De forma libre actuadores de luz - Fabricación y Control de la Actuación en la escala microscópica
25 de mayo de 2016
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.
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.
Descripción general
Este estudio presenta un procedimiento de escritura láser en dos pasos para fabricar estructuras microscópicas de elastómero que actúan mediante luz. El método permite un control preciso sobre la orientación molecular y la actuación en microestructuras, lo cual puede aplicarse en diversos campos, incluyendo microbótica y microfluídica.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Neurociencia
- Microfluídica
- Ciencia de materiales
Antecedentes
- La escritura láser directa permite la ingeniería de estructuras micro/nano.
- Los elastómeros de cristal líquido pueden manipularse a escala microscópica.
- Comprender los movimientos complejos en microestructuras es crucial para diversas aplicaciones.
- La técnica también puede utilizarse en dispositivos fotónicos.
Objetivo del estudio
- Crear microestructuras con capacidades complejas de movimiento.
- Patronar manualmente la orientación molecular en elastómeros.
- Explorar aplicaciones en microbótica y materiales responsivos.
Métodos Utilizados
- Preparación de una célula utilizando portaobjetos de vidrio y adhesivo curable por UV.
- Escritura láser directa para crear patrones de gradación IPL diseñados.
- Caracterización de microestructuras de LCE mediante un microscopio casero.
- Observación de la deformación inducida por la luz utilizando un láser y una cámara CMOS.
Resultados principales
- Se fabricaron con éxito cuatro estructuras cilíndricas LCE.
- Las estructuras mostraron deformación inducida por la luz al pasar de la fase nemática a la isotrópica.
- Se crearon actuadores compuestos con múltiples patrones de alineación.
- Se demostró flexión en dos direcciones diferentes bajo iluminación con luz.
Conclusiones
- El estudio ilustra con éxito la alineación de elastómeros cristalinos líquidos.
- La escritura láser directa es un método eficaz para crear microactuadores.
- La actuación mediante luz puede controlarse con precisión a través de la alineación molecular.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
Este método permite un control preciso del alineamiento molecular en elastómeros cristalinos líquidos a escala microscópica, facilitando el diseño de microactuadores impulsados por luz con deformación programable. Al integrar la escritura láser directa para la fabricación estructural y el trazado de alineamiento, aborda un desafío clave en la creación de sistemas microscópicos complejos y multifuncionales. El enfoque ofrece valor predictivo para el descubrimiento en etapas iniciales en robótica inspirada en la biología, fotónica ajustable y plataformas tipo laboratorio-en-un-chip, donde el comportamiento sensible a estímulos es fundamental.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Valor científico: Permite investigar las relaciones entre estructura y función en materiales sensibles a estímulos mediante la separación del diseño geométrico del control del alineamiento molecular.
- Valor operativo: Facilita la comprobación de hipótesis sobre los efectos del alineamiento de cristales líquidos en la dinámica de actuación sin necesidad de sintetizar nuevas sustancias químicas.
Desarrollo de Pruebas y Tamizaje
- Valor científico: Proporciona una plataforma para cribar bibliotecas de patrones de alineación en busca de salidas optomecánicas deseadas bajo estimulación lumínica estandarizada.
- Valor operativo: Facilita la fabricación reproducible de microactuadores con métricas cuantificables de deformación para disponibilidad en ensayos.
Investigación Traductacional y Preclínica
- Valor científico: Permite pruebas relevantes para enfermedades del rendimiento de microactuadores en entornos microfluídicos que simulan flujo fisiológico o confinamiento.
- Valor operativo: Apoya ciclos iterativos de diseño y prueba para optimizar la velocidad de actuación, la direccionalidad y la salida de fuerza en microsistemas similares a prototipos.
Integración de la tubería y flujo de trabajo
El método une el diseño inicial de materiales con la validación funcional, situándose entre el diseño molecular y la selección fenotípica en la secuencia de descubrimiento para el desarrollo de microactuadores.
- Biología del Descubrimiento: Apoya la reducción de riesgos mecanicistas mediante el aislamiento del impacto del alineamiento de la LC sobre el cambio de forma inducido por la luz como una variable independiente.
- Tamizaje: Permite la generación de matrices estandarizadas de microactuadores con perfiles de actuación definidos para el tamizaje de compuestos o estímulos.
- Análisis: Proporciona lecturas cuantitativas y resueltas en el tiempo de la deformación mediante imágenes activadas por láser para comparar condiciones de alineamiento.
- Investigación Traducional: Conecta la programación molecular con la respuesta funcional en sistemas a escala microscópica, favoreciendo la continuidad desde el diseño del material hasta comportamientos similares a los de dispositivos.
- Reutilización Empresarial: Establece una plataforma adaptable para generar diversos modos de actuación a partir de un único material base únicamente mediante el trazado de patrones.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Reduce la ambigüedad al atribuir el comportamiento de accionamiento al alineamiento molecular frente a factores geométricos.
- Valor operativo: Permite la estandarización de la producción de microaccionadores mediante pasos de escritura desacoplados para la estructura y el alineamiento.
- Valor estratégico: Mejora las decisiones de avance o interrupción en programas de micro-robótica o fotónica al proporcionar perfiles de accionamiento predecibles y ajustables.
- Impacto en la cartera: Apoya la inversión ajustada al riesgo en plataformas de materiales sensibles a estímulos al aumentar la confianza predictiva en el rendimiento a escala microscópica.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en el comportamiento de las fases de cristales líquidos, física de polímeros y equipos de escritura láser directa.
- Depende del acceso a sistemas de escritura láser directa (DLW) con control preciso de potencia y velocidad para la escritura en múltiples pasos.
- Necesita control ambiental (temperatura, polarización) para la caracterización de fases de cristales líquidos y las pruebas de actuación.
- Implica la optimización específica del material en mezclas de monómeros, curado con UV y pasos de postprocesamiento.
- Limitado por la necesidad de pasos de lavado con disolvente y secado posteriores a la fabricación, que pueden afectar las microestructuras delicadas.
