Fabricación de microesferas de polímero para aplicaciones de resonador óptico y láser

El objetivo general de este procedimiento es producir microrresonadores ópticos para dispositivos láser, circuitos ópticos y sensores ópticos químicos y biológicos. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en el ámbito de los materiales poliméricos funcionales, como la óptica de polímeros, la optoelectrónica y la electrónica. La principal ventaja de esta técnica sencilla y de bajo consumo energético es que utiliza polímeros funcionales para fabricar resonadores ópticos que tienen propiedades tanto ópticas como eléctricas.

Los encargados de demostrar el procedimiento serán el Sr. Okada, el Sr. Zakarias y el Sr. Oki, estudiantes graduados de mi laboratorio. Para comenzar el método de difusión de vapor para este procedimiento, agregue cinco mililitros de metanol a un vial de 50 mililitros. A continuación, disuelva dos miligramos de polímeros conjugados en dos mililitros de cloroformo en un vial de cinco mililitros.

Coloque con cuidado el vial de cinco mililitros dentro del vial de 50 mililitros. Después de esto, tape el vial de 50 mililitros. Incubar a 25 grados centígrados durante tres días para precipitar las microesferas poliméricas.

Para comenzar el método de miniemulsión, disuelva cinco miligramos de polímeros conjugados en un mililitro de cloroformo. Luego, disuelva 30 miligramos de SDS en dos mililitros de agua desionizada. Agregue 100 microlitros de la mezcla de polímeros a la solución SDS.

Con un homogeneizador de ultra alta velocidad, revuelva durante dos minutos a 30.000 RPM. Deje reposar la emulsión durante un día sin que la tapa evapore el cloroformo. Al día siguiente, centrifugar la dispersión en un tubo de centrífuga de 1,5 mililitros durante cinco minutos a 2.200 veces g.

Después de retirar el sobrenadante, agregue un mililitro de agua desionizada y agite vigorosamente. Repita la centrifugación, la eliminación del sobrenadante y el lavado con agua tres veces para eliminar por completo cualquier SDS residual. Para comenzar el método de precipitación de interfaz, disuelva 20 miligramos de poliestireno en un miligramo de tinte fluorescente en 20 mililitros de tetrahidrofurano.

Añade un mililitro de agua desionizada a un microtubo vacío de 1,5 mililitros. A continuación, vierte suavemente 0,2 mililitros de la solución de THF sobre la capa de agua, teniendo cuidado de evitar que las capas se mezclen. Deje reposar el vial durante seis horas sin que la tapa precipite las microesferas de polímero.

Para empezar, diluya una suspensión de microesferas preparadas 10 veces con un disolvente pobre como metanol o agua desionizada. Con un recubridor giratorio, moldee una gota de la suspensión diluida sobre un sustrato de cuarzo. Seque al aire la película fundida resultante hasta que los solventes se hayan evaporado por completo.

Luego, transfiera el sustrato de cuarzo a la etapa de muestra de un microscopio óptico. Identificar una microesfera aislada y bien definida para la medición de la microfotoluminiscencia. Establezca las condiciones del láser como se describe en el protocolo de texto y use un rayo láser enfocado para irradiar la microesfera.

Con un espectrómetro, registre el espectro de fotoluminiscencia. A continuación, tome una imagen fluorescente de la microesfera irradiada. Para comenzar, coloque el sustrato de cuarzo en la platina de muestra de un microscopio óptico.

Identifique una sola microesfera bien definida. Luego, coloque una microaguja de tungsteno en un aparato de micromanipulación. Con un controlador de panel táctil, mueva la microaguja y recoja la microesfera.

Conecte la microesfera recolectada a otra microesfera bien definida. Después de esto, irradie la microesfera con un rayo láser enfocado. Utilice un espectrómetro para registrar el espectro de fotoluminiscencia.

Luego, tome una imagen fluorescente de las microesferas irradiadas. En este estudio, se fabrican microesferas poliméricas bien definidas utilizando tres métodos diferentes. El método de difusión de vapor, el método de miniemulsión y el método de precipitación de interfaz.

La microscopía electrónica de barrido muestra que los métodos de difusión de vapor y precipitación de interfaz producen microesferas con una morfología superficial muy lisa. Sin embargo, los obtenidos por el método de miniemulsión son rugosos porque el tensioactivo cubre toda la superficie. A continuación, se registra la fotoluminiscencia del modo de galería susurrante para una sola microesfera de polímero uno, polímero dos y su mezcla.

Se observó que el factor Q alcanzaba 2.200 para el polímero uno. Sin embargo, las microesferas compuestas de polímero dos solo alcanzaron 300, posiblemente debido a su morfología superficial rugosa. Las microesferas compuestas por la mezcla de polímeros mantuvieron un alto factor Q de 1.500, probablemente debido a su morfología suave.

Microesferas polimórficas de poliestireno dopadas con colorante polarón con colores fotoluminiscentes de verde, amarillo, naranja y rojo se conectaron formando tetrasferas para investigar la cascada de transferencia de energía entre esferas. Se considera que la transferencia de energía luminosa de verde a amarillo y de amarillo a naranja es eficiente, mientras que la transferencia de energía de naranja a rojo no se produjo debido a la pequeña superposición entre la banda fotoluminiscente del donante de energía y la banda de adsorción del aceptor de energía. Por lo tanto, las transferencias de energía convertidas hacia arriba, como de rojo a naranja, amarillo y verde, apenas ocurren.

Al intentar este procedimiento, es importante recordar que debe evitar agitar los viales, lo que puede causar una precipitación rápida que conduzca a agregados mal definidos. Siguiendo este procedimiento, se pueden realizar otros métodos, como la polimerización en emulsión y los métodos de polimerización en dispersión, con el fin de responder a preguntas adicionales como cómo preparar esferas de polímeros monodispersos para su aplicación a cristales fotónicos coloidales. Después de su desarrollo, esta técnica allanó el camino para que los investigadores en el campo de la ciencia de los polímeros exploraran aplicaciones ópticas y láser utilizando polímeros funcionales.

Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo preparar resonadores microópticos mediante un proceso de autoensamblaje de abajo hacia arriba. No olvides que al trabajar con dispositivos láser tienes que tener especial cuidado para protegerte de los rayos láser que dañan tus ojos.