Micromecanizado láser para el diseño de topografía de superficies poliméricas

Resumen

Se presenta un método para imponer la topografía superficial de materiales poliméricos compuestos que absorben la luz, en particular los elastómeros magnetoactivos (MAE), mediante el uso de micromecanizado láser. Este método permite una gran flexibilidad en los diseños topográficos y la creación rápida de prototipos. Se muestra un ejemplo de estructuración de superficies MAE, caracterización y su respuesta al campo magnético externo.

Resumen

Los elastómeros magnetoactivos blandos (MAE) son materiales inteligentes que responden a los campos magnéticos externos alterando dinámicamente sus propiedades mecánicas. Están compuestos por micropartículas magnéticamente sensibles incrustadas dentro de una matriz de polímero blando, que exhiben un módulo de cizallamiento efectivo de hasta 100 kPa. En las últimas décadas, las propiedades a granel de los MAE se han explotado con éxito para aplicaciones como la amortiguación dinámica de vibraciones, la detección de vibraciones y la actuación en robótica blanda. Investigaciones recientes se han centrado en las propiedades de su superficie, revelando resultados prometedores en características de superficie sintonizables como rugosidad, adhesión y humectación. Incluso se demostró el transporte de pequeños objetos sólidos y fluidos. Los efectos superficiales asociados se pueden mejorar significativamente a través de la ingeniería precisa de la topografía de la superficie. En este artículo, se presenta una técnica eficiente de micromecanizado láser, con una resolución de 15 μm, que permite la creación rápida de prototipos de superficies MAE. Permite la creación de varias formas complejas y ofrece una funcionalidad más allá de la que se puede lograr con las técnicas de moldeo tradicionales. Además, el enfoque es versátil y se puede aplicar a cualquier polímero que absorba suficientemente la luz láser. Como ejemplo, se muestra un proceso de fabricación de micropatrones de superficie laminar y su caracterización mediante microscopía óptica y electrónica de barrido. Se demuestra su respuesta a un campo magnético. La técnica proporciona una solución flexible y rápida para optimizar el diseño de superficies de polímeros en una amplia gama de aplicaciones.

Introducción

La estructuración de superficies poliméricas es un método esencial en muchos campos tecnológicos. El desarrollo y la producción de dispositivos semiconductores utilizan la fotolitografía, una técnica bien establecida¹, para la polimerización selectiva de polímeros sensibles a la luz para crear máscaras que permiten el grabado selectivo o la deposición de otros materiales, como metales u óxidos. Dentro del concepto de laboratorio en un chip², el fotopatrón, la impresión 3D o el mecanizado físico pueden crear moldes que imprimen una topografía prediseñada para dispositivos milifluídicos y microfluídicos basados en polímeros. Aquí, se describe un método sin máscara para estructurar polímeros que puede producir la misma gama de formas logradas por moldes con la adición de geometría de protuberancia inclinada y un tiempo de respuesta rápido³. Las superficies con características pequeñas conducen a propiedades de materiales sobresalientes como la capacidad de autolimpieza, la disminución de la resistencia⁴ o los colores estructurales iridiscentes⁵. Por lo tanto, es primordial desarrollar técnicas con capacidades de estructuración novedosas o mejoradas.

Los elastómeros magnetoactivos (MAE) se conocen desde hace mucho tiempo como un material que puede cambiar sus propiedades mecánicas en respuesta a campos magnéticos externos ^6,7,8, y ya se han implementado en la tecnología automotriz y de altavoces. El mecanizado láser directo permitió un aumento en la exploración experimental de superficies MAE modificadas topográficamente. Los campos magnéticos pueden influir en las protuberancias magnéticamente sensibles para cambiar su forma, orientación y propiedades elásticas. Se ha demostrado que esto puede afectar profundamente el impacto y el rebote de los objetos ^9,10, la reflexión de la luz^11,12, la humectación¹³, y puede utilizarse para transportar objetos sólidos y líquidos 14,15,16,17,18,19,20 o generar flujo ^21,22. El micromecanizado láser presentado aquí es muy adecuado para MAE porque las partículas magnéticas absorben la luz láser irradiada, se calientan y conducen a la eliminación de material. El método se aplica a compuestos de partículas que absorben suficientemente la luz láser y cualquier polímero, así como a polímeros que absorben la luz sin partículas.

Las muestras que se muestran en este artículo se toman de hojas MAE más grandes. El MAE está hecho de una matriz de polidimetilsiloxano (PDMS) llena de partículas de hierro carbonilo. El PDMS está hecho de una mezcla personalizada (consulte la Tabla 1 para conocer los ingredientes y su proporción de peso). Los polímeros, las partículas de hierro, el aceite de silicona y el modificador se combinan y mezclan completamente, después de lo cual se agregan y remezclan el reticulante, el inhibidor y el catalizador. La mezcla líquida de MAE se extiende sobre un sustrato, en este caso, una lámina de tereftalato de polietileno (PET) de 0,2 mm de espesor, utilizando un aplicador de película equipado con una cuchilla ajustable a una distancia de 0,5 mm. El aplicador mueve la cuchilla sobre el líquido a una velocidad constante de 1 mm s⁻¹ para formar una película MAE del espesor deseado. A continuación, el sustrato con la película MAE se transfirió a una bandeja de horno plana y se colocó en un horno durante 1 h a 80 °C seguido de 24 h a 60 °C para curar completamente. El módulo de almacenamiento de cizallamiento G₀' se midió a una frecuencia circular de 10 s⁻¹ y una amplitud de cizallamiento de 0,01% en una muestra separada de 1 mm de espesor. El material utilizado en los experimentos tenía un módulo de almacenamiento de cizallamiento de G₀' ≈ 15 kPa (módulo de Young ≈ 45 kPa). El micromecanizado láser (ver boceto en la Figura 1) se emplea para crear patrones de superficie, que se caracterizan utilizando un microscopio óptico (Figura 2 y Figura 3) y un microscopio electrónico de barrido (Figura 3). Se muestran dos tipos de patrones: pilares en la Figura 1 y laminillas en la Figura 3 y Figura 4. La superficie laminar se desvía hacia un lado en respuesta a los cambios en el campo magnético (Figura 4) generados por un electroimán (Figura 2).

Protocolo

Para este estudio se utilizó una muestra de un compuesto polimérico ópticamente absorbente con una superficie plana, que puede ser caucho magnético hecho a medida o disponible comercialmente. Por lo tanto, este no es un paso crítico para la modificación de la superficie del polímero utilizando el método de micromecanizado láser (paso 1, Figura 1). Los reactivos y el equipo utilizado se enumeran en la Tabla de Materiales.

1. Micromecanizado láser

NOTA: Utilice una técnica de micromecanizado para guiar el rayo láser enfocado en la superficie de la muestra con un cabezal de escaneo 2D accionado por galvo. Emplee un sistema láser de fibra de nanosegundos con una longitud de onda de 1064 nm, una potencia promedio de hasta 20 W, una duración de pulso entre 10 ns y 250 ns, una frecuencia de 1 kHz a 1 MHz y energía por pulso de hasta 0,6 mJ. Asegúrese de que el diámetro del haz en el punto focal sea de 14,1 μm utilizando una lente f-theta telecéntrica con una distancia focal de 56 mm.

1. Encienda el sistema de micromecanizado láser y la ventilación para la eliminación de humos.
2. Coloque la muestra MAE curada (u otro polímero que absorba la luz) en el área de trabajo del cabezal de escaneo en el plano focal y en la inclinación preseleccionada (θ en la Figura 1).
3. Establezca los parámetros de procesamiento y estructura deseados (en un ejemplo que se muestra en los pasos 2-4, una estructura laminar con un ancho de base de 70 μm y un ancho de separación de 160 μm, sin inclinación) en el software de control láser siguiendo los pasos a continuación:
   1. Diseñe la trayectoria de escaneo trazando el área donde se debe eliminar el material (creando un "negativo" de las estructuras requeridas).
   2. Ajuste los parámetros de escaneo (repeticiones, que varían según la profundidad objetivo³, la velocidad ^{de escaneo 500 mm s-1} y la distancia de sombreado 15 μm).
      NOTA: Calibre estos parámetros para cada material con una estructura de prueba.
   3. Ajuste los parámetros de control del láser (potencia 20 W, frecuencia 30 kHz, duración del pulso 12 ns).
      NOTA: Calibre estos parámetros para cada material con una estructura de prueba.
4. Asegúrese de que se cumplan los protocolos de seguridad (usar gafas protectoras y ventilación para eliminar humos) y ejecutar el programa.
5. (opcional) Para estructuras inclinadas, compense la inclinación de la superficie de la muestra subiendo/bajando la muestra para mantener el área de trabajo actual siempre en el plano focal, utilizando una platina lineal motorizada hecha a medida accionada por tornillo con un motor paso a paso y una resolución de ±10 μm, controlada mediante el software de escaneo láser.
   NOTA: La compensación de altura depende del ángulo de inclinación de la muestra.

Figura 1: Un boceto de la configuración del mecanizado láser con los elementos principales. Zoom circular: la muestra se puede inclinar para crear microestructuras superficiales inclinadas. Se describen las posibles opciones de polímero y sustrato. Abajo izquierda: Se muestra una imagen óptica de pilares rectangulares. Barra de escala: 500 μm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

2. Microscopía óptica

NOTA: Realice una caracterización preliminar de muestras de MAE estructuradas utilizando un microscopio óptico.

1. Limpie la muestra con gas nitrógeno presurizado y elimine suavemente las posibles partículas de polvo o residuos de la muestra.
   NOTA: Tenga cuidado de no usar ráfagas de gas demasiado fuertes, ya que eso puede destruir la muestra.
2. Coloque la muestra en la mesa del microscopio y encienda la fuente de luz utilizada en la microscopía reflectante. Si la muestra se deposita sobre un sustrato transparente, utilice una fuente de luz transmisiva.
3. Elija el objetivo de bajo aumento de 10x y mida las dimensiones laterales relevantes de la muestra, por ejemplo, el paso entre las láminas (Figura 3A).
   1. Monte una cámara en la parte superior del objetivo y tire de la palanca para redirigir la luz de la muestra hacia el sensor de la cámara en lugar del ocular.
   2. Configure la escala de la cámara capturando imágenes de diapositivas de vidrio a escala de referencia. Mida las distancias conocidas en píxeles para determinar el tamaño de píxel de cada objetivo. Utilice software de código abierto como ImageJ para realizar esta calibración de escala.
   3. Mida las dimensiones laterales elegidas de la muestra en píxeles, luego calcule las distancias físicas multiplicando el número de píxeles por el tamaño del píxel en micrómetros.
4. Cambie a un objetivo de 40x de mayor aumento para adquirir información sobre la altura de la estructura.
   1. Abra la abertura del campo para reducir la profundidad del campo.
   2. Ajuste la altura de la platina micrométrica y enfoque el microscopio en la parte superior de las estructuras. Anote el número en el tornillo micrométrico.
   3. Levante lentamente la platina girando el tornillo micrométrico hasta que el foco se centre en el sustrato de la muestra. Anote el número en el tornillo micrométrico.
   4. Estime la altura de la estructura restando los valores en el tornillo micrométrico antes y después de ajustar el enfoque (Figura 3A).

3. Microscopía electrónica de barrido

NOTA: Adquiera información adicional sobre la superficie del MAE, como las concentraciones de partículas de relleno o la rugosidad de la superficie, con un microscopio electrónico de barrido (SEM).

1. Conéctese al software SEM y ventile la cámara de presión.
   NOTA: Coloque las muestras potenciales en el SEM lejos de la columna del detector a medida que se ventila, para evitar la contaminación del detector.
2. Mientras la cámara está ventilando, prepare las muestras para SEM siguiendo los pasos a continuación:
   1. Use guantes. Corte las muestras con un bisturí al tamaño del pasador portamuestras SEM.
   2. Coloque un pequeño trozo de cinta de carbono de doble cara en el pasador, cubriéndolo por completo. Recorta la cinta extendiéndola sobre los bordes de los alfileres.
   3. Adhiera las muestras recortadas a los pasadores con pinzas de plástico para evitar dañar las muestras.
   4. Limpie las muestras con gas nitrógeno presurizado y elimine suavemente las posibles partículas de polvo o escombros de la muestra.
      NOTA: No utilice ráfagas de gas demasiado intensas, ya que pueden destruir las muestras elastoméricas blandas.
   5. (opcional) Cubra las muestras con una fina capa conductora de carbono u oro porque garantiza una menor acumulación de carga y deriva durante mediciones más largas.
3. Abra la cámara de vacío y saque la platina. Inserte los pines con las muestras en la platina mientras observa sus posiciones. Vuelva a colocar la platina en su posición principal y cierre la cámara de vacío.
4. Realice las mediciones de electrones retrodispersados.
   NOTA: Utilice la fuerte retrodispersión de electrones de átomos más grandes para generar contraste en la composición del material, como se muestra en la Figura 3B, electrones retrodispersados. Mida las formas y tamaños de las partículas, la concentración y los cambios de partículas inducidos por la ablación láser mediante la recopilación de datos retrodispersados.
   1. Bombee el aire de la cámara de vacío para lograr un alto vacío. Tome una foto de navegación óptica de las muestras y utilícela como guía para mover la platina y colocar la muestra de interés a la distancia correcta del borde del detector.
      NOTA: Mientras conduce por el escenario, controle constantemente su movimiento con la cámara infrarroja en vivo para evitar colisiones.
   2. Encienda el haz de electrones y muestre la imagen del detector de retrodispersión concéntrica (CBS). Ajuste la intensidad y la forma del haz eligiendo un voltaje de aceleración de 30 kV, un tamaño de punto de 4.0 y un tiempo de permanencia de 5 μs.
   3. Encuentre el foco en la muestra mediante ajustes manuales o automáticos. Establezca el brillo y el contraste correctos mientras visualiza el histograma de la imagen adquirida y maximice el ancho del histograma.
   4. Elija la región adecuada de la muestra y el aumento deseado, y potencialmente reajuste el enfoque.
5. Realice las mediciones de electrones secundarios.
   NOTA: Tenga en cuenta que los electrones secundarios se generan a lo largo de la trayectoria de los electrones a través de la muestra, sin embargo, solo los electrones secundarios de las capas superficiales superiores escapan de la muestra y se detectan. Al recopilar datos de electrones secundarios con voltajes de aceleración muy bajos, la topografía de la superficie, donde el contraste proviene de las inclinaciones de la superficie, se observa en la Figura 3B de electrones secundarios.
   1. Apague el haz de electrones. Aleje el soporte de muestras del detector a una posición segura. Establezca un vacío bajo en la cámara de 0,70 mbar. Establezca el sesgo del detector en 68%.
   2. Mueva las muestras a una distancia de trabajo de unos 3,5 mm. Establezca un voltaje de aceleración pequeño de 2.0 kV y un tamaño de punto más prominente de 7. Aumente el tiempo de permanencia a 100 μs.
   3. Encienda el haz y muestre la imagen detectada del detector secundario de electrones (LVD) de bajo vacío. Encuentra el enfoque y el brillo y el contraste correctos.
   4. Elija la región adecuada de la muestra y el aumento deseado, y potencialmente reajuste el enfoque.
6. Después de las mediciones, coloque el soporte en la posición segura y ventile la cámara de vacío.
7. Mientras usa guantes, abra las puertas de la cámara, retire los pasadores con las muestras y, con unas pinzas, retire la cinta de carbón del pasador.
8. Guarde las muestras para posibles nuevas mediciones. Cierre las puertas de la cámara y deje el SEM en un alto vacío.

4. Manipulación magnética

NOTA: Emplee la configuración que se muestra en la Figura 2, utilizando un electroimán con una cara de polo de 20 mm para deformar las superficies laminares. Accione el electroimán con una fuente de alimentación de CC y observe las deformaciones resultantes con una cámara emparejada con un objetivo de 10x.

1. Coloque un soporte no magnético entre los polos magnéticos. Arriba, construya un microscopio acoplando el objetivo a una lente de tubo de 200 mm que enfoca la luz en el detector de la cámara. Diseñe el sistema objetivo-detector para permitir traslaciones en direcciones XYZ (Figura 2).
2. Limpie la muestra con gas nitrógeno presurizado y elimine suavemente las posibles partículas de polvo o residuos de la muestra. No use ráfagas de gas demasiado intensas, ya que eso puede destruir potencialmente la muestra elastomérica blanda.
3. Coloque un trozo de cinta adhesiva de doble cara en el portamuestras y coloque la muestra encima en el centro entre los polos.
   NOTA: Para facilitar el manejo de las muestras, utilice un pegamento soluble en agua con alcohol polivinílico (PVA) para pegar las muestras en portaobjetos de vidrio de microscopio (el vidrio también se adhiere mejor a la cinta que el elastómero).
4. Conecte los cables de alimentación del electroimán a la fuente de alimentación y conéctelos a la cámara mediante un cable de conexión adecuado.
5. Mientras captura imágenes, aplique una corriente continua de 3,2 A al electroimán, que produce un campo magnético homogéneo de alrededor de 340 mT en el centro del espacio de polos de 20 mm. El campo magnético deforma las estructuras MAE.
6. Estudie las deformaciones probando diferentes estructuras, orientaciones de líneas magnéticas de muestra, intensidades de campo magnético y conmutación de campo dinámico (Figura 4).

Figura 2: Una fotografía de la configuración de manipulación magnética con los componentes principales indicados. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Resultados

Una vez estructurada la superficie MAE, se inspecciona con microscopía óptica. Esto suele ser suficiente para confirmar que el patrón de la superficie está libre de defectos y para comprobar que las dimensiones laterales y verticales son las esperadas (Figura 3A). El SEM se elige si hay interés en más detalles, como la distribución de partículas dentro de la matriz polimérica o el efecto del mecanizado láser en la rugosidad de la superficie del polímero (Figura 3B).

Figura 3: Imágenes ópticas de una superficie MAE estructurada. (A) Utilizando un objetivo de gran aumento, se puede realizar una caracterización preliminar de la estructura en direcciones laterales y longitudinales variando el foco. La barra de escala de la imagen principal es de 500 μm y las barras de escala de las imágenes ampliadas son de 100 μm. Se realizan caracterizaciones superficiales adicionales con SEM (B), donde se pueden detectar diferentes tipos de electrones y medir diferentes propiedades de superficie. Los electrones retrodispersados revelan el contraste de composición, mientras que los electrones secundarios ofrecen información sobre la variación topográfica de la superficie. Todas las barras de escala son de 50 μm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

La orientación de la protuberancia se puede manipular con campos magnéticos variables en el tiempo, que se pueden crear de varias maneras. Las bobinas pueden producir campos conmutables electrónicamente o imanes permanentes que se mueven mecánicamente. Por lo general, los campos magnéticos no son uniformes, pero si se necesitan campos magnéticos uniformes, se puede utilizar el interior de solenoides o bobinas en la configuración de Helmholtz²³.

Figura 4: Un ejemplo del control de la deformación de la estructura por un campo magnético. Usando un electroimán, se puede generar un campo magnético homogéneo en el plano de la muestra, induciendo deformaciones elásticas de las estructuras superficiales. Estas deformaciones, a su vez, inducen cambios en las propiedades macroscópicas de la superficie de los materiales MAE. Las barras de escala que se muestran se aplican a todas las imágenes y son de 200 μm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Ingrediente	Porcentaje en peso
Polímero VS 100000	7.07
Modificador 715	0.03
Polímero MV 2000	1.26
Aceite de silicona	16.62
Partículas de hierro carbonílico	74.79
Reticulante 210	0.12
Inhibidor de DVS	0.03
Catalizador 510	0.08
SUMA	100

Tabla 1: La proporción de productos químicos en la formulación del material MAE dada por porcentaje en peso.

Discusión

El mecanizado físico de los moldes es óptimo para la producción a gran escala cuando la geometría de las características de la superficie ya está preestablecida. Por el contrario, la creación rápida de prototipos es deseable en la etapa de desarrollo y optimización de un dispositivo novedoso. Tanto la impresión 3D de moldes como la fotolitografía láser directa tienen un tiempo de respuesta rápido pero tienen limitaciones. Una desventaja de las estructuras impresas en 3D es que la rugosidad de los moldes dificulta la separación del polímero fundido sin ruptura ni daños. La fotolitografía láser directa se limita a patrones ortogonales a la superficie. También es adecuado solo para polímeros que no dispersan la luz entrante y son lo suficientemente transparentes como para permitir la fotopolimerización en todo el espesor de la capa de polímero. Es posible utilizar un polímero fotosensible para crear un molde para otro tipo de polímero, pero esto aumenta el tiempo de fabricación y prolonga el desarrollo del prototipo. Por el contrario, el mecanizado láser es un método sin molde que permite la estructuración directa de polímeros ópticamente absorbentes. Esto lo hace perfectamente adecuado para crear características topográficas en polímeros como los elastómeros magnetoactivos (MAE), que obtienen absorción de una gran concentración de micropartículas magnéticamente sensibles. De manera muy distintiva, también permite la producción de características no ortogonales, como paredes inclinadas o inclinadas³.

Micromecanizado láser
La técnica de micromecanizado láser descrita en el paso 1 es muy robusta, pero se debe prestar especial atención a la configuración de la muestra MAE. La distancia desde la lente debe definirse cuidadosamente encontrando con precisión el plano focal en la superficie de la muestra y, al mismo tiempo, ser paralela al plano de la lente de enfoque debido a la corta distancia de Rayleigh proporcionada por la configuración del sistema láser. Se adopta un enfoque diferente al fabricar estructuras inclinadas, compensando la inclinación de la superficie de la muestra subiendo/bajando la muestra para mantener el área de trabajo actual siempre en el plano focal. Si la acumulación de calor en la muestra es demasiado grande (evaluada fuera de línea, después del micromecanizado, mediante la comprobación visual de las estructuras) y erosiona las estructuras, se debe emplear una gestión adecuada del calor.

Las limitaciones del enfoque están ligadas al tamaño de partícula de relleno del material, que define la resolución lateral del proceso, y a las propiedades ópticas de la muestra, es decir, la absorbancia en la longitud de onda empleada. Experimentalmente, descubrimos que el ancho mínimo de la estructura que aún resiste el micromecanizado láser es aproximadamente cinco veces el tamaño medio de las partículas de relleno³. Si las estructuras objetivo son más pequeñas que eso, el láser eliminará todo el material, dando como resultado una superficie no estructurada (aunque su rugosidad será mayor). Para el material presentado aquí, la longitud de onda específica de la luz láser es absorbida predominantemente por micropartículas de hierro mientras pasa a través del polímero. Cambiar la longitud de onda del láser y la partícula o el material polimérico puede alterar significativamente los resultados. La estructuración de pruebas es, por lo tanto, un punto crítico para obtener los parámetros de procesamiento para el nuevo material.

El método descrito proporciona flexibilidad con respecto al tamaño de la estructura y la posibilidad de fabricar estructuras inclinadas sin la necesidad de moldes especializados. Además, el problema de la aglutinación de MAE en la eliminación del molde está ausente cuando se emplea este método de micromecanizado. En comparación con el recubrimiento por pulverización de abajo hacia arriba bajo un campo magnético, este método proporciona una mayor resolución espacial y la posibilidad de fabricar matrices de estructuras superficiales ordenadas. El método de micromecanizado se utiliza en áreas de investigación donde se requieren estructuras activas de tamaño micrométrico para desarrollar nuevos dispositivos para, es decir, control de humectación de superficies, microfluídica o transporte de partículas sólidas o gotas de tamaño milimétrico.

Microscopía óptica
Las micropartículas de hierro en MAE absorben mucha luz, mientras que el polímero base, polidimetilsiloxano, es ópticamente transparente. Observar ópticamente la rugosidad de la superficie MAE es un desafío porque se requiere obtener imágenes del polímero. Para este tipo de mediciones, un SEM es una mejor opción de equipo. Por otro lado, la presencia de micropartículas de hierro en el MAE significa que se requiere mucha luz para observar el material. Una solución común es capturar imágenes con un tiempo de exposición prolongado y permitir que el detector recoja suficiente luz.

La microscopía óptica es un método rápido para el análisis cualitativo y cuantitativo de muestras. Cambiar el enfoque de la imagen no es el método más preciso, pero es comparable a la precisión del método de mecanizado láser. Con un aumento de 40x, la resolución axial es muy buena (1 μm). Debido a la rugosidad de la superficie de la muestra, la altura de la muestra no está bien definida en esas escalas de longitud, por lo que se mide una altura promedio con incertidumbres estimadas de alrededor de 5 μm. La altura frente al número de pasadas de láser se encuentra en Kravanja et ^al.3, donde la barra de error más pequeña es de ±4 μm. Si se necesita una mayor precisión, por ejemplo, examinando la rugosidad de la superficie de protuberancia, una excelente alternativa es la microscopía confocal de barrido.

No es aconsejable observar los cambios inducidos magnéticamente in vivo bajo el microscopio, ya que los fuertes campos magnéticos pueden magnetizar los componentes del microscopio e interferir con otras mediciones sensibles al magnetismo. En consecuencia, aquí se utiliza una configuración personalizada para la observación de la manipulación magnética.

Microscopía electrónica de barrido
SEM es una técnica de medición muy versátil para observar superficies de materiales. Al elegir diferentes detectores, es posible recopilar datos topográficos y de composición, revelando la rugosidad de la superficie inducida por la ablación y la estructura compuesta de los MAE. Es importante tener en cuenta que los MAE generalmente no son conductores de electricidad, por lo que se deben tomar medidas específicas para evitar la acumulación de electrones en la superficie de la muestra. Es posible recubrir las muestras con un aerosol de carbono o pulverización catódica de oro que hace que la superficie sea conductora. También es beneficioso emplear un tamaño de punto pequeño y tiempos de permanencia cortos o un vacío bajo donde el vapor de agua filtra las cargas en las superficies de la muestra. El gran tamaño del punto y los largos tiempos de permanencia en alto vacío pueden dañar las muestras.

Este material tiene una concentración de partículas de hierro que es demasiado grande (cerca del umbral de percolación) para que cualquier método no invasivo disponible actualmente penetre profundamente en la muestra sin producir demasiados artefactos, dispersión y ruido en la medición. La única excepción son los experimentos de dispersión de neutrones, aunque requieren instalaciones especializadas que no son de fácil acceso. Sin embargo, SEM aún se puede emplear para obtener imágenes de la distribución de partículas en toda la muestra utilizando mediciones de electrones retrodispersados para muestras cortadas por una cuchilla²⁴. Se ha revelado que la distribución de partículas es uniforme, excepto por la capa de agotamiento, que se cree que está relacionada con la sedimentación durante el curado. SEM está limitado por la ausencia de mediciones inducidas por campos magnéticos, que son más interesantes desde el punto de vista de la aplicación.

Manipulación magnética
La manipulación magnética de las estructuras MAE se puede lograr cerca de un imán permanente o entre las zapatas polares de un electroimán. En el presente trabajo, los experimentos se realizaron con un electroimán debido a un control más fácil de los valores del campo magnético. Se empleó una lente de objeto de larga distancia para la observación de muestras para evitar la magnetización no deseada de las partes del microscopio. La lente tenía una distancia de trabajo de 34 mm, lo que le permitía colocarse lo suficientemente lejos de las zapatas del polo magnético, donde la intensidad del campo desaparecía.

Es esencial reconocer que las muestras hechas de una sola pieza MAE, parcialmente estructurada en la superficie, también se alargan en un campo magnético homogéneo. Por lo tanto, las deformaciones de las microestructuras se superpusieron sobre el estiramiento de la muestra. Para medir correctamente las deformaciones de la estructura, se deben restar las contribuciones generales de estiramiento.

Un electroimán no tenía una respuesta instantánea del campo magnético al cambio de voltaje de la fuente, pero la constante de tiempo del circuito eléctrico limitaba la respuesta transitoria. ¹¹ La salida de corriente de la fuente de alimentación de CC debe sincronizarse con la captura de imágenes de la cámara para realizar experimentos dinámicos. Es posible medir la corriente eléctrica a través del electroimán y calcular el campo magnético generado o medirlo directamente con un teslametro. Sin embargo, en este último caso, también se debe considerar el ancho de banda del teslametro.

Habiendo instalado un microscopio cerca de un electroimán, se pudieron medir los parámetros geométricos de la superficie estructurada de MAE, así como sus cambios dinámicos. También fue posible realizar una caracterización relevante para la aplicación deseada, por ejemplo, los ángulos de contacto de las gotas en dichas superficies y cómo cambian dinámicamente.

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Objetivo 10x Plan Apochromat	Mitutoyo	MY10X-803	usado en el Método 4 y nbsp;
Objetivo 10x	Nikon	no se puede determinar	Usado en el Método 2, objetivo aéreo
Objetivo 40x	Nikon	no se puede determinar	Usado en el Método 2, objetivo aéreo
Expansor de haz	SPI Lasers Reino Unido	PT-P00554
Cámara	Canónigo	EOS M200	Usado en el Método 2
Cámara	FLIR	BFS-U3-17S7M-C	usado en el Método 4 y nbsp;
Partículas de hierro carbonilo	BASF SE	CIP SQ	diámetro medio D50 de 3,9-5,0 y micro; m
Catalyst 510	Evonik Operations GmbH, Aditivos Especiales	Catalyst 510
Reticulador 210	Evonik Operations GmbH, Aditivos Especiales	Reticulador 210
Fuente de alimentación de CC	GW Instek	GPD-3303S
Electroimán	GMW	3470
SVP inhibidor	Evonik Operations GmbH, Aditivos Especiales	SVP inhibidor
Fuente láser	SPI Lasers Reino Unido	SP-020P-A-HS-S-A-N
Microscopio	Nikon	OPTIPHOT2-POL
Modificador 715	Evonik Operations GmbH, Aditivos Especiales	Modificador 715
Polymer MV 2000	Evonik Operations GmbH, Aditivos Especiales	Polymer MV 2000
Polímero VS 100000	Evonik Operations GmbH, Aditivos Especiales	Polímero VS 100000
Microscopio electrónico de barrido	ThermoFisher	AXIA-CHEMISEM
Cabezal de escaneo	Raylasa	SSIIE-10
Aceite de silicona	Wacker Chemie AG	AK 10
Micrómetro de etapa 1mm	Nikon	MBM11100	Tamaño de la diapositiva de referencia de vidrio
Motor paso a paso	Isert-electrónica	Serie P Nema 24 Bipolar 1,8º 3,5 Nm	Motor paso a paso bifásico, 1,8 grados; Ángulo de paso
Lente telecéntrica	Ronar-Smith	TSL-1064-18-56-V1