Préparation des réseaux de cristaux liquides pour macroscopique mouvement oscillatoire induite par la lumière

L'objectif général de ce protocole expérimental est de préparer des réseaux de cristaux liquides présentant une oscillation mécanique sous irradiation lumineuse continue. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés en science des matériaux, telles que l'obtention d'un mouvement microscopique continu, avec des applications potentielles dans les domaines de la robotique souple et des systèmes automatisés. Le principal avantage de cette technique réside dans le fait que ses applications et méthodes sont largement utilisées dans l'industrie de fabrication des écrans incurvés, à l'aide de produits chimiques disponibles sur le marché.

Tout d'abord, nettoyez soigneusement des plaques de verre de trois sur trois centimètres à l'aide de savon et d'eau chaude afin d'éliminer les contaminants. Placez les plaques de verre dans un bécher contenant de l'éthanol. Ensuite, placez le bécher dans un bain ultrasonique pendant environ 10 minutes.

Ensuite, séchez soigneusement les plaques de verre avec un mouchoir en papier et un souffleur d'air. Assurez-vous qu'il ne reste aucune trace de solvant, de poussière ou de tout autre type de contamination sur les plaques. Placez les plaques de verre dans un photoréacteur UV-ozone pendant 20 minutes afin d'éliminer les résidus organiques.

Après le traitement à l'ozone, souffler de l'air sur l'une des plaques de verre et la placer sur un coupleur rotatif. Ensuite, déposer environ 0,5 millilitre de solution de polyamide sur la plaque de verre afin de recouvrir toute la surface. Appliquer la couche d'alignement par centrifugation selon les conditions suivantes.

Après le dépôt par rotation, marquer les plaques de verre du côté non revêtu avec des signes distinctifs permettant d'identifier les couches d'alignement homéotrope et planaire. Placer la plaque de verre revêtue sur un bloc chauffant à 110 degrés Celsius pendant 10 minutes afin d'éliminer la majeure partie du solvant présent dans le mélange de la couche d'alignement. Une fois toutes les plaques de verre revêtues, les placer dans une étuve à 180 degrés Celsius pendant une heure pour durcir la couche de polyamide.

Pour créer des microcanaux sur les plaques de verre revêtues, placez chaque face plane, côté revêtu vers le bas, sur un tissu en velours. Exercez une pression uniforme et douce avec deux doigts. Faites glisser délicatement la plaque de verre le long de la surface du tissu en velours dans une direction droite.

Ensuite, soufflez de l'air sur la plaque de verre. Préparez ensuite un adhésif en mélangeant une colle durcissable par UV avec des billes de verre ayant un diamètre bien défini de 20 micromètres. Déposez deux petites gouttes de colle sur deux coins adjacents d'une plaque de verre revêtue d'une couche d'alignement planaire.

Ensuite, déposez deux autres gouttes de colle à environ cinq millimètres des deux autres coins. Placez la plaque de verre revêtue d'une couche d'alignement homéotrope sur la première plaque de verre, en laissant un espace d'environ quatre millimètres entre les bords des plaques afin de prévoir suffisamment de place pour le mélange de cristaux liquides. Puis polymérisez la colle en exposant les deux plaques de verre ou la cellule à une lumière UV pendant deux minutes.

Placez la cellule sur un bloc chauffant avec le côté homéotrope vers le haut. Réglez la température à 110 degrés Celsius afin de faciliter le remplissage de la cellule, car le fluide est moins visqueux que dans la phase nématique. Placez maintenant une partie du mélange de cristaux liquides sur le bord de la cellule, de sorte que le solide fonde et que le mélange liquide pénètre dans la cellule par capillarité.

Ajoutez davantage de mélange sur les bords jusqu'à ce que la cellule soit remplie. Une fois la cellule remplie, refroidissez-la lentement jusqu'à 90 degrés Celsius afin d'atteindre la phase nématique. Dès que le film atteint 90 degrés Celsius, polymériser le mélange en plaçant la cellule sous une lumière UV à cette température pendant 30 minutes.

Après la polymérisation, placer la cellule sur un bloc chauffant à 130 degrés Celsius pendant environ 10 minutes. Après avoir laissé refroidir la cellule à température ambiante, l'ouvrir en plaçant une lame de rasoir sur un bord et en l'insérant entre les deux plaques de verre. Pour décoller le film, soulever les coins à l'aide de la lame de rasoir.

Détachez délicatement le film de la plaque de verre. Ensuite, découpez une bande le long du directeur moléculaire du film. Puis, fixez l'échantillon de film à l'aide d'une pince auto-verrouillante de manière à ce que 1,7 centimètre du film reste libre de tout mouvement.

Placer l'échantillon verticalement et diriger un faisceau de diode électroluminescente perpendiculairement à l'échantillon pour observer l'auto-oscillation. Le mouvement oscillatoire observé du film sous irradiation lumineuse est illustré dans le protocole présenté, et la qualité de l'alignement en éventail est importante pour l'activation auto-entretenue. Le film doit être transparent.

Pour vérifier l'alignement correct en éventail, le film fixé au substrat en verre est observé entre des polariseurs croisés au-dessus d'une source de lumière blanche diffusée. Lorsque le film se présente en bandes, il présente une courbure naturelle dont le centre de courbure se situe du côté homéotrope, due à la contrainte résiduelle provenant de la polymérisation. Les oscillations mécaniques et thermiques enregistrées par une caméra haute vitesse confirment la réussite du protocole.

Lorsque le film est fixé, il se redresse vers un état plan dans la direction de la lumière. Le film commence alors à se déplacer continuellement avec des oscillations mécaniques et thermiques. Les facteurs clés pour observer ce phénomène sont l'effet photothermique et l'auto-ombrage du film, contrôlés par l'intensité et la position de la lumière.

Une intensité lumineuse trop faible ne provoque pas une grande déformation, car la température au niveau de la charnière est insuffisante, tandis qu'une intensité lumineuse trop élevée sur la charnière entraînera un dépassement. Une fois maîtrisée, cette technique peut être réalisée en quatre heures si elle est correctement exécutée. Lors de la mise en œuvre de cette procédure, il est important de vérifier l'alignement de la phase cristalline liquide avant la polymérisation afin de garantir une oscillation stable.

La puissance de ce protocole réside dans la possibilité de faire varier la fréquence et l'amplitude de l'oscillation en modifiant les dimensions du film et l'intensité lumineuse. Après son développement, cette méthode a ouvert la voie aux chercheurs dans le domaine de la science des matériaux pour explorer d'autres mouvements à l'équilibre dans la matière molle. Après avoir visionné cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la préparation d'un réseau cristallin liquide aligné afin d'obtenir un film photoresponsive.

N'oubliez pas que le travail avec la lumière peut être extrêmement dangereux et que des lunettes de protection contre les rayons UV doivent toujours être portées lors de la réalisation de ces expériences.