Preparación de redes de cristal líquido para macroscópico movimiento oscilatoria inducida por luz

El objetivo general de este protocolo experimental es preparar redes de cristales líquidos que muestren oscilación mecánica bajo irradiación continua de luz. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en ciencia de materiales, como cómo obtener movimiento microscópico continuo con aplicaciones potenciales en robótica blanda y sistemas automatizados. La ventaja principal de esta técnica es que sus usos y métodos son ampliamente empleados en la industria de fabricación de paneles con productos químicos disponibles comercialmente.

Primero, limpie cuidadosamente las placas de vidrio de tres por tres centímetros utilizando agua caliente y jabón para eliminar los contaminantes. Coloque las placas de vidrio en un vaso de precipitados con etanol. Luego, coloque el vaso de precipitados en un baño ultrasónico durante aproximadamente 10 minutos.

A continuación, seque cuidadosamente las placas de vidrio con un paño de limpieza y un soplador de aire. Asegúrese de que no quede ningún rastro de disolvente, polvo ni ningún tipo de contaminación en las placas. Coloque las placas de vidrio en un fotoreactor de ozono UV durante 20 minutos para eliminar los residuos orgánicos.

Después del tratamiento con ozono, soplar aire sobre una de las placas de vidrio y colocarla sobre un espinador. Luego depositar aproximadamente 0,5 mililitros de solución de poliamida sobre la placa de vidrio para cubrir toda la superficie. Aplicar la capa de alineación mediante espinado según las siguientes condiciones.

Después del recubrimiento por centrifugado, marque las placas de vidrio en el lado no recubierto con signos distintivos para reconocer las capas de alineación homeotrópica y planar. Coloque la placa de vidrio recubierta sobre una placa calefactora a 110 grados Celsius durante 10 minutos para eliminar la mayor parte del disolvente presente en la mezcla de la capa de alineación. Una vez que todas las placas de vidrio estén recubiertas, colóquelas en un horno a 180 grados Celsius durante una hora para curar la capa de poliamida.

Para crear microcanales en las placas de vidrio recubiertas, coloque cada plano plano con el lado recubierto hacia abajo sobre un paño de terciopelo. Aplique una presión uniforme y suave con dos dedos. Arrastre cuidadosamente la placa de vidrio a lo largo de la superficie del paño de terciopelo en una dirección recta.

Luego, sople aire sobre la placa de vidrio. A continuación, prepare un adhesivo mezclando un pegamento curable por UV con microesferas de vidrio que tengan un diámetro bien definido de 20 micrómetros. Coloque dos gotas pequeñas de pegamento en dos esquinas adyacentes de una placa de vidrio recubierta con una capa de alineación planar.

Luego coloque dos gotas más de pegamento aproximadamente a cinco milímetros de los otros dos vértices. Coloque la placa de vidrio recubierta con una capa de alineación homeotrópica encima de la primera placa de vidrio, dejando un espacio de aproximadamente cuatro milímetros entre los bordes de las placas para proporcionar suficiente espacio para la mezcla de cristales líquidos. A continuación, cure el pegamento colocando las dos placas de vidrio o la celda bajo luz UV durante dos minutos.

Coloque la celda sobre una placa calefactora con el lado homeotrópico hacia arriba. Establezca la temperatura en 110 grados Celsius para facilitar el llenado de la celda, ya que el fluido es menos viscoso que en la fase nemática. Ahora, coloque una parte de la mezcla de cristal líquido en el borde de la celda para que el sólido se derrita y la mezcla líquida fluya por capilaridad dentro de la celda.

Agregue más mezcla en el borde hasta que la celda esté llena. Una vez que la celda esté llena, enfríela lentamente hasta 90 grados Celsius para que se encuentre en la fase nemática. Tan pronto como la película alcance 90 grados Celsius, polimerice la mezcla colocando la celda bajo luz UV a esta temperatura durante 30 minutos.

Tras la polimerización, coloque la celda sobre una placa calefactora a 130 grados Celsius durante aproximadamente 10 minutos. Después de permitir que la celda se enfríe a temperatura ambiente, ábrala colocando una cuchilla de afeitar en un borde e introduciéndola entre las dos placas de vidrio. Para separar la película, levante las esquinas con la cuchilla de afeitar.

Retire cuidadosamente la película de la placa de vidrio. Luego corte una tira a lo largo del director molecular de la película. A continuación, sujete la muestra de la película usando una pinza de cierre automático de manera que 1,7 centímetros de la película queden libres para moverse.

Sostenga la muestra verticalmente y dirija un haz de diodo emisor de luz perpendicularmente a la muestra para observar la autooscilación. El movimiento oscilatorio observado en la película bajo irradiación luminosa se demuestra en el protocolo presentado, y la calidad del alineamiento en abanico es importante para la actuación autosostenida. La película debe ser transparente.

Para verificar la alineación correcta del abanico, se observa la película adherida al sustrato de vidrio entre polarizadores cruzados sobre una fuente de luz blanca difusa. Cuando la película está en tiras, presenta una curvatura natural con el centro de la curva en el lado homeotrópico, lo cual se debe a la tensión residual originada por la polimerización. Las oscilaciones mecánicas y térmicas registradas por una cámara de alta velocidad confirman el éxito del protocolo.

Cuando la película está sujeta, se endereza hacia el estado plano en la dirección de la luz. A continuación, la película comienza a moverse continuamente con oscilaciones mecánicas y térmicas. Los factores clave para observar este fenómeno son el efecto fototérmico y la autorsombra de la película, controlada por la intensidad y la posición de la luz.

Una intensidad de luz demasiado baja no produce una gran flexión porque la temperatura en la bisagra es insuficiente, mientras que una intensidad de luz demasiado alta en la bisagra provocará una respuesta excesiva. Una vez dominada, esta técnica puede realizarse en cuatro horas si se lleva a cabo correctamente. Al intentar este procedimiento, es importante verificar la alineación de la fase cristalina líquida antes de la polimerización para asegurarse de obtener una oscilación estable.

El poder de este protocolo radica en la capacidad de variar la frecuencia y la amplitud de la oscilación modificando las dimensiones de la película y la intensidad de la luz. Tras su desarrollo, este método allanó el camino para que los investigadores en el campo de la ciencia de materiales exploraran otros movimientos de equilibrio en materia blanda. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo preparar una red cristalina líquida alineada para obtener una película fotosensible.

No olvide que trabajar con luz puede ser extremadamente peligroso y que siempre se deben usar gafas de protección contra los rayos UV al realizar estos experimentos.