगावाट की स्कैन की गति और 60 माइक्रोन / सेकंड के साथ उपयोग करें।
सेल से बाहर ले लो, और करने के लिए एक ब्लेड का उपयोगसेल ऊपरी गिलास स्लाइड हटाने खुला।
5 मिनट के लिए एक टोल्यूनि स्नान में संरचनाओं विसर्जित कर दिया।
10 मिनट के लिए नमूना है, और हवा में सूखे बाहर ले जाओ।

3. एलसीई Microstructures के प्रकाश Actuation की विशेषता

ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप (20X) में नमूना प्लेस और एक लेजर बीम ध्यान केंद्रित - संरचनाओं पर 10X उद्देश्य से (सीडब्ल्यू, 532 एनएम, 50 500 मेगावाट)।
ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप CMOS कैमरा (फ्रेम दर 25.8 एफपीएस) द्वारा प्रकाश प्रेरित विरूपण का निरीक्षण करें।
एक स्थिति एलसीई microstructures के करीब पर कांच टिप डाल करने के लिए सूक्ष्म हेरफेर प्रणाली (चित्रा 5) के मैनुअल नियंत्रण का प्रयोग करें।
कम बिजली (~ 20 मेगावाट) लेजर पर स्विच, आदेश (प्रकाश के अवशोषण के कारण) एलसीई के तापमान में वृद्धि, और इस तरह नरम करने के लिए संरचना में।
एक एलसीई microstructure लेने के लिए एक गिलास टिप का उपयोग करें, और हवा में पकड़। इस प्रक्रिया को कांच की सतह से आसंजन से बचने के लिए की जरूरत है।
तुनउच्च शक्ति (> 100 मेगावाट) के लिए लेजर ई, और एलसीई संरचना ख़राब निरीक्षण करते हैं।
माइक्रोस्कोप कैमरा के साथ प्रकाश प्रेरित विरूपण रिकॉर्ड।

Representative Results

चित्रा 1 लेजर लेखन के लिए ऑप्टिकल सेट दिखाता है। प्रणाली एक 780 एनएम लेजर फाइबर 100 मेगाहर्ट्ज की पुनरावृत्ति दर पर 130 FSEC पल्स पैदा होते हैं। लेजर बीम ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप उद्देश्य एपर्चर जहां यह नमूना में ध्यान केंद्रित किया है करने के लिए बीम प्रोफ़ाइल को समायोजित करने के लिए एक दूरबीन में दिखाई देता है। माइक्रोस्कोप पर, एक 3 डी पीजो चरण 2 एनएम संकल्प पर 100 माइक्रोन / सेकंड की अधिकतम गति के साथ नमूना अनुवाद के लिए एक 300 × 300 × 300 माइक्रोन ³ यात्रा श्रृंखला के साथ स्थापित किया गया है। एक लाल दीपक से Linearly ध्रुवीकृत प्रकाश ऊपर से नमूना illuminates है, जबकि छवि एक ही उद्देश्य से तल पर एकत्र की है और एक सीसीडी कैमरे में एक बीम फाड़नेवाला से परिलक्षित होता है। कैमरे के सामने, एक और polarizer बढ़ाया विपरीत के लिए पार ध्रुवीकरण रोशनी प्राप्त करने के लिए प्रयोग किया जाता है।

चित्रा 2 स्कैनिंग चुनाव से पता चलता हैTron माइक्रोस्कोप (SEM) लेजर की छवियों को लिखा आईपी एल micrograting पैटर्न (चरण 1)। 1200 एनएम, जबकि खांचे (ऊपर से घाटी) की ऊंचाई लगभग 700 एनएम है - नाली रिक्ति 400 की रेंज में है। अलग झुकाव के साथ झंझरी पैटर्न अलग नियंत्रण रेखा संरेखण पैदा कर सकते हैं, एलसीई तत्व के वांछित प्रवर्तन पर निर्भर करता है।

चित्रा 3 नियंत्रण रेखा मोनोमर उन्मुखीकरण आईपी एल झंझरी पैटर्न (चरण 2.7) द्वारा प्रेरित पता चलता है। सबसे पहले, प्रत्येक के साथ 100 × 100 माइक्रोन ² आकार सूक्ष्म झंझरी पैटर्न के चार प्रकार एक गिलास सेल (रेखाचित्र के रूप में चित्रा 3 ए में दिखाया गया है) के विपरीत दिशा में गढ़े गए थे। सतह प्रस्तोता के कारण, घुसपैठ नियंत्रण रेखा monomers झंझरी लाइनों दिशा के साथ-साथ उन्मुख किया गया है, इस प्रकार 45 डिग्री ध्रुवीकृत ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप (पोम) छवि (चित्रा 3 बी) में इसके विपरीत उलटा प्रदर्शन।

चित्रा 4 एक एलसीई नैनो डॉट / लाइन अलग अभिविन्यास (2.10 कदम) के साथ आईपी एल झंझरी नेटवर्क पर गढ़े के SEM छवियों से पता चलता। झंझरी नेटवर्क के भीतर, एलसीई संरचनाओं बन अधिक टोल्यूनि में विकास के लिए बहुत अधिक प्रतिरोध के साथ, ही सीमित है। काट दिया एलसीई की एक न्यूनतम चौड़ाई ~ 300 एनएम, जो डीएलडब्ल्यू के संकल्प झंझरी पैटर्न के बिना के साथ संगत है हो मापा गया है। फोटोनिक आवेदन के लिए एक और दिलचस्प दृष्टिकोण बड़े पैमाने पर आवधिक संरचना की प्राप्ति हो सकती है। चित्रा 4 (ग, घ) 2 डी एलसीई एक माइक्रो झंझरी नेटवर्क के भीतर आवधिक संरचनाओं से पता चलता है। संरेखण के साथ ही की चित्रा 4 डाला पोम छवियों में दिखाया गया है, इन nanostructures अंदर संरक्षित कर रहे हैं (ग, घ)। हालांकि, प्रकाश प्रेरित विरूपण इन nanostructures में प्राप्त नहीं किया जा सकता है। इसका कारण यह है आईपी एल झंझरी के भीतर, नैनो एलसीई तत्वों को अत्यधिक सीमित कर दिया गया है और आसंजन किसी भी दृश्य विरूपण रोकता है। सूक्ष्म हेरफेर प्रणाली एक घर का बना परिलक्षित माइक्रोस्कोप पर आधारित है और चित्रा में रेखाचित्र के रूप में दिखाया गया है 5। एक 10x उद्देश्य एक खड़ी खड़े ऑप्टिकल breadboard पर रखा एक लेंस ट्यूब पर तय हो गई है। एक 730 एनएम आईआर एलईडी प्रकाश स्रोत एक गैर ध्रुवीकृत बीम फाड़नेवाला के माध्यम से रोशनी के लिए प्रयोग किया जाता है। परिलक्षित छवि एक ही उद्देश्य से एकत्र की है और कैमरे के सामने पेश किया जाता है। एक निरंतर ठोस राज्य 532 एनएम लेजर 45 डिग्री के कोण पर घटना एक लंबे पास dichroic दर्पण (50% ट्रांसमिशन और 567 एनएम पर प्रतिबिंब) द्वारा उद्देश्य में युग्मित है। एक बिजली मीटर लेजर शक्ति के वास्तविक समय का पता लगाने के लिए dichroic दर्पण के बाद प्रेषित बीम के उपाय। ~ 150 माइक्रोन व्यास एक शिथिल ध्यान केंद्रित लेजर हाजिर ~ 10 डब्ल्यू / ² मिमी की अधिकतम रोशनी की तीव्रता उत्पन्न करता है। लेजर तीव्रता लेजर के सामने रखा एक चर तटस्थ घनत्व फिल्टर द्वारा नियंत्रित किया जाता है। उद्देश्य के नीचे, एक 3 डी का मार्गदर्शन टीआरanslation चरण का नमूना अनुवाद के लिए प्रयोग किया जाता है। एक हीटिंग चरण अनुवाद मंच पर स्थापित नमूना 0.5 डिग्री सेल्सियस सटीकता के साथ 120 डिग्री सेल्सियस -20 से एक रेंज में तापमान के सटीक नियंत्रण के लिए प्रयोग किया जाता है। दो मैनुअल अनुवाद चरणों पर मुहिम शुरू की दो गिलास सुझावों का नमूना स्थिति के पास छोड़ दिया और सही पक्षों पर रखा गया है। संरचना सूक्ष्म हेरफेर ध्यान से अनुवाद चरणों की मदद से सुझाव के लिए आगे बढ़ द्वारा महसूस किया जा सकता है।

संरेखण और विरूपण सह-संबंध को प्रदर्शित करने के लिए, हम 60 मीटर व्यास और 20 माइक्रोन ऊंचाई के साथ चार एलसीई बेलनाकार संरचनाओं के निर्माण। इन सिलेंडरों चार अलग तरह से केंद्रित आईपी एल झंझरी क्षेत्रों (1 माइक्रोन की अवधि) पर लिखा है। प्रकाश उत्तेजना के तहत, एलसीई अंदर रंगों प्रकाश ऊर्जा को अवशोषित और यह नेटवर्क में स्थानांतरित। एलसीई संरचनाओं को गरम कर रहे हैं और उसके बाद (isotropic को Nematic) से गुजरना चरण संक्रमण। इस तरह के चरण संक्रमण भी मदद की हैएक ही प्रकाश उत्तेजनाओं के तहत डाई की सीआईएस isomerization को पार करके। इस प्रकार, मूल नियंत्रण रेखा संरेखण निर्देशक के साथ संरचनाओं के अनुबंध और सीधा दिशा ⁷ में विस्तार। विभिन्न स्थानीय आईपी एल gratings से प्रेरित संरेखण पर निर्भर करता है, इन संरचनाओं, अलग अलग दिशाओं के साथ ख़राब रूप में चित्रा 6 (3.1 कदम) में दिखाया गया है।

इस तकनीक को यौगिक actuators, जो एक ही ढांचे में संरेखण के एक से अधिक प्रकार के होते हैं के निर्माण के लिए सक्षम बनाता है। संरेखण पैटर्न के दो वर्गों के साथ एक 400 × 40 × 20 माइक्रोन ³ आकार एलसीई पट्टी निर्मित किया गया था, के रूप में रेखाचित्र के रूप में 7 चित्र में दिखाया (क)। उन संरेखण वर्गों प्रत्येक एक 90 ° एक अलग दिशा में मुड़ उन्मुखीकरण होते हैं। समानांतर संरेखण अनुबंधों के साथ सतह, सीधा संरेखण के साथ एक प्रकाश रोशनी के तहत फैलता है। संरचना गड़बड़ी की गई हैmicromanipulation प्रणाली द्वारा cked, और एक गिलास टिप द्वारा हवा में आयोजित की। डबल झुकने प्रकाश रोशनी (3.3 कदम) के तहत मनाया गया। एक संग्राहक लेजर बीम (एक ऑप्टिकल हेलिकॉप्टर का उपयोग) चक्रीय विकृतियों पैदा कर सकते हैं। एलसीई लेजर मॉडुलन आवृत्ति (> 1K हर्ट्ज) निम्नलिखित जवाब कर सकते हैं। हालांकि, विरूपण आयाम आवृत्ति ¹⁴ में वृद्धि के साथ कम हो जाती है।

आकृति 1
चित्रा 1: ऑप्टिकल एक 780 एनएम लेजर बीम (130 FSEC नाड़ी, 100 मेगाहर्ट्ज की पुनरावृत्ति दर) एक माइक्रोस्कोप में मिलकर और नमूना में एक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप उद्देश्य से ध्यान केंद्रित किया है प्रत्यक्ष लेजर लेखन के लिए निर्धारित किया है।। 300 × 300 × 300 माइक्रोन ³ यात्रा श्रृंखला के साथ एक 3 डी पीजो चरण लेजर प्रदर्शन के दौरान नमूना अनुवाद के लिए प्रयोग किया जाता है। एक ला देखने के लिए यहाँ क्लिक करें यह आंकड़ा की rger संस्करण।

चित्र 2
चित्रा 2:। आईपी एल माइक्रो gratings के SEM छवियाँ एक) यूनिडायरेक्शनल समानांतर रेखा संरचना। ख) रेडियल झंझरी पैटर्न। स्केल पट्टी:। 10 माइक्रोन यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्र तीन
चित्रा 3:। आईपी एल माइक्रो-झंझरी नियंत्रण रेखा अभिविन्यास प्रेरित क) नियंत्रण रेखा उन्मुखीकरण के लिए डिज़ाइन किया गया माइक्रो झंझरी पैटर्न के योजनाबद्ध। ख) नियंत्रण रेखा की ओर रुख micrograting पैटर्न से प्रेरित का पोम छवि। पैमाने बार 50 माइक्रोन है। लाल रंग फिल्टर जो तस्वीर-polymerization रोकता के कारण है।ge.jpg "लक्ष्य =" _blank "> यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 4:। आईपी एल झंझरी नेटवर्क के अंदर एम्बेडेड एलसीई Nanostructures की SEM छवियों एक) और ख) दो सूक्ष्म झंझरी पैटर्न, अलग अलग दिशाओं साथ डीरेका द्वारा गढ़े गए थे, जबकि एलसीई nanodots झंझरी नेटवर्क के भीतर गढ़े हैं। ग) और डी) आवधिक एलसीई नैनो संरचनाओं आईपी एल gratings के एक ही प्रकार के भीतर एम्बेडेड। Insets संरचनाओं के पोम छवि कर रहे हैं। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 5:। Micromanipulation स्थापना के योजनाबद्ध एक सीडब्ल्यू ठोस राज्य 532 एनएम लेजर एक में युग्मित है घर का बना माइक्रोस्कोप प्रणाली। एक 10x उद्देश्य इमेजिंग और उत्तेजना के लिए 532 एनएम लेजर ध्यान केंद्रित करने के लिए प्रयोग किया जाता है। दो मैनुअल अनुवाद चरणों कांच टिप manipulators के साथ सुसज्जित नमूना सूक्ष्म हेरफेर के लिए इस्तेमाल कर रहे हैं। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 6: पर चार अलग आईपी एल Micrograting क्षेत्र एलसीई माइक्रो-लाइट सिलेंडरों की Actuation अलग झुकाव के साथ एक) 60 मीटर व्यास और 20 माइक्रोन ऊंचाई के साथ चार एलसीई बेलनाकार संरचना, चार अलग तरह से केंद्रित सूक्ष्म झंझरी क्षेत्रों पर लिखा है।। ख) एलसीई सिलेंडरों अलग कुल्हाड़ियों (झंझरी प्रेरित संरेखण पर निर्भर करता है के साथ ख़राब) जब एक 532 एनएम लेजर विकिरण (10 डब्ल्यू ^-2 मिमी) से अवगत कराया। स्केल पट्टी: 100 माइक्रोन।लेस / ftp_upload / 53744 / 53744fig6large.jpg "लक्ष्य =" _blank "> यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 7: एकाधिक आण्विक संरेखण के साथ एलसीई Microstructures के प्रकाश संचालित विरूपण एक) एक एकल एलसीई पट्टी में विपरीत 90 ° मुड़ संरेखण के दो वर्गों के योजनाबद्ध।। ख) और ग) एक 400 माइक्रोन लंबे एलसीई धारी 532 एनएम लेजर रोशनी (3 डब्ल्यू मिमी के तहत विपरीत दिशाओं में झुकने के ऑप्टिकल छवियों ^-2) ^8। यहां यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए क्लिक करें।

Discussion

आईपी एल सूक्ष्म झंझरी उन्मुखीकरण तकनीक तरल क्रिस्टलीय monomers बोध कराता है डीएलडब्ल्यू के साथ एकीकृत किया गया है। बाद में लेजर-लिखा एलसीई सूक्ष्म संरचनाओं भी सूक्ष्म स्तर में बनाया गया संरेखण के साथ नमूनों जा सकता है। इस तकनीक हमें यौगिक एलसीई तत्व है जो कई functionalities समर्थन कर सकते हैं बनाने के लिए अनुमति देता है। सटीक 3D microstructures और प्रवर्तन के नियंत्रण बनाने के लिए उत्कृष्ट क्षमता के साथ, हम इस तकनीक elastomer आधारित सूक्ष्म रोबोट ¹⁴ बनाने के लिए इस्तेमाल किया जा रहा है, और प्रकाश ट्यून करने योग्य उपकरणों ¹⁵ के ग्रहण के लिए नई रणनीति की अधिकता के लिए खोलने के लिए उम्मीद है।

वहाँ तैयार करने में दो महत्वपूर्ण कदम उठाए हैं। पहले एक है कि सेल के दो गिलास कसकर चिपका होना चाहिए (1.4 कदम, 1.5) है। यूवी इलाज गोंद के विकास के दौरान सेल ज्यामिति की स्थिरता को बरकरार रखता है: दूसरे के लिए सम्मान में सेल का एक गिलास के आंदोलन की एक सबसे खराब संरेखण में परिणाम होगाएलसीई। दूसरे, एलसीई संरचना लेखन के दौरान लेजर लिखने की गति के रूप में संभव के रूप में उच्च जबकि 100X उद्देश्य से चुना जाता है होना चाहिए। लेजर लेखन की प्रक्रिया के दौरान एलसीई की मजबूत सूजन के कारण, बढ़कर संरचना तैयार की स्थिति से बाहर ले जाया जाएगा, इस प्रकार गढ़े actuators की गुणवत्ता को प्रभावित।

कुछ मामलों में, प्रकाश प्रेरित विरूपता संरचनाओं में खराब करने के लिए मनाया जाता है। इस उच्च रोशनी की तीव्रता के तहत डाई विरंजन के कारण हो सकता है। एक बार जब डाई अणु बंद कर दिया है, एलसीई संरचना एक पारदर्शी माध्यम के रूप में बर्ताव करता है, और प्रकाश के अवशोषण / प्रकाश प्रेरित विरूपण दबा दिया जाता है। एक कम लेजर शक्ति एलसीई microstructures के प्रवर्तन के लिए सुरक्षित होगा।

वहाँ भी इस विधि के कुछ नुकसान कर रहे हैं। सबसे पहले, पूरी प्रक्रिया एक अपेक्षाकृत लंबे समय लगता है। क्रम में सेल विन्यास, पहले आईपी एल विकास की प्रक्रिया (samp डुबो कर बनाया बनाए रखने के लिएएक विलायक स्नान में Le) सेल खोलने के बिना 2-proponal में किया जाता है। विकासशील समय इस प्रकार सेल आकार और खाई की मोटाई पर निर्भर करता है, और आमतौर पर 12 लेता है - 24 घंटे। जगह आईपी एल ऐसी लेजर प्रेरित पृथक पैटर्न और लेजर प्रेरित रासायनिक संशोधित सतह के रूप में अन्य लेजर लिखने योग्य पैटर्न के साथ झंझरी, नियंत्रण रेखा संरेखण में और निर्माण समय का एक बड़ा कमी में परिणाम सकता है। दूसरा, एलसीई एक नरम बात नहीं है जो हमेशा गिलास सब्सट्रेट पर आसंजन ग्रस्त है। लाइट प्रेरित विरूपण जब microstructures सतह पर चिपके रहते दबा दिया गया है। तीसरा, संरचना की ऊंचाई सेल की मोटाई और उद्देश्य काम दूरी तक सीमित है। लेजर लेखन प्रणाली में, अधिकतम ऊंचाई करीब 100 माइक्रोन है। हाल ही में विकसित 3 डी प्रिंटिंग तकनीक स्थूल पैमाने पर करने के mesoscopic से प्रकाश actuated एलसीई संरचना बनाने के लिए एक अच्छे उम्मीदवार हो सकता है। हालांकि, polymerization के दौरान आणविक उन्मुखीकरण को बनाए रखने सकता हैचिंता का मुख्य मुद्दा हो।

इस तकनीक अद्वितीय है क्योंकि एक सच microscale है, जो अन्य मौजूदा तकनीक के साथ संभव नहीं है पर 3 डी मुक्त रूप actuators प्राप्त करने के लिए अनुमति देता है। एलसीई microstructures अलग आणविक झुकाव और functionalities के साथ नमूनों की जा सकती है। आगे केमिकल इंजीनियरिंग द्वारा इस तरह की तकनीक के कार्यान्वयन, actuators अन्य प्रोत्साहन स्रोतों के प्रति संवेदनशील बनाने के लिए सक्षम हो जाएगा और ऊपर खुला कुशल microrobots और मुलायम photonic उपकरणों का विकास होगा।

Acknowledgments

/ ईआरसी अनुदान समझौते एन ^ओ [291349] फोटोनिक सूक्ष्म रोबोटिक्स पर और आईआईटी बीज परियोजना Microswim से अनुसंधान इन परिणामों के लिए अग्रणी यूरोपीय संघ के सातवें फ्रेमवर्क कार्यक्रम (FP7 / 2007-2013) के तहत यूरोपीय अनुसंधान परिषद से धन प्राप्त हुआ है। हम यह भी Ente Cassa di Risparmio di Firenze द्वारा समर्थन स्वीकार करते हैं। हम प्रतिक्रिया और विचार विमर्श के लिए लेंस पर जटिल प्रणालियों समूह की पूरी प्रकाशिकी धन्यवाद।

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Molecular: LC monomer	SYNTHON Chemicals GmbH & Co. KG	ST03866	~78 mol% in the mixture
Molecular: LC crosslinker	SYNTHON Chemicals GmbH & Co. KG	ST03021	20 mol% in the mixture
Molecular: Azo dye	Synthesis referring to Ref. 6		1 mol% in the mixture. Light sensitive component, can be excluded in the fabrication for heat driven actuators.
Molecular: Initiator	Sigma	Irgacure 369	1 - 2 mol% in the mixture
Spacer	Thermo scientific		Microsphere with diameter from 10 to 100 µm.
IP-L	Nanoscribe GmbH
UV curing glue	Homemade		IP-L with 1 wt% initiator (Irgacure 369)
Microscope cover slide	MENZEL-GLÄSER		Diameter: 1 or 3 mm, Thickness: 0.16 - 0.19 mm
UV LED lamp	Thorlabs	M385L2-C4	Wavelength: 385 ± 10 nm
532 nm laser	Shanghai Dream Lasers	SDL-532-500T	500 mW laser
Direct Laser Writing system	Nanoscribe GmbH
Hot plate	Linkam Scientific Instruments Ltd.	PE120	Temperature range: -20 to 120 °C
Microscope	Zeiss	Axio Observer A1	With crossed polarizers
Micro-manipulator	Narishige	MHW-3