Name: De forma libre actuadores de luz - Fabricación y Control de la Actuación en la escala microscópica (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-05-25T15:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 17 s
Description: Aprende a fabricar microactuadores de elastómeros líquidos cristalinos mediante escritura láser directa. Este método permite controlar la orientación molecular para lograr actuación compleja con luz en aplicaciones de microbótica y microfluídica.

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La investigación que lleva a estos resultados ha recibido financiación del Consejo Europeo de Investigación del Séptimo Programa Marco de la Unión Europea (FP7 / 2007-2013) / ERC acuerdo de subvención n o [291349] sobre la robótica micro fotónicos y de proyecto de SEED IIT Microswim. También reconocemos el apoyo del Ente Caja de Ahorros de Florencia. Agradecemos a todo el grupo de Óptica de Sistemas Complejos en PEZ para comentarios y debates.

Nota: Este protocolo contiene tres pasos: IP-L rejilla de preparación para la orientación molecular LC, DLW en la caracterización LCE y el accionamiento de luz. El esquema de sistema de escritura láser directo se muestra en la Figura 1, mientras que el sistema de micro-manipulación se muestra en la Figura 5. 1. IP-L rejilla de Patrón Preparación <ol><li> Sacar una tapa deslizante microscopio (3 cm de diámetro), y limpiar con acetona utilizando tejidos del cristalino. </li><li> Colocar algunos espaciadores (microesferas de vidrio) con la ayuda de una punta de metal en 3 puntos diferentes de la placa de vidrio de aproximadamente 0,5 cm de distancia de su centro. </li><li> Coloque otro portaobjetos de microscopio (1 cm de diámetro) en la parte superior de los separadores. Utilice una punta para presionar suavemente sobre la parte superior de la placa de vidrio superior. </li><li> Coloque una gota (alrededor de 2 l) de pegamento de curado UV en tres puntos diferentes, respectivamente, en el límite de la copa superior. </li><li> Antes de que el pegamento penetre demasiado into la distancia, utilizar la luz UV para solidificar el pegamento. La célula está ahora formada. </li><li> Coloque una gota (alrededor de 10 l) de resina de IP-L en el límite de la célula usando una pipeta. Espere unos minutos hasta que el líquido se infiltra en toda el área de la célula. </li><li> El uso de pegamento para fijar la celda en el soporte de la muestra y colocarla en el sistema de escritura directa con láser. </li><li> Elija un objetivo de 100X, y encontrar la interfaz en la superficie interior superior, seguido de corrección de la inclinación en esta superficie. </li><li> Escribir las estructuras de rallado patrones diseñados IP-L con una potencia del láser y una velocidad de barrido de 6 mW y 60 micras / seg, respectivamente. Los patrones de rejilla se hacen por la curva IP-L o líneas rectas. </li><li> Repita los pasos 1.8 y 1.9 en la superficie inferior interna. </li><li> Sacar la célula, y sumergir la muestra en un baño de 2-propanol sin necesidad de abrir la celda, por 12 - 24 horas. </li><li> Sacar la cubeta del disolvente, y se seca en la placa caliente (50 ° C) durante 10 - 20 min. </li></ol> 2. Microestructura LCE Fabrication <ol><li> Medida de ~ 300 mg mezcla de monómeros en el equilibrio. Ver la composición molecular en la Tabla 1. </li><li> Ponga la mezcla preparada en el interior de una botella de vidrio, y lo puso en un conjunto de placa caliente a 70 - 80 ° C. </li><li> Esperar hasta que todos el polvo se funde, añadir un agitador magnético, y se mezcla la mezcla durante 1 hr (90 a 150 rpm). </li><li> Coloque la celda en la placa caliente a 60 ° C. </li><li> Coloque una gota (alrededor de 20 l) de la mezcla en el borde de la lámina de vidrio más pequeña y esperar hasta que el líquido se infiltra en la célula. </li><li> La transferencia de la célula al microscopio óptico con un polarizador cruzado y un controlador de temperatura. Mantener todo en la oscuridad durante la transferencia, y poner un filtro naranja antes de que la lámpara de iluminación para filtrar los rayos ultravioleta. </li><li> Aumentar la temperatura de la celda por encima de 60 ° C mediante el uso de un controlador de temperatura en el microscopio, a continuación, disminuir la temperatura (2-10 ° C por min), Para medir el intervalo de temperatura para la fase LC. Una mezcla con la composición molecular diferente tiene una temperatura de la fase LC diferente. Un buen fase nemática LC homogénea puede ser reconocido por la observación de la inversión de la imagen de contraste mientras se gira la muestra cada 45 ° con respecto al eje del polarizador. </li><li> Fijar la celda en el soporte de la muestra, lo coloca en el sistema DLW, y ajustar la temperatura para alcanzar la fase LC (medido en el paso 2.7). </li><li> Encuentra la interfaz en la superficie interior inferior y realizar la corrección de la inclinación usando un objetivo de 100X, o un objetivo de 10X sin encontrar la interfaz. </li><li> Escribir las estructuras LCE por el uso de DLW con una potencia de láser y una velocidad de barrido de 4 mW y 60 micras / seg en el portaobjetos de vidrio inferior mediante el uso de objetivo de 100X. De lo contrario, el uso con una potencia de láser y una velocidad de barrido de 14 mW y 60 micras / seg mediante el uso de objetivo 10X (estructura LCE se fabrica a través de todo el espesor de la muestra). </li><li> Sacar la célula, y el uso de una cuchilla paraabrir la celda de la eliminación de la lámina de vidrio superior. </li><li> Sumergir las estructuras en un baño de tolueno durante 5 min. </li><li> Sacar la muestra, y se seca al aire durante 10 minutos. </li></ol> 3. Caracterización de accionamiento Luz de microestructuras LCE <ol><li> Coloque la muestra en el microscopio óptico (20X) y enfocar un haz de láser (CW, 532 nm, 50 a 500 mW) por 10X objetivo sobre las estructuras. </li><li> Observar la deformación inducida por la luz de la cámara CMOS microscopio óptico (velocidad de cuadro 25.8 fps). </li><li> Utilice el control manual del sistema de micromanipulación (Figura 5) para poner la punta de vidrio en una posición cercana a las microestructuras LCE. </li><li> Encender el láser a baja potencia (~ 20 mW), con el fin de aumentar la temperatura de la LCE (debido a la absorción de la luz), y por lo tanto ablandar la estructura. </li><li> Utilice una punta de vidrio para recoger una microestructura LCE, y mantenerla en el aire. Este proceso es necesario para evitar la adherencia de la superficie de vidrio. </li><li> Tonele el láser a la alta potencia (&gt; 100 mW), y observar la estructura se deforman LCE. </li><li> Registrar la deformación inducida por la luz con la cámara microscopio. </li></ol>

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<li>Hierold, C., Jungen, A., Stampfer, C., Helbling, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nano+electromechanical+sensors+based+on+carbon+nanotubes%5BTitle%5D)+AND+%22Sensor.+Actuator.+A-Phys%22%5BJournal%5D)">Nano electromechanical sensors based on carbon nanotubes.</a> Sensor. Actuator. A-Phys. 136 (1), 51-61 (2007).</li>
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<li>Zeng, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Alignment+engineering+in+liquid+crystalline+elastomers%3A+Free-form+microstructures+with+multiple+functionalities%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Alignment engineering in liquid crystalline elastomers: Free-form microstructures with multiple functionalities.</a> Appl. Phys. Lett. 106 (11), 111902(2015).</li>
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<li>Liao, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Alignment+of+liquid+crystal+molecules+in+a+micro-cell+fabricated+by+femtosecond+laser%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Alignment of liquid crystal molecules in a micro-cell fabricated by femtosecond laser.</a> Chem. Phys. Lett. 498, 188-191 (2010).</li>
<li>Zeng, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Light-fueled+microscopic+walkers%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Light-fueled microscopic walkers.</a> Adv. Mater. 27, 3883-3887 (2015).</li>
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</ol>

Los autores declaran que no tienen intereses financieros contrapuestos.

IP-L técnica de micro-rejilla de orientación se ha integrado con DLW para orientar monómeros cristalinos líquidos. Los LCE microestructuras posteriormente por láser por escrito también pueden ser modelados con la alineación diseñada en la escala micro. Esta técnica nos permite crear elementos compuesto LCE que pueden soportar múltiples funcionalidades. Con su gran capacidad para crear microestructuras 3D precisos y control de la actuación, esperamos que esta técnica a utilizar para la creación de robots microscópicos con base de elastómero 14, y para abrir una plétora de nuevas estrategias para la obtención de dispositivos sintonizables de luz 15. Hay dos pasos críticos en la preparación. El primero de ellos es que los dos vasos de la célula deben estar bien pegadas (paso 1.4, 1.5). El pegamento de curado UV conserva la estabilidad de la geometría de la célula durante el desarrollo: el movimiento de un cristal de la célula con respecto a la otra dará lugar a una peor alineación dela LCE. En segundo lugar, la velocidad de escritura láser durante LCE estructura escritura debe ser tan alta como sea posible mientras que se elige objetivo de 100X. Debido a la fuerte inflamación de la LCE durante el proceso de escritura de láser, la estructura hinchada se movería hacia fuera la posición diseñado, lo que afecta a la calidad de los actuadores fabricados. En algunos casos, se observa la capacidad de deformación inducida por la luz a deteriorarse en las estructuras. Esto podría ser debido a la decoloración de colorante bajo alta intensidad de iluminación. Una vez que las moléculas de colorante se han apagado, la estructura LCE se comporta como un medio transparente, y la absorción / deformación inducida por la luz luz se suprime. Un láser de potencia más baja sería más seguro para el accionamiento de microestructuras LCE. También hay algunas desventajas de este método. En primer lugar, todo el proceso toma un tiempo relativamente largo. Con el fin de mantener la configuración de la célula, el proceso de desarrollo primera IP-L (hecho por inmersión de la sample en un baño de disolvente) se lleva a cabo en 2-proponal sin necesidad de abrir la célula. Así, el tiempo en el desarrollo depende del tamaño de células y el espesor de la brecha, y por lo general toma 12 - 24 horas. Sustitución de la IP-L rejilla con otros patrones de escritura del láser, tales como inducida por láser patrón de ablación inducida por láser y la superficie modificada químicamente, podría dar lugar a la alineación LC y en una gran reducción del tiempo de fabricación. En segundo lugar, LCE es una materia blanda que siempre sufre adherencia sobre el sustrato de vidrio. la deformación inducida por la luz ha sido suprimida cuando las microestructuras se pegan sobre la superficie. En tercer lugar, la altura de la estructura está limitada por el espesor de la célula y la distancia de trabajo objetivo. En el sistema de escritura por láser, la altura máxima es de alrededor de 100 micras. técnicas de impresión 3D se han desarrollado recientemente podrían ser un buen candidato para la creación de la luz accionada estructura de LCE mesoscopic a escala macroscópica. Sin embargo, el mantenimiento de la orientación molecular durante la polimerización podríaser el principal tema de preocupación. Esta técnica es único porque permite obtener 3D de forma libre actuadores en el verdaderamente microescala, que no es posible con otras técnicas existentes. microestructuras LCE pueden estar decoradas con diferentes orientaciones moleculares y funcionalidades. La implementación de estas técnicas por más de ingeniería química, permitirá hacer los actuadores sensibles a otras fuentes de estímulo y abrirá el desarrollo de microrobots eficientes y dispositivos fotónicos suaves.

Microaccionadores son estructuras microscópicas que pueden transmitir energía externa para el funcionamiento de otro mecanismo o sistema. Debido al tamaño compacto y capacidad de control remoto, que han sido ampliamente utilizados en sistemas lab-on-chip 1, micro-sensores 2, 3 y micro robótica. Los actuadores disponibles hasta la fecha sólo se pueden realizar acciones simples, como hinchazón / colapso de una matriz de hidrogel 4, la contracción / plegado 5 en una dirección con el campo externo. Aunque las técnicas recientemente desarrolladas han permitido elaborar estructuras de accionamiento escala microscópica 6, sigue siendo un gran reto para el control de estos accionamientos de la misma escala de longitud. En este trabajo se reporta un método para preparar la luz 3D activar microestructuras con propiedades controlables de actuación. La técnica se basa en la escritura directa con láser (DLW), y se demuestra en los elastómeros líquidos cristalinos (LCE). LCE son soft polímeros de peinado propiedad de elastómero y la orientación cristalina líquida. Estos materiales son capaces de grandes deformaciones (20-400%) bajo distintos tipos de estímulos externos 7. La ventaja de utilizar las LCE para microactuadores es la conveniencia de orden molecular de ingeniería en las estructuras, lo que permite controlar el accionamiento en la escala microscópica 8. monómeros de LC se sintetizan con un resto acrilato, lo que permite una foto-polimerización de un solo paso. Esta propiedad permite el acceso a diferentes tipos de técnicas litográficas para la fabricación de microestructuras de 3D. Los colorantes azoicos como foto moléculas sensibles están vinculados a la red de polímero mediante un proceso de co-polimerización. Dichas moléculas se combinan su capacidad de respuesta a la luz fuerte (trans isomerización cis) con el calentamiento inducido por la luz del sistema proporcionando deformación controlada luz. DLW es una técnica para obtener estructuras de polímero en un materi fotosensibleal por control espacial de un haz de láser enfocado 9. DLW permite la creación de estructuras de formas libres en 3D en LCE sin perder la alineación molecular 6. Hay varias ventajas de DLW en la fabricación de microactuadores LCE. En primer lugar, la resolución puede llegar a la escala submicrométrica, y las estructuras son verdaderamente 3D 6. Ya se ha informado métodos LCE micro fabricación, por ejemplo., La exposición de máscaras 10 y 11 réplicas de moldeo, a condición de resolución de hasta alrededor de 10 micras y sólo tienen una geometría 2D. En segundo lugar, DLW es un proceso de fabricación de no contacto. Un disolvente adecuado puede desarrollar estructuras de alta calidad, manteniendo la configuración diseñada. Técnica de moldeo réplica rara vez se da una resolución inferior a la micra 12 y la calidad de la estructura es difícil de controlar. En tercer lugar, la escritura láser ofrece opciones versátiles para la orientación LC local en la escala microscópica 8,13. Entre los diversos tipos de técnicas de orientación LC, frotamiento es el most forma eficiente de orientar las moléculas de LC y ha sido ampliamente utilizado en la preparación de película delgada LCE. Esto se ha logrado generalmente por el roce en capas de polímero para generar micro ranuras en las superficies interiores de una célula infiltrada por monómeros LC. Debido al efecto de anclaje de la superficie, tales microsurcos son capaces de orientar la molécula de LC a lo largo de la dirección de ranura. DLW permite la fabricación directa de las micro ranuras en la región seleccionada en la dirección pre-diseñado con una precisión mucho mayor. Todas estas características hacen DLW una técnica única perfecta para la fabricación y el control de la actuación en la escala microscópica. Sobre la base de DLW, microestructuras LCE pueden estar decoradas con diferentes orientaciones moleculares. Con la alineación compuesto dentro de una sola estructura de LCE, accionamientos multifuncionales se hacen posibles. El método puede ser utilizado para la fabricación de microactuadores LCE con cualquier tipo de mezcla de monómeros LC. Por más de ingeniería química, es posible hacer que laactuadores sensibles a otras fuentes de estímulo, por ejemplo., la humedad o la iluminación en la longitud de onda diferente.

<table><tbody><tr><td>Molecular: Monómero LC</td><td>SYNTHON CHEMICALS GmbH & Co. KG</td><td>ST03866</td><td>~78 mol% en la mezcla</td></tr><tr><td>Molecular: reticulante LC</td><td>SYNTHON Chemicals GmbH & Co. KG</td><td>ST03021</td><td>20 mol% en la mezcla</td></tr><tr><td>Molecular: Síntesis de colorante azoico</td><td>referente a Ref. 6</td><td></td><td>1 mol% en la mezcla. Componente sensible a la luz, se puede excluir en la fabricación de actuadores accionados por calor.</td></tr><tr><td>Molecular: Iniciador</td><td>Sigma</td><td>Irgacure 369</td><td>1 - 2 mol% en la mezcla</td></tr><tr><td>Espaciador</td><td>Thermo científico</td><td></td><td>Microesfera con diámetro de 10 a 100 &m.</td></tr><tr><td>IP-L</td><td>Nanoscribe GmbH</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Pegamento de curado UV</td><td>IP-L casero</td><td></td><td>con iniciador del 1 % en peso (Irgacure 369)</td></tr><tr><td>Portaobjetos de cubierta de microscopio</td><td>MENZEL-GL&Auml; SER</td><td></td><td>Diámetro: 1 o 3 mm, Grosor: 0,16 - 0,19 mm</td></tr><tr><td>Lámpara LED UV</td><td>Thorlabs</td><td>M385L2-C4</td><td>Longitud de onda: 385 &#177; láser de 10 nm</td></tr><tr><td>532 nm</td><td>Shanghai Dream Lasers</td><td>SDL-532-500T Láser</td> de <td>500 mW</td></tr><tr><td>Sistema de escritura láser directo</td><td>Nanoscribe GmbH</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Placa calefactora</td><td>Linkam Scientific Instruments Ltd.</td><td>PE120</td><td>Rango de temperatura: -20 a 120 ° C</td></tr><tr><td>Microscopio</td><td>Zeiss</td><td>Axio Observer A1</td><td>Con polarizadores cruzados</td></tr><tr><td>Micromanipulador</td><td>Narishige</td><td>MHW-3</td><td></td></tr></tbody></table>

de forma libre actuadores de luz - fabricación y control de la actuación en la escala microscópica

Free-form Light Actuators &#8212; Fabrication and Control of Actuation in Microscopic Scale

elastómeros líquidos cristalinos (LCE) son materiales inteligentes capaces de reversibles cambio de forma en respuesta a los estímulos externos, y han atraído la atención de los investigadores en muchos campos. La mayoría de los estudios se centraron en las estructuras macroscópicas LCE (películas, fibras) y su miniaturización es todavía en su infancia. Recientemente se han desarrollado técnicas de litografía, por ejemplo., La exposición máscara y el moldeo de réplica, sólo permiten la creación de estructuras 2D en películas delgadas LCE. la escritura directa con láser (DLW) abre el acceso a la fabricación 3D real en la escala microscópica. Sin embargo, el control de la topología de accionamiento y la dinámica a la misma escala de longitud sigue siendo un reto. En este trabajo se informe sobre un método para controlar el cristal líquido (LC) de alineación molecular en las microestructuras LCE de forma tridimensional arbitraria. Esto fue posible gracias a una combinación de láser de escritura directa, tanto para las estructuras LCE, así como para los patrones que inducen microgratingLC alineación local. Se utilizaron varios tipos de patrones de rejilla para introducir diferentes alineaciones de LC, que pueden ser posteriormente modeladas en las estructuras LCE. Este protocolo permite obtener microestructuras LCE con alineaciones de ingeniería capaz de realizar múltiples accionamiento opto-mecánico, siendo así capaz de múltiples funcionalidades. Las aplicaciones pueden ser previstos en los campos de la fotónica sintonizables, micro-robótica, la tecnología lab-on-chip y otros.

La Figura 1 muestra el conjunto óptico para la grabación láser. El sistema consta de un láser de fibra 780 nm generar 130 impulsos FSEC en la tasa de repetición de 100 MHz. El rayo láser se refleja en un telescopio para ajustar el perfil de la viga a la abertura objetivo de microscopio óptico en el que se centra en la muestra. En el microscopio, una etapa piezo 3D se instala con un rango de 300 × 300 × 300 micras 3 itinerante para la traducción de la muestra con una velocidad máxima de 100 m / seg a 2 resolución nm. luz polarizada linealmente de una lámpara roja ilumina la muestra desde la parte superior, mientras que la imagen se recoge en la parte inferior por el mismo objetivo y reflejada por un divisor de haz en una cámara CCD. Antes de la cámara, otro polarizador se utiliza para obtener transversal iluminación polarizado para el contraste mejorado. Figura 2 muestra los elec escaneoimágenes microscopio tron ​​(SEM) del láser escritos IP-L patrones micrograting (Paso 1). La separación de ranuras está en el rango de 400 - 1200 nm, mientras que la altura de las ranuras (arriba-a-valle) es de alrededor de 700 nm. rallado patrones con diferentes orientaciones pueden inducir diferentes alineaciones de LC, en función de la actuación deseada del elemento de LCE. La Figura 3 muestra la orientación monómero LC inducida por los patrones de rejilla IP-L (paso 2.7). En primer lugar, cuatro tipos de patrón de micro-rejilla con un tamaño de 100 x 100 m 2 cada uno se fabricaron en lados opuestos de una celda de vidrio (que se muestra esquemáticamente en la Figura 3a). Debido a la superficie de anclaje, los monómeros LC infiltrados se han orientado a lo largo con la dirección de las líneas de rejilla, exhibiendo así 45 ° inversión de contraste en el microscopio óptico polarizado (POM) imagen (Figura 3b). La figura 4 muestra las imágenes de SEM de un punto / línea LCE nano fabricado sobre IP-L redes de rejilla con diferente orientación (Paso 2.10). Dentro de la red de rejilla, las estructuras de LCE se vuelven más confinado, con mucho mayor resistencia al desarrollo en tolueno. Un ancho mínimo de la LCE desconectado se ha medido para ser ~ 300 nm, que es coherente con la resolución de DLW sin el patrón de rejilla. Otro enfoque interesante para la aplicación fotónico podría ser la realización de la estructura periódica a gran escala. Figura 4 (c, d) muestra 2D LCE estructuras periódicas dentro de una red de micro-rejilla. Las alineaciones están bien conservados en el interior de estas nanoestructuras, como se muestra en las imágenes POM insertadas de la figura 4 (c, d). Sin embargo, la deformación inducida por la luz no se pudo obtener en estas nanoestructuras. Esto se debe a que dentro de la IP-L rejilla, los elementos de nano-LCE han sido muy limitado y la adhesión impide cualquier deformación visible. </p&gt; El sistema de micro manipulación se basa en un microscopio casero reflejada y se muestra esquemáticamente en la Figura 5. Un objetivo de 10X se fija en un tubo de lente colocado en una mesa óptica verticalmente de pie. A 730 nm IR LED fuente de luz se utiliza para la iluminación a través de un divisor de haz no polarizado. La imagen reflejada es recogida por el mismo objetivo y se proyecta en la cámara. Un estado 532 nm láser sólida continua se acopla en el objetivo por un espejo dicroico pase largo (50% de transmisión y reflexión en 567 nm) en un ángulo de incidencia de 45 °. Un medidor de potencia mide el haz transmitido después de que el espejo dicroico para la detección en tiempo real de la potencia del láser. Un punto de láser enfocado libremente de ~ 150 m de diámetro genera la máxima intensidad de iluminación de ~ 10 W / mm 2. la intensidad del láser es controlado por un filtro de densidad neutra variable de colocado delante del láser. Por debajo del objetivo, un manual de tr 3Detapa anslation se usa para la traducción de la muestra. Una etapa de calentamiento instalado en la etapa de traducción se utiliza para un control preciso de la temperatura de la muestra en un intervalo de -20 a 120 ° C con 0,5 ° C precisión. Dos puntas de vidrio montadas en dos etapas de traducción de manuales han sido colocados en los lados izquierdo y derecho, cerca de la posición de la muestra. manipulación micro estructura se puede realizar moviendo cuidadosamente la punta con la ayuda de las etapas de traducción. Para demostrar la alineación y la correlación de la deformación, fabricamos cuatro estructuras cilíndricas LCE con 60 micras de diámetro y 20 m de altura. Estos cilindros están escritos en cuatro rejilla-L IP diferente regiones orientadas (1 micra período). Bajo la luz de excitación, los colorantes dentro de la LCE absorben energía de la luz y la transfiere en la red. Las estructuras LCE se calientan y luego se someten a la transición de fase (nemático para isotrópica). Tal transición de fase también es ayudadopor el trans a isomerización cis del colorante bajo los mismos estímulos de luz. Por lo tanto, el contrato estructuras a lo largo del director original alineación LC y expandirse en la dirección perpendicular 7. Dependiendo de las diferentes alineaciones locales inducidas por las rejillas de IP-L, estas estructuras se deforman a lo largo de diferentes direcciones, como se muestra en la Figura 6 (etapa 3.1). Esta técnica permite la creación de actuadores compuestos, que contienen más de un tipo de alineación en una sola estructura. Una raya LCE 400 × 40 × 20 m 3 tamaño, con dos secciones de patrón de alineación se fabricó, como se muestra esquemáticamente en la figura 7 (a). Esas secciones de alineación contienen cada orientación trenzado un 90 ° en una dirección diferente. La superficie con contratos de alineación paralelas, mientras que la una con la alineación perpendicular se expande bajo iluminación de luz. La estructura ha sido picked por el sistema de micromanipulación, y se mantiene en el aire por una punta de vidrio. doblándose se observó bajo iluminación de luz (Paso 3.3). Un haz láser modulado (usando un chopper óptico) puede inducir deformaciones cíclicas. LCE puede responder a raíz de la frecuencia de modulación de láser (&gt; Hz 1k). Sin embargo, la amplitud de la deformación disminuye con el aumento de frecuencia 14. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig1.jpg" /> Figura 1: Optical configurado para escritura láser dirigir un haz 780 nm láser (130 pulso FSEC, tasa de repetición de 100 MHz) está acoplada en un microscopio y se centró por un objetivo de microscopio óptico en la muestra.. Una etapa piezoeléctrico 3D con un rango de 300 × 300 × 300 m 3 viajes se usa para la traducción de la muestra durante la exposición al láser. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53744/53744fig1large.jpg" target="_blank">Por favor, haga clic aquí para ver a la</a><html> rger versión de esta figura. <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig2.jpg" /> Figura 2:. SEM Imágenes de IP-L Micro-rejillas a) Estructura de línea paralela unidireccional. b) patrón de rejilla radial. Barra de escala:. 10 micras <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53744/53744fig2large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> <img alt="figura 3" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig3.jpg" /> Figura 3:. IP-L-Micro rejilla Inducir LC Orientación a) Representación esquemática de los patrones de micro-rejilla diseñados para la orientación LC. b) Imagen POM de la orientación de la LC inducida por los patrones micrograting. La barra de escala es de 50 micras. El color rojo es debido al filtro que impide que el foto-polimerización.ge.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig4.jpg" /> Figura 4:. SEM Imágenes de nanoestructuras LCE incrustado en IP-L Rejas Redes a) yb) Dos patrones de micro-rejilla fueron fabricados por DLW largo de diferentes direcciones, mientras que nanopuntos LCE se fabrican dentro de la red de rejilla. c) yd) nano estructuras LCE periódica incrustados dentro del mismo tipo de IP-L rejillas. Inserciones son POM imagen de las estructuras. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53744/53744fig4large.jpg" target="_blank">Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> <img alt="Figura 5" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig5.jpg" /> Figura 5:. Esquemática de la instalación de Micromanipulación Un estado sólido de 532 nm láser de CW se acopla en una<html> hecho en casa sistema de microscopio. Un objetivo de 10X se utiliza para la imagen y enfocar el láser de 532 nm para la excitación. Dos etapas de traducción de manuales equipadas con manipuladores punta de vidrio se utilizan para la muestra de micro-manipulación. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53744/53744fig5large.jpg" target="_blank">Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> <img alt="Figura 6" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig6.jpg" /> Figura 6: Accionamiento de luz LCE Micro-cilindros en cuatro diferentes IP-L Micrograting regiones con diferentes orientaciones a) cuatro LCE estructuras cilíndricas de 60 micras de diámetro y 20 m de altura, escritos en cuatro regiones micro-rejilla orientaciones distintas.. b) los cilindros de LCE se deforman a lo largo de diferentes ejes (dependiendo de las alineaciones de rejilla inducida) cuando se expone a una radiación láser de 532 nm (10 W -2 mm). Barra de escala: 100 micras.Les / ftp_upload / 53744 / 53744fig6large.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. <img alt="Figura 7" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig7.jpg" /> Figura 7: Deformación impulsado por la luz de las microestructuras LCE con Alineaciones Múltiples moleculares a) Esquema de dos secciones de 90 ° opuestos alineaciones retorcidos en una sola raya LCE.. b) yc) Las imágenes ópticas de una larga franja de 400 micras LCE flexión en direcciones opuestas menores de 532 nm iluminación láser (3 mm W -2) 8. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53744/53744fig7large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>

Aquí, fabricamos micro/nano estructuras poliméricas en 3D en las que tanto la forma como la alineación molecular se pueden diseñar con precisión a escala nanométrica mediante el uso de escritura láser directa. La deformación inducida por la luz de varios tipos de microestructuras de elastómeros cristalinos líquidos se puede controlar a escala microscópica.

De forma libre actuadores de luz - Fabricación y Control de la Actuación en la escala microscópica

Liquid crystalline elastomers (LCEs) are smart materials capable of reversible shape-change in response to external stimuli, and have attracted ...

El objetivo general de este procedimiento de escritura láser de dos pasos es obtener estructuras de accionamiento de luz del tamaño de un micrómetro basadas en elastómeros. El método puede ayudar a responder preguntas clave en los campos de la microbiótica y la microfluídica. Por ejemplo, cómo crear una sola microestructura con un movimiento complejo.La principal ventaja de esta técnica es que la orientación molecular se puede modelar manualmente en la microescala. Por lo tanto, la forma específica de actuación se puede controlar de forma abierta. Algunos de estos métodos pueden proporcionar microbiótica interna, pero también se pueden aplicar a diferentes sistemas como la sintonización de dispositivos fotónicos o materiales que responden a diferentes estímulos.Daniele Martella, un postdoc de mi laboratorio, demostrará parte del procedimiento. Para empezar, limpie un portaobjetos de 3 cm de diámetro con acetona y pañuelo para lentes. Luego, con pinzas o pinzas, coloque algunas microesferas de vidrio en el portaobjetos aproximadamente a medio centímetro del punto central.Estos funcionan como espaciadores. Coloque un portaobjetos de microscopio de 1 cm de diámetro en los espaciadores y presiónelo suavemente en su posición. A continuación, agregue aproximadamente dos microlitros de pegamento de curado UV en el espacio entre los portaobjetos en los tres puntos diferentes donde se encuentran los espaciadores.Antes de que el pegamento penetre demasiado en el espacio, use luz ultravioleta para curar el pegamento. Esto forma la célula para el experimento. Ahora, a lo largo del borde de la celda, deje caer unos 10 microlitros de resina IPL.Espere unos minutos hasta que el líquido se haya infiltrado en toda el área de la célula. A continuación, con el pegamento de goma fixo, fije la célula en el portamuestras. Coloque el ensamblaje en el sistema de escritura láser directa y, con un objetivo 100X, busque la interfaz en la superficie interior superior.A continuación, haga una corrección de inclinación, ya que la corredera no está perfectamente horizontal. Ahora escriba las estructuras de los patrones de clasificación IPL diseñados utilizando 6 milivatios de potencia láser a 60 micras por segundo. Los patrones de clasificación se realizan con curvas o líneas rectas.A continuación, busque la interfaz e inclínela correctamente a la superficie interior inferior. Escribe el patrón allí también. Ahora transfiera la célula a un baño de isopropanol durante 12 a 24 horas.No abras la celda todavía. Al día siguiente, seque la celda en una placa calefactora a 50 grados centígrados durante 10 a 20 minutos. Comience este procedimiento midiendo aproximadamente 300 mg de mezcla de monómeros.Cargue la mezcla en una botella de vidrio y colóquela en una placa calefactora colocada entre 70 y 80 grados centígrados para derretir el polvo. Una vez derretido remueve durante una hora, entre 90 y 150 RPM. Una vez que la mezcla esté homogénea, coloque la celda preparada en la placa calefactora a 60 grados centígrados y deje caer 20 microlitros de mezcla a lo largo del borde del portaobjetos de vidrio más pequeño.Deje que el líquido se mueva hacia la célula. A continuación, proteja el portaobjetos de la luz y transfiéralo al microscopio con un polarizador cruzado y un controlador de temperatura. Antes de iluminar la celda, coloque un filtro naranja en la lámpara para filtrar los rayos UV. Luego, usando la etapa calentada, caliente la celda a más de 60 grados centígrados.Ahora disminuya la temperatura a una velocidad de dos a 10 grados Celsius por minuto para medir el rango de temperatura para la fase de cristal líquido. Observe la muestra con inversión de contraste de imagen, mientras la gira 45 grados con respecto al eje del polarizador. Finalmente, se debe observar una buena fase de cristal líquido nemático homogéneo.A continuación, fije la célula en un portamuestras para el sistema DLW. Cargue la muestra y ajuste la temperatura para llegar a la fase de cristal líquido. A continuación, busque la interfaz de la superficie interior inferior y realice la corrección de inclinación utilizando un objetivo 100X.A continuación, escriba las estructuras LCE con una potencia láser de cuatro milivatios y a 60 micras por segundo. Si se utiliza un objetivo 10X, ajuste el láser a 14 milivatios y no se preocupe por encontrar la interfaz. En este caso, la estructura se fabrica a partir de todo el espesor de la muestra.Luego descargue la celda y use una cuchilla para quitar la corredera de vidrio superior. Una vez retirado el portaobjetos superior, sumerja las estructuras en un baño de tolueno durante cinco minutos y luego séquelas al aire durante 10 minutos. Para caracterizar las microestructuras LCE, coloque la muestra en el microscopio casero y enfoque un láser en las estructuras utilizando un objetivo 10X.Ahora, usando una cámara CMOS, observe la deformación inducida por la luz. Usando el control manual del sistema de micromanipulación, coloque las micropuntas de vidrio que se encuentran en los brazos del manipulador cerca de las microestructuras LCE. Ahora encienda el láser a baja potencia, alrededor de 20 milivatios para aumentar la temperatura del LCE, y así ablandar la estructura.A continuación, utilice las puntas de vidrio para recoger una microestructura LCE y mantenerla en el aire. Este proceso es necesario para evitar la adhesión de la superficie del vidrio. A continuación, aumente la potencia del láser en más de 100 milivatios.A continuación, registre la deformación inducida por la luz de la estructura LCE para su análisis. Se fabricaron cuatro estructuras cilíndricas LCE, de 60 micras de diámetro y 20 micras de altura, en cuatro regiones de clasificación IPL orientadas de manera diferente con un período de una micra. Bajo excitación de luz, los tintes en el LCE absorbieron energía y la transfirieron a la red.Las estructuras pasaron de la fase nemática a la isótropa, contrayéndose a lo largo del director de alineación LC original y expandiéndose en la dirección perpendicular. Esta técnica permite la creación de actuadores compuestos que contienen más de un tipo de alineación en una sola estructura. Por ejemplo, se fabricó una franja LCE de 400 por 40 por 20 micras con dos secciones de patrones de alineación que contenían un giro de 90 grados.Bajo iluminación ligera, la superficie con alineación paralela se contrajo, mientras que la con alineación perpendicular se expandió. Por lo tanto, la estructura se dobla en dos direcciones diferentes. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo alinear elastómeros cristalinos líquidos usando una configuración de escritura láser directa y cómo hacer que los microactuadores se muevan usando luz.

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