Name: Free-forme légère Actionneurs - Fabrication et contrôle des Actuation dans léchelle microscopique (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-05-25T15:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 17 s
Description: Apprenez à fabriquer des microstructures actives à base d'élastomères cristaux liquides par écriture laser directe. Cette méthode permet de contrôler précisément l'orientation moléculaire et l'actuation lumineuse pour des applications en microbiotique et microfluidique.

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La recherche menant à ces résultats ont bénéficié d&#39;un financement du Conseil européen de la recherche au titre du septième programme - cadre de l&#39;Union européenne (FP7 / 2007-2013) / ERC convention de subvention n o [291349] sur les micro robotique photoniques et du projet SEED IIT Microswim. Nous reconnaissons également le soutien par l&#39;Ente Cassa di Risparmio di Firenze. Nous remercions l&#39;ensemble optique du complexe groupe de systèmes à LENS des commentaires et discussions.

Remarque: Ce protocole contient trois étapes: IP-L caillebotis préparation à orientation moléculaire LC, DLW dans la LCE et la lumière actionnement caractérisation. Le schéma du système d&#39;écriture directe par laser est représenté sur la figure 1, tandis que le système de micro-manipulation est représenté sur la figure 5. 1. IP-L Motif caillebotis Préparation <ol><li> Sortez lamelle d&#39;un microscope (3 cm de diamètre), et nettoyez-le avec les tissus de l&#39;objectif de l&#39;acétone à l&#39;aide. </li><li> Placez quelques entretoises (des microsphères de verre) à l&#39;aide d&#39;une pointe en métal à 3 points différents de la lame de verre d&#39;environ 0,5 cm de distance de son centre. </li><li> Placer une autre lame de microscope (1 cm de diamètre) au-dessus des entretoises. Utilisez une pointe pour appuyer légèrement sur le dessus de la lame de verre supérieure. </li><li> Placer une goutte (environ 2 pi) de colle durcissant aux UV sur trois points respectivement à la limite supérieure du verre. </li><li> Avant que la colle pénètre trop into l&#39;écart, utiliser la lumière UV pour solidifier la colle. La cellule est maintenant formé. </li><li> Placer une goutte (environ 10 ul) de résine IP-L sur la limite de la cellule à l&#39;aide d&#39;une pipette. Attendre quelques minutes jusqu&#39;à ce que le liquide est infiltré dans toute la surface de la cellule. </li><li> Utilisez de la colle pour fixer la cellule sur le porte-échantillon et le placer dans le système d&#39;écriture directe au laser. </li><li> Choisissez un objectif 100X, et trouver l&#39;interface à la surface intérieure supérieure, suivie par une correction d&#39;inclinaison sur cette surface. </li><li> Écrivez les structures de conçue IP-L motifs de réseau avec une puissance laser et une vitesse de balayage de 6 mW et 60 um / s, respectivement. Les motifs de réseau sont faites par IP-L courbe ou des lignes droites. </li><li> Répétez les étapes 1,8 et 1,9 sur la surface intérieure inférieure. </li><li> Sortez de la cellule, et immerger l&#39;échantillon dans un bain 2-propanol sans ouvrir la cellule, pour les 12 - 24 h. </li><li> Sortez de la cellule à partir du solvant, et le sécher sur la plaque chaude (50 ° C) pendant 10 - 20 min. </li></ol> 2. LCE Microstructure Fabrication <ol><li> mélange de monomères mesure ~ 300 mg sur la balance. Voir la composition moléculaire dans le tableau 1. </li><li> Mettre le mélange préparé dans une bouteille en verre, et le mettre sur un ensemble de plaque chaude à 70 - 80 ° C. </li><li> Attendez jusqu&#39;à ce que toutes les poudre fond, ajouter un agitateur magnétique, et mélanger le mélange pendant 1 heure (90 - 150 rpm). </li><li> Placez la cellule sur la plaque chauffante à 60 ° C. </li><li> Placer une goutte (environ 20 pi) du mélange sur le bord de la lame de verre plus petites et attendre jusqu&#39;à ce que le liquide infiltre dans la cellule. </li><li> Transférer la cellule au microscope optique avec un polariseur croisé, et un régulateur de température. Gardez tout dans l&#39;obscurité pendant le transfert, et de mettre un filtre orange avant que la lampe d&#39;éclairage pour filtrer les UV. </li><li> Augmenter la température de la cellule au-dessus de 60 ° C à l&#39;aide d&#39;un régulateur de température sur le microscope, puis diminuer la température (2-10 ° C par minute), Pour mesurer l&#39;intervalle de température pour la phase à cristaux liquides. Un mélange avec une composition moléculaire différente a une température de phase cristalline liquide différent. Une bonne phase nématique à cristaux liquides homogène peut être identifiée par l&#39;observation de l&#39;inversion de contraste d&#39;image tout en faisant tourner l&#39;échantillon tous les 45 ° par rapport à l&#39;axe du polariseur. </li><li> Fixer la cellule sur le porte-échantillon, placez-le dans le système DLW, et régler la température pour atteindre la phase de LC (mesurée à l&#39;étape 2.7). </li><li> Trouver l&#39;interface à la surface intérieure inférieure et effectuer la correction d&#39;inclinaison en utilisant un objectif 100X, ou d&#39;un objectif 10X sans trouver l&#39;interface. </li><li> Écrivez les structures LCE par l&#39;utilisation de DLW avec une puissance laser et une vitesse de balayage de 4 mW et 60 um / sec sur la lame de verre inférieure en utilisant l&#39;objectif 100X. Dans le cas contraire, d&#39;utiliser une puissance laser et une vitesse de balayage de 14 mW et 60 um / s en utilisant l&#39;objectif 10X (LCE structure est fabriquée dans toute l&#39;épaisseur de l&#39;échantillon entier). </li><li> Sortez de la cellule, et d&#39;utiliser une lameouvrir la cellule de retirer la lame de verre supérieure. </li><li> Immerger les structures dans un bain de toluène pendant 5 min. </li><li> Sortez l&#39;échantillon, et sécher à l&#39;air pendant 10 minutes. </li></ol> 3. Caractérisation de Actuation Lumière de microstructures LCE <ol><li> Placer l&#39;échantillon dans le microscope optique (20X) et focaliser un faisceau laser (CW, 532 nm, 50 à 500 mW) par l&#39;objectif 10X sur les structures. </li><li> Observer la déformation induite par la lumière par la caméra CMOS de microscope optique (taux de 25,8 fps). </li><li> Utilisez la commande manuelle du système de micro-manipulation (Figure 5) pour mettre la pointe de verre à une position proche de microstructures LCE. </li><li> Allumez le laser à faible puissance (~ 20 mW), afin d&#39;augmenter la température de la LCE (en raison de l&#39;absorption de lumière), et donc adoucir la structure. </li><li> Utiliser un embout de verre pour ramasser une microstructure de LCE, et le maintenir en l&#39;air. Ce processus est nécessaire pour éviter l&#39;adhérence de la surface du verre. </li><li> Tonneaue laser à haute puissance (&gt; 100 mW), et d&#39;observer la structure de LCE se déforment. </li><li> Notez la lumière déformation induite avec l&#39;appareil photo de microscope. </li></ol>

<ol><li>Tanaka, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biological+cells+on+microchips%3A+New+technologies+and+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Biosens.+Bioelectron%22%5BJournal%5D)">Biological cells on microchips: New technologies and applications.</a> Biosens. Bioelectron. 23, 449-458 (2007).</li>
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<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>

Les auteurs déclarent qu’ils n’ont pas d’intérêts financiers concurrents.

IP-L micro-réseau de la technique d&#39;orientation a été intégré DLW pour orienter les monomères cristallins liquides. Les LCE micro-structures par la suite au laser écrit peuvent aussi être modelées avec l&#39;alignement conçu dans le micro-échelle. Cette technique nous permet de créer des éléments composés LCE qui peuvent soutenir de multiples fonctionnalités. Avec capacité exceptionnelle à créer des microstructures 3D précis et le contrôle de l&#39; actionnement, nous nous attendons à cette technique à utiliser pour créer des élastomères à base de robots microscopiques 14, et d&#39;ouvrir une pléthore de nouvelles stratégies pour l&#39;obtention de dispositifs accordables lumière 15. Il y a deux étapes critiques dans la préparation. La première est que les deux verres de la cellule doivent être bien collés (étape 1.4, 1.5). La colle durcissant aux UV préserve la stabilité de la géométrie de la cellule au cours du développement: le déplacement d&#39;un verre de la cellule par rapport à l&#39;autre se traduira par un mauvais alignement de laLCE. En second lieu, la vitesse de gravure au laser lors de la structure LCE écriture doit être aussi élevée que possible tout objectif 100X est choisi. En raison du fort gonflement du LCE pendant le processus d&#39;écriture du laser, la structure gonflée déplacerait la position prévue, affectant ainsi la qualité des actionneurs fabriqués. Dans certains cas, la lumière induite par la déformabilité est observée à se détériorer dans les structures. Cela pourrait être dû à la décoloration du colorant sous une forte intensité de l&#39;éclairage. Une fois que les molécules de colorant sont éteints, la structure de LCE se comporte comme un milieu transparent, et l&#39;absorption / lumière induite légère déformation est supprimée. Une puissance laser inférieure serait plus sûr pour l&#39;actionnement de microstructures LCE. Il y a aussi quelques inconvénients de cette méthode. Tout d&#39;abord, l&#39;ensemble du processus prend un temps relativement long. Afin de maintenir la configuration de la cellule, le premier processus de développement IP-L (fabriqué par immersion de la sample dans un bain de solvant) est effectuée dans le 2-proponal sans ouvrir la cellule. Le temps de développement dépend donc de la taille des cellules et l&#39;épaisseur de l&#39;écart, et prend habituellement 12 - 24 heures. Remplacement de la IP-L réseau avec d&#39;autres motifs inscriptibles au laser, comme le laser induit motif d&#39;ablation et induite par laser de surface chimiquement modifiée, pourrait se traduire par un alignement de LC et une grande réduction du temps de fabrication. En second lieu, LCE est une matière molle qui subit toujours une adhérence sur le substrat en verre. Lumière déformation induite a été supprimée lorsque les microstructures collent sur la surface. En troisième lieu, la hauteur de la structure est limitée par l&#39;épaisseur de la cellule, et la distance de travail objectif. Dans le système d&#39;écriture laser, la hauteur maximale est d&#39;environ 100 um. techniques d&#39;impression 3D récemment développés pourraient être un bon candidat pour la création de la lumière actionné structure LCE de mésoscopique à l&#39;échelle macroscopique. Cependant, le maintien de l&#39;orientation moléculaire durant la polymérisation pourraitêtre le principal sujet de préoccupation. Cette technique est unique parce que permet d&#39;obtenir de forme libre 3D actionneurs au véritable micrométrique, ce qui est impossible avec d&#39;autres techniques existantes. microstructures LCE peuvent être modelés avec des orientations différentes et des fonctionnalités moléculaires. La mise en œuvre de cette technique par la poursuite du génie chimique, permettra de rendre les actionneurs sensibles à d&#39;autres sources de relance et ouvrira à développer microrobots efficaces et des dispositifs souples photoniques.

Microactionneurs sont des structures microscopiques qui peuvent transmettre de l&#39;énergie externe pour le fonctionnement d&#39;un autre dispositif ou système. En raison de la taille compacte et une capacité de contrôle à distance, ils ont été largement utilisés dans le laboratoire sur puce systèmes 1, micro-détection 2, et micro - robotique 3. Les actionneurs disponibles à ce jour peuvent effectuer des actions que de simples, tels que le gonflement / effondrement dans une matrice d&#39;hydrogel 4, contraction / flexion 5 dans une direction avec le champ extérieur. Bien que les techniques développées récemment ont permis de fabriquer des structures d&#39;actionnement à l&#39;échelle microscopique 6, il est encore un grand défi pour contrôler ces manoeuvres dans la même échelle de longueur. Cet article présente une méthode pour préparer la lumière 3D activer microstructures avec des propriétés d&#39;actionnement contrôlables. La technique est basée sur l&#39;écriture directe au laser (DLW), et il est démontré dans les élastomères à cristaux liquides (LCES). LCES sont soft polymères peignage la propriété d&#39;élastomère et de l&#39;orientation des cristaux liquides. Ces matériaux sont capables de grandes déformations (20-400%) sous différents types de stimuli externes 7. L&#39;avantage d&#39;utiliser LCES pour microactionneurs est la commodité de l&#39; ordre moléculaire d&#39;ingénierie dans les structures, ce qui permet de commander l&#39;actionnement à l&#39;échelle microscopique 8. monomères LC sont synthétisés avec groupement acrylate, permettant à une seule étape photo-polymérisation. Cette propriété permet d&#39;accéder à différents types de techniques de lithographie pour la fabrication de microstructures 3D. Des colorants azo comme photo molécules réactives sont liés au réseau polymère par un procédé de co-polymérisation. Ces molécules se combinent leur capacité de réponse à la lumière forte (trans isomérisation cis) avec la lumière induite par le chauffage du système offrant lumière contrôlée déformation. DLW est une technique pour obtenir des structures de polymère photosensible dans une material de contrôle spatial d&#39;un faisceau laser focalisé 9. DLW permet la création de structures 3D de forme libre dans LCE sans perdre l&#39;alignement moléculaire 6. Il y a plusieurs avantages de DLW dans la fabrication de microactionneurs LCE. Tout d&#39; abord, la résolution peut atteindre l&#39;échelle submicronique et les structures 3D sont vraiment 6. LCE micro méthodes de fabrication indiqué précédemment, par exemple., L&#39; exposition masquée 10 et réplique moulage 11, à condition de résolution jusqu&#39;à environ 10 um et seulement ont une géométrie 2D. Deuxièmement, DLW est un processus de fabrication non-contact. Un solvant approprié peut développer des structures de haute qualité en maintenant la configuration conçue. Technique de moulage par Replica donne rarement une résolution sub-micron 12 et la qualité structurelle est difficile à contrôler. Troisièmement, l&#39; écriture laser offre des options souples pour l&#39; orientation de LC locale à l&#39;échelle microscopique 8,13. Parmi les divers types de techniques d&#39;orientation LC, frottage est most moyen efficace pour orienter les molécules de cristaux liquides et a été largement utilisé dans la préparation du film mince LCE. Ceci a été réalisé en général par frottement sur les couches de polymère pour produire des micro-rainures sur les surfaces intérieures d&#39;une cellule infiltrée par des monomères LC. En raison de l&#39;effet d&#39;ancrage de surface, ces micro-rainures sont capables d&#39;orienter la molécule à cristaux liquides suivant la direction de la rainure. DLW permet la fabrication directe de ces microsillons sur la région sélectionnée dans la direction de pré-conçue avec une précision beaucoup plus élevée. Toutes ces caractéristiques font DLW, une technique unique de parfait pour la fabrication et le contrôle de l&#39;actionnement à l&#39;échelle microscopique. Basé sur DLW, microstructures LCE peuvent être modelés avec des orientations différentes moléculaires. Avec un alignement composé au sein d&#39;une structure unique LCE, actionnements multifonctionnels deviennent possibles. La méthode peut être utilisée pour la fabrication de microactionneurs LCE avec tout type de mélange de monomères de LC. Par la poursuite du génie chimique, il est possible de rendre leactionneurs sensibles à d&#39; autres sources de stimulation, par exemple., l&#39; humidité ou l&#39; éclairage à longueur d&#39; onde différente.

<table><tbody><tr><td>Moléculaire : monomère LC</td><td>SYNTHON Chemicals GmbH & Co. KG</td><td>ST03866</td><td>~78 % molaire dans le mélange</td></tr><tr><td>Moléculaire : réticulant LC</td><td>SYNTHON Chemicals GmbH & Co. KG</td><td>ST03021</td><td>20 % molaire dans le mélange</td></tr><tr><td>Synthèse moléculaire : colorant azoïque</td><td>se référant à la réf. 6</td><td></td><td>1 % molaire dans le mélange. Composant sensible à la lumière, peut être exclu dans la fabrication des actionneurs entraînés par la chaleur.</td></tr><tr><td>Moléculaire : Initiateur</td><td>Sigma</td><td>Irgacure 369</td><td>1 - 2 mol % dans le mélange</td></tr><tr><td>Spacer</td><td>Thermo scientific</td><td></td><td>Microsphere de diamètre de 10 à 100 &micro ;m.</td></tr><tr><td>IP-L</td><td>Nanoscribe GmbH</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Colle à polymérisation UV</td><td>IP-L maison</td><td></td><td>avec initiateur 1 % en poids (Irgacure 369)</td></tr><tr><td>Lame de couverture de microscope</td><td>MENZEL-GL&Auml ; SER</td><td></td><td>Diamètre : 1 ou 3 mm, Épaisseur : 0,16 - 0,19 mm</td></tr><tr><td>Lampe LED UV</td><td>Thorlabs</td><td>M385L2-C4</td><td>Longueur d’onde : 385 &#177 ; 10 nm</td></tr><tr><td>532 nm laser</td><td>Shanghai Dream Lasers</td><td>SDL-532-500T</td><td>500 mW laser</td></tr><tr><td>Direct Laser Système d’écriture</td><td>Nanoscribe GmbH</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Plaque chauffante</td><td>Linkam Scientific Instruments Ltd.</td><td>PE120</td><td>Plage de température : -20 à 120 &deg ; C</td></tr><tr><td>Microscope</td><td>Zeiss</td><td>Axio Observer A1</td><td>Avec polariseurs croisés</td></tr><tr><td>Micro-manipulateur</td><td>Narishige</td><td>MHW-3</td><td></td></tr></tbody></table>

free-forme légère actionneurs - fabrication et contrôle des actuation dans l&#39;échelle microscopique

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

élastomères cristallins liquides (LCES) sont des matériaux intelligents capables de changement de forme réversible en réponse à des stimuli externes, et ont attiré l&#39;attention des chercheurs dans de nombreux domaines. La plupart des études ont porté sur les structures de LCE macroscopiques (films, fibres) et de leur miniaturisation est encore à ses balbutiements. Récemment mis au point des techniques de lithographie, par exemple., L&#39; exposition de masque et réplique moulage, permettre seulement pour créer des structures 2D sur des films minces de LCE. Direct laser d&#39;écriture (DLW) ouvre l&#39;accès à la fabrication véritablement 3D dans l&#39;échelle microscopique. Cependant, le contrôle de la topologie et de la dynamique d&#39;actionnement à la même échelle de longueur reste un défi. Dans cet article, nous présentons une méthode pour contrôler le cristal liquide (LC) alignement moléculaire dans les microstructures LCE de forme arbitraire en trois dimensions. Ceci a été rendu possible par une combinaison de l&#39;écriture directe au laser pour les deux structures de LCE, ainsi que pour des motifs de micrograting induisantLC alignement local. Plusieurs types de motifs de réseau ont été utilisés pour introduire les différents alignements LC, qui peuvent être par la suite dans les structures modelées LCE. Ce protocole permet d&#39;obtenir des microstructures de LCE avec des alignements d&#39;ingénierie en mesure d&#39;effectuer opto-mécanique d&#39;actionnement multiple, étant ainsi capable de fonctionnalités multiples. Les applications peuvent être envisagées dans les domaines de la photonique accordables, micro-robotique, de la technologie de laboratoire sur puce et d&#39;autres.

La figure 1 montre l&#39;optique mise en place pour l&#39; écriture laser. Le système se compose d&#39;un laser à fibre de 780 nm générant 130 impulsions fsec au taux de 100 MHz de répétition. Le faisceau laser est réfléchi dans un télescope pour ajuster le profil de faisceau pour l&#39;ouverture de l&#39;objectif de microscope optique où il est focalisé sur l&#39;échantillon. Au microscope, une étape de piezo 3D est installé avec une gamme de 300 x 300 x 300 um 3 de déplacement pour la traduction de l&#39; échantillon avec une vitesse maximale de 100 um / s à une résolution de 2 nm. la lumière polarisée linéairement provenant d&#39;une lampe rouge éclaire l&#39;échantillon par le haut, tandis que l&#39;image est collectée au fond par le même objectif et réfléchie par un séparateur de faisceau dans une caméra CCD. Avant la caméra, un autre polariseur est utilisé pour obtenir un éclairage polarisé croix pour améliorer le contraste. La figure 2 montre les elec de balayagetron microscope (SEM) images du laser écrites IP-L modèles de micrograting (étape 1). L&#39;espacement des rainures est dans la gamme de 400 - 1200 nm, tandis que la hauteur des rainures (top-to-vallée) est d&#39;environ 700 nm. des motifs de réseaux avec des orientations différentes peuvent induire différents alignements LC, en fonction de l&#39;actionnement de l&#39;élément souhaité LCE. La figure 3 montre l&#39;orientation des monomères à cristaux liquides induite par les motifs de réseau IP-L (étape 2.7). Tout d&#39; abord, les quatre types de motif de micro-réseau avec 100 x 100 um de taille 2 ont été fabriquées chacune sur des côtés opposés d&#39;une cellule de verre (représenté schématiquement sur ​​la figure 3a). En raison de l&#39;ancrage de surface, les monomères LC infiltrés ont été orientées selon la direction des lignes de réseau, présentant ainsi 45 ° d&#39; inversion de contraste dans le microscope optique polarisé (POM) , l&#39; image (figure 3b). figure 4 montre les images SEM d&#39;un LCE nano dot / ligne fabriqué sur IP-L réseaux de réseau avec une orientation différente (étape 2.10). Réseau au sein du réseau, les structures de LCE deviennent plus confiné, avec une résistance beaucoup plus élevée au développement dans le toluène. Une largeur minimale de la LCE déconnectée a été mesurée à ~ 300 nm, ce qui correspond à la résolution de DLW sans que le motif de réseau. Une autre approche intéressante pour l&#39; application photonique pourrait être la réalisation de la structure périodique à grande échelle. Figure 4 (c, d) montre 2D LCE structures périodiques au sein d&#39; un réseau de micro-réseau. Les alignements sont bien conservés à l&#39; intérieur de ces nanostructures, comme indiqué dans les images insérées POM de la figure 4 (c, d). Cependant, la lumière induite par la déformation ne pouvait pas être obtenue dans ces nanostructures. En effet, au sein de l&#39;IP-L réseau, les éléments nano-LCE ont été très confiné et adhérence empêche toute déformation visible. </p&gt; Le système de manipulation de micro repose sur un microscope fait maison réfléchie et est représenté schématiquement sur ​​la figure 5. Un objectif 10X est fixé sur un tube de lentille placée sur une carte de test optique debout verticalement. A 730 nm IR LED source de lumière est utilisée pour l&#39;éclairage à travers un diviseur de faisceau non polarisé. L&#39;image réfléchie est recueillie par le même objectif et projetée sur la caméra. Un état solide à 532 nm laser continu est couplé à l&#39;objectif par un miroir longue passe dichroïque (50% de transmission et de réflexion à 567 nm) à un angle d&#39;incidence de 45 °. Un compteur électrique mesure le faisceau transmis après que le miroir dichroïque pour la détection en temps réel de la puissance du laser. Un spot laser focalisé vaguement de ~ 150 um de diamètre génère intensité lumineuse maximale de ~ 10 W / mm 2. l&#39;intensité du laser est contrôlée par un filtre de densité neutre variable de placée en face du laser. Ci-dessous l&#39;objectif, un tr manuel 3Dstade de anslation est utilisé pour la traduction de l&#39;échantillon. Une étape de chauffage est installé sur l&#39;étage de translation est utilisé pour un contrôle précis de la température de l&#39;échantillon dans un intervalle de -20 à 120 ° C à 0,5 ° C précision. Deux conseils de verre montées sur deux étapes manuelles de traduction ont été placés sur les côtés droit et gauche, près de la position de l&#39;échantillon. Structure micro manipulation peut être réalisée en déplaçant soigneusement les conseils avec l&#39;aide des étapes de traduction. Pour démontrer l&#39;alignement et la déformation de corrélation, nous fabriquons quatre structures LCE cylindriques avec 60 um de diamètre et de 20 um de hauteur. Ces cylindres sont écrits sur quatre-L IP réseau des régions orientées différemment (1 um d&#39;époque). Sous la lumière d&#39;excitation, les colorants à l&#39;intérieur du LCE absorbent l&#39;énergie de la lumière et de la transférer dans le réseau. Les structures de LCE sont chauffés puis subissent la phase de transition (nématique isotropes). transition Cette phase est également aidépar le trans isomérisation cis du colorant dans les mêmes stimuli lumineux. Ainsi, le contrat de structures le long de la LC directeur d&#39; origine d&#39;alignement et d&#39; élargir dans la direction perpendiculaire 7. En fonction des différents alignements locaux induits par les réseaux IP-L, ces structures se déforment selon des directions différentes, comme le montre la figure 6 (étape 3.1). Cette technique permet la création d&#39;actionneurs de composés, qui contiennent plus d&#39;un type d&#39;alignement dans une structure unique. A 400 × 40 × 20 pm 3 taille LCE bande avec deux sections de motif d&#39;alignement a été fabriqué, comme le montre schématiquement la figure 7 (a). Les sections d&#39;alignement comportent chacun une orientation à 90 ° tordue dans une direction différente. La surface avec des contrats d&#39;alignement parallèles, tandis que celui avec l&#39;alignement perpendiculaire se dilate sous l&#39;éclairage de la lumière. La structure a été picked par le système de micromanipulation, et maintenu en l&#39;air par une pointe de verre. Double flexion a été observée sous un éclairage de lumière (étape 3.3). Un faisceau laser modulé (à l&#39;aide d&#39;un hacheur optique) peut induire des déformations cycliques. LCE peut réagir suite à la fréquence de modulation laser (&gt; Hz 1k). Cependant, l&#39;amplitude de la déformation diminue avec l&#39; augmentation de la fréquence 14. <img alt="Figure 1" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig1.jpg" /> Figure 1: Configuration optique pour Direct Laser Writing Un faisceau 780 nm laser (130 impulsions fsec, de taux de 100 MHz de répétition) est couplée à un microscope et focalisé par un objectif de microscope optique dans l&#39;échantillon.. Une étape piézoélectrique 3D avec la gamme de 300 × 300 × 300 um 3 Voyage est utilisé pour la traduction de l&#39; échantillon pendant l&#39; exposition au laser. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53744/53744fig1large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir a la</a><html> version rger de ce chiffre. <img alt="Figure 2" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig2.jpg" /> Figure 2:. SEM Images de IP-L Micro-réseaux a) la structure de ligne parallèle unidirectionnelle. b) Radial motif de réseau. Barre d&#39; échelle:. 10 pm <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53744/53744fig2large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> <img alt="Figure 3" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig3.jpg" /> Figure 3:. IP-L micro-réseau Induire LC orientation a) Représentation schématique des configurations de micro-réseau destinés à l&#39;orientation LC. b) Image en POM de l&#39;orientation du CL induite par les motifs de micrograting. La barre d&#39;échelle est de 50 um. La couleur rouge est due au filtre qui empêche la photo-polymérisation.ge.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure. <img alt="Figure 4" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig4.jpg" /> Figure 4:. SEM Images de Nanostructures LCE embarqués intérieur IP-L Réseaux caillebotis a) et b) Deux modèles de micro-réseau ont été fabriqués par DLW selon des directions différentes, tandis que nanodots LCE sont fabriqués au sein du réseau de réseau. c) et d) des structures de nano LCE périodiques intégrés dans le même type d&#39;IP-L caillebotis. Insets sont l&#39; image POM des structures. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53744/53744fig4large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> <img alt="Figure 5" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig5.jpg" /> Figure 5:. Schéma de l&#39;installation de micromanipulation A CW à l&#39; état ​​solide 532 nm laser est couplé dans un<html> home-made système de microscope. Un objectif 10X est utilisé pour l&#39;imagerie et la focalisation du laser de 532 nm pour l&#39;excitation. Deux étapes de traduction manuelles équipées de manipulateurs de pointe en verre sont utilisés pour l&#39; échantillon de micro-manipulation. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53744/53744fig5large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> <img alt="Figure 6" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig6.jpg" /> Figure 6: Lumière Actuation de LCE micro-cylindres sur quatre différents IP L Régions Micrograting avec des orientations différentes : a) Quatre LCE structures cylindriques avec 60 um de diamètre et de 20 um de hauteur, écrites sur quatre orientées différemment les régions de micro-réseau.. b) les cylindres porte - LCE se déforment selon des axes différents (selon le réseau de diffraction induit par les alignements) lorsqu&#39;ils sont exposés à un rayonnement laser de 532 nm (10 W -2 mm). Barre d&#39;échelle: 100 um.les / ftp_upload / 53744 / 53744fig6large.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure. <img alt="Figure 7" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig7.jpg" /> Figure 7: Déformation Light-conduit de microstructures LCE avec Alignements moléculaires multiples a) Schéma de deux sections de 90 ° opposées alignements torsadées en une seule bande de LCE.. b) et c) des images optiques d&#39;une longue bande de 400 um LCE flexion dans des directions opposées sous 532 nm éclairage laser (3 W mm -2) 8. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53744/53744fig7large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a>

Ici, nous fabriquons des micro/nanostructures polymères 3D dans lesquelles la forme et l’alignement moléculaire peuvent être modifiés avec une précision à l’échelle nanométrique par l’utilisation de l’écriture laser directe. La déformation induite par la lumière de plusieurs types de microstructures d’élastomères à cristaux liquides peut être contrôlée à l’échelle microscopique.

Free-forme légère Actionneurs - Fabrication et contrôle des Actuation dans l&#39;échelle microscopique

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

L’objectif global de cette procédure d’écriture laser en deux étapes est d’obtenir des structures d’actionnement de la lumière de taille micrométrique à base d’élastomère. La méthode peut aider à répondre à des questions clés dans les domaines de la microbiotique et de la microfluidique. Par exemple, comment créer une seule microstructure avec un mouvement complexe.Le principal avantage de cette technique est que l’orientation moléculaire peut être modélisée manuellement à l’échelle microscopique. Ainsi, la forme spécifique d’actionnement peut être commandée de manière ouverte. Certaines de ces méthodes peuvent fournir des microbiotiques internes, mais elles peuvent également être appliquées à différents systèmes tels que l’ajustement de dispositifs photoniques ou de matériaux réactifs à différents stimuli.Daniele Martella, un post-doctorant de mon laboratoire, fera la démonstration d’une partie de la procédure. Pour commencer, nettoyez une lame de couvercle en verre de 3 cm de diamètre avec de l’acétone et du tissu pour lentilles. Ensuite, à l’aide d’une pince ou d’une pince à épiler, placez des micro-sphères de verre sur la lame à environ un demi-centimètre du point central.Ceux-ci fonctionnent comme des entretoises. Placez une lame de microscope de 1 cm de diamètre sur les entretoises et appuyez doucement dessus en position. Ensuite, ajoutez environ deux microlitres de colle à durcissement UV dans l’espace entre les lames aux trois points différents où se trouvent les entretoises.Avant que la colle ne pénètre trop loin dans l’espace, utilisez la lumière UV pour durcir la colle. Celle-ci forme la cellule de l’expérience. Maintenant, le long du bord de la cellule, déposez environ 10 microlitres de résine IPL.Attendez quelques minutes jusqu’à ce que le liquide se soit infiltré dans toute la surface de la cellule. Ensuite, à l’aide de colle à la gomme Fixo, fixez la cellule sur le porte-échantillon. Placez l’ensemble dans le système d’écriture laser directe et, à l’aide d’un objectif 100X, trouvez l’interface sur la surface intérieure supérieure.Ensuite, effectuez une correction d’inclinaison, car la glissière n’est pas parfaitement horizontale. Écrivez maintenant les structures des modèles de classement IPL conçus à l’aide de 6 milliwatts de puissance laser à 60 microns par seconde. Les motifs de gradation sont réalisés avec des courbes ou des lignes droites.Trouvez ensuite l’interface et corrigez l’inclinaison vers la surface intérieure inférieure. Écrivez le motif là aussi. Transférez maintenant la cellule dans un bain d’isopropanol pendant 12 à 24 heures.N’ouvrez pas encore la cellule. Le lendemain, faites sécher la cellule sur une plaque chauffante à 50 degrés Celsius pendant 10 à 20 minutes. Commencez cette procédure en mesurant environ 300 mg de mélange de monomères.Chargez le mélange dans une bouteille en verre et placez-le sur une plaque chauffante réglée entre 70 et 80 degrés Celsius pour faire fondre la poudre. Une fois fondu, remuez-le pendant une heure, entre 90 et 150 tours. Une fois que le mélange est homogène, placez la cellule préparée sur la plaque chauffante à 60 degrés Celsius et déposez 20 microlitres de mélange le long du bord de la plus petite lame de verre.Laissez le liquide se déplacer dans la cellule. Ensuite, protégez la lame de la lumière et transférez-la au microscope à l’aide d’un polariseur croisé et d’un régulateur de température. Avant d’éclairer la cellule, fixez un filtre orange à la lampe pour filtrer les UV. Ensuite, à l’aide de l’étage chauffé, chauffez la cellule à plus de 60 degrés Celsius.Diminuez maintenant la température à un rythme de deux à 10 degrés Celsius par minute pour mesurer la plage de température de la phase à cristaux liquides. Observez l’échantillon avec l’inversion du contraste de l’image, tout en le faisant pivoter de 45 degrés par rapport à l’axe du polariseur. Enfin, une bonne phase nématique homogène à cristaux liquides doit être notée.Fixez ensuite la cellule sur un porte-échantillon pour le système DLW. Chargez l’échantillon et réglez la température pour passer à la phase de cristaux liquides. Trouvez ensuite l’interface de la surface intérieure inférieure et effectuez la correction de l’inclinaison à l’aide d’un objectif 100X.Écrivez ensuite les structures LCE avec une puissance laser de quatre milliwatts et à 60 microns par seconde. Si un objectif 10X est utilisé, réglez le laser à 14 milliwatts et ne vous inquiétez pas de trouver l’interface. Dans ce cas, la structure est fabriquée sur toute l’épaisseur de l’échantillon.Ensuite, déchargez la cellule et utilisez une lame pour retirer la lame de verre supérieure. Une fois la lame supérieure retirée, plongez les structures dans un bain de toluène pendant cinq minutes, puis faites-les sécher à l’air libre pendant 10 minutes. Pour caractériser les microstructures LCE, placez l’échantillon dans le microscope fait maison et focalisez un laser sur les structures à l’aide d’un objectif 10X.À l’aide d’une caméra CMOS, observez la déformation induite par la lumière. À l’aide du contrôle manuel du système de micro-manipulation, placez les micro-pointes en verre qui se trouvent sur les bras manipulateurs à proximité des microstructures LCE. Allumez maintenant le laser à faible puissance, environ 20 milliwatts pour augmenter la température du LCE, et ainsi adoucir la structure.Utilisez ensuite les pointes en verre pour prélever une microstructure LCE et la maintenir en l’air. Ce processus est nécessaire pour éviter l’adhérence de la surface du verre. Ensuite, augmentez la puissance laser au-delà de 100 milliwatts.Enregistrez ensuite la déformation induite par la lumière de la structure LCE pour analyse. Quatre structures cylindriques LCE, d’un diamètre de 60 microns et d’une hauteur de 20 microns, ont été fabriquées sur quatre régions de classement IPL orientées différemment avec une période d’un micron. Sous l’excitation lumineuse, les colorants du LCE ont absorbé de l’énergie et l’ont transférée dans le réseau.Les structures sont passées de la phase nématique à la phase isotrope, se contractant le long du directeur d’alignement LC d’origine et se dilatant dans la direction perpendiculaire. Cette technique permet de créer des actionneurs composés qui contiennent plus d’un type d’alignement dans une seule structure. Par exemple, une bande LCE de 400 x 40 x 20 microns a été fabriquée avec deux sections de motifs d’alignement contenant une torsion de 90 degrés.Sous éclairage léger, la surface avec un alignement parallèle s’est contractée, tandis que celle avec un alignement perpendiculaire s’est élargie. Ainsi, la structure est pliée dans deux directions différentes. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon d’aligner les élastomères à cristaux liquides à l’aide d’une configuration d’écriture laser directe et de la façon de faire bouger les micro-actionneurs à l’aide de la lumière.

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