מאמר שיטה

מיקרו-עיבוד לייזר לעיצוב טופוגרפיה של פני שטח פולימרים

DOI:

10.3791/68126

⸱

19 בספטמבר 2025

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Faculty of Mathematics and Physics, University of Ljubljana, 2Faculty of Mechanical Engineering, University of Ljubljana, 3Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg, 4Department of Complex Matter, Jožef Stefan Institute

* These authors contributed equally

במאמר זה

סיכום

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מוצגת שיטה להטלת טופוגרפיה של פני השטח של חומרים פולימריים מרוכבים סופגי אור, במיוחד אלסטומרים מגנטואקטיביים (MAEs), באמצעות מיקרו-עיבוד לייזר. שיטה זו מאפשרת גמישות רבה בעיצובים טופוגרפיים ובניית אב טיפוס מהיר. מודגמת דוגמה לבניית משטחי MAE, אפיון ותגובתם לשדה המגנטי החיצוני.

תקציר

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

אלסטומרים מגנטואקטיביים רכים (MAEs) הם חומרים חכמים המגיבים לשדות מגנטיים חיצוניים על ידי שינוי דינמי של התכונות המכניות שלהם. הם מורכבים ממיקרו-חלקיקים מגיבים מגנטית המשובצים בתוך מטריצת פולימר רכה, המציגים מודול גזירה יעיל של עד 100 kPa. בעשורים האחרונים, המאפיינים בתפזורת של MAEs נוצלו בהצלחה עבור יישומים כגון שיכוך רעידות דינמי, חישת רעידות והפעלה ברובוטיקה רכה. המחקר האחרון עבר לתכונות פני השטח שלהם, וחשף תוצאות מבטיחות על תכונות פני השטח הניתנות לכוונון כגון חספוס, הידבקות והרטבה. אפילו הובלה של עצמים קטנים מוצקים ונוזלים הודגמה. ניתן לשפר משמעותית את השפעות פני השטח הנלוות באמצעות הנדסה מדויקת של טופוגרפיית פני השטח. במאמר זה מוצגת טכניקת מיקרו-עיבוד לייזר יעילה, ברזולוציה של 15 מיקרומטר, המאפשרת אב טיפוס מהיר של משטחי MAE. הוא מאפשר יצירה של צורות מורכבות שונות ומציע פונקציונליות מעבר לזו שניתן להשיג בטכניקות יציקה מסורתיות. בנוסף, הגישה היא רב-תכליתית וניתן ליישם אותה על כל פולימר שסופג מספיק את אור הלייזר. כדוגמה, מוצג תהליך ייצור מיקרו-דפוס משטח למלרי ואפיונו על ידי מיקרוסקופ אלקטרונים אופטי וסריקה. מודגמת תגובתו לשדה מגנטי. הטכניקה מספקת פתרון גמיש ומהיר לאופטימיזציה של עיצוב משטח פולימרי במגוון רחב של יישומים.

מבוא

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מבנה משטח פולימרי הוא שיטה חיונית בתחומים טכנולוגיים רבים. פיתוח וייצור מכשירי מוליכים למחצה משתמשים בפוטוליתוגרפיה, טכניקה מבוססתהיטב 1, לפילמור סלקטיבי של פולימרים רגישים לאור ליצירת מסכות המאפשרות תחריט או שקיעה סלקטיבית של חומרים אחרים, כגון מתכת או תחמוצות. בתוך הקונספט של מעבדה על שבב2, דפוסי צילום, הדפסת תלת מימד או עיבוד פיזי יכולים ליצור תבניות שמטביעות טופוגרפיה שתוכננה מראש עבור התקנים מילי-ומיקרופלואידיים מבוססי פולימרים. כאן, מתוארת שיטה ללא מסכה למבנה פולימרים שיכולה לייצר את אותו טווח צורות שהושג על ידי תבניות בתוספת גיאומטריית בליטה מלוכסנת וזמן סיבוב מהיר3. משטחים עם תכונות קטנות מובילים לתכונות חומר יוצאות דופן כגון יכולת ניקוי עצמי, גרר מופחת4 או צבעים מבניים ססגוניים5. לכן, פיתוח טכניקות עם יכולות בנייה חדשות או משופרות הוא בעל חשיבות עליונה.

אלסטומרים מגנטואקטיביים (MAEs) ידועים זה מכבר כחומר שיכול לשנות את תכונותיו המכניות בתגובה לשדות מגנטיים חיצוניים 6,7,8, והם כבר יושמו בטכנולוגיית רכב ורמקולים. עיבוד לייזר ישיר איפשר עלייה במחקר הניסויי של משטחי MAE ששונו טופוגרפית. שדות מגנטיים יכולים להשפיע על הבליטות המגיבות מגנטית כדי לשנות את צורתן, כיוונן ותכונותיהן האלסטיות. הוכח כי זה יכול להשפיע עמוקות על פגיעת אובייקט וריבאונד 9,10, השתקפות אור11,12, הרטבה13, וניתן להשתמש בו להובלת עצמים מוצקים ונוזליים 14,15,16,17,18,19,20 או ליצור זרימה 21,22. המיקרו-עיבוד לייזר המוצג כאן מתאים היטב ל-MAE מכיוון שחלקיקים מגנטיים סופגים את אור הלייזר המוקרן, מתחממים ומובילים להסרת חומר. השיטה חלה על חומרים מרוכבים של חלקיקים הסופגים מספיק את אור הלייזר וכל פולימר, כמו גם פולימרים סופגי אור ללא חלקיקים.

הדגימות המוצגות במאמר זה נלקחו מגיליונות MAE גדולים יותר. ה-MAE עשוי ממטריצת פולידימתילסילוקסן (PDMS) מלאה בחלקיקי ברזל קרבוניל. ה-PDMS עשוי מתערובת מותאמת אישית (ראה טבלה 1 למרכיבים ויחס המשקל שלהם). הפולימרים, חלקיקי הברזל, שמן הסיליקון והמשנה משולבים ומעורבבים היטב, ולאחר מכן מוסיפים ומערבבים מחדש את הקישור המוצלב, המעכב והזרז. תערובת ה- MAE הנוזלית נמרחת על מצע, במקרה זה, רדיד פוליאתילן טרפתלט (PET) בעובי 0.2 מ"מ, באמצעות מוליך סרט המצויד בלהב מתכוונן המוגדר למרחק של 0.5 מ"מ. המוליך מזיז את הלהב מעל הנוזל בקצב קבוע של 1 מ"מ s−1 ליצירת סרט MAE בעובי הרצוי. לאחר מכן הועבר המצע עם סרט ה-MAE לתבנית אפייה שטוחה והוכנס לתנור למשך שעה ב-80 מעלות צלזיוס ולאחר מכן 24 שעות ב-60 מעלות צלזיוס לריפוי מלא. מודול אחסון הגזירה G0' נמדד בתדר מעגלי של 10 s−1 ומשרעת גזירה של 0.01% על מדגם נפרד בעובי 1 מ"מ. לחומר ששימש בניסויים היה מודול אחסון גזירה של G0' ≈ 15 kPa (מודול יאנג ≈ 45 kPa). מיקרו-עיבוד לייזר (ראה סקיצה באיור 1) משמש ליצירת דפוס פני השטח, המאופיין באמצעות מיקרוסקופ אופטי (איור 2 ואיור 3) ומיקרוסקופ אלקטרונים סורק (איור 3). מוצגים שני סוגים של תבניות: עמודים באיור 1 ולמלות באיור 3 ובאיור 4. המשטח הלמלרי מוסט הצידה בתגובה לשינויי שדה מגנטי (איור 4) שנוצרים על ידי אלקטרומגנט (איור 2).

פרוטוקול

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

דגימה של פולימר מרוכב סופג אופטית עם משטח ישר, שיכול להיות גומי מגנטי בהתאמה אישית או זמין מסחרית, שימשה למחקר זה. לכן, זה אינו שלב קריטי עבור שינוי פני השטח של פולימרים באמצעות שיטת מיקרו-עיבוד לייזר (שלב 1, איור 1). הריאגנטים והציוד המשמש מפורטים בטבלת החומרים.

1. מיקרו-עיבוד לייזר

הערה: השתמש בטכניקת מיקרו-עיבוד כדי להנחות את קרן הלייזר הממוקדת על פני הדגימה עם ראש סריקה דו-ממדי המופעל על ידי גלבו. השתמש במערכת לייזר סיבים ננו-שניות באורך גל של 1064 ננומטר, הספק ממוצע של עד 20 וואט, משך פולס בין 10 ns ל-250 ns, תדר של 1 קילו-הרץ עד 1 מגה-הרץ ואנרגיה לפולס של עד 0.6 mJ. ודא שקוטר הקרן בנקודת המוקד הוא 14.1 מיקרומטר על ידי שימוש בעדשת f-theta טלצנטרית עם אורך מוקד של 56 מ"מ.

  1. הפעל את מערכת המיקרו-עיבוד לייזר ואוורור להסרת אדים.
  2. מקם את דגימת ה-MAE המתרפאת (או פולימר סופג אור אחר) על אזור העבודה של ראש הסריקה במישור המוקד ובהטיה שנבחרה מראש (θ באיור 1).
  3. הגדר את פרמטרי העיבוד והמבנה הרצוי (בדוגמה המוצגת בשלבים 2-4, מבנה למלרי עם רוחב בסיס של 70 מיקרומטר ורוחב מרווח של 160 מיקרומטר, ללא הטיה) בתוכנת בקרת הלייזר לפי השלבים הבאים:
    1. תכנן את מסלול הסריקה על ידי מעקב אחר האזור שבו יש להסיר את החומר (יצירת "נגטיב" של המבנים הנדרשים).
    2. הגדר את פרמטרי הסריקה (חזרות - משתנה בהתאם לעומק היעד3, מהירות סריקה 500 מ"מ לשנייה ומרחק בקיעה 15 מיקרומטר).
      הערה: כייל פרמטרים אלה עבור כל חומר בעל מבנה בדיקה.
    3. הגדר את פרמטרי בקרת הלייזר (הספק 20 וואט, תדר 30 קילו-הרץ, משך דופק 12 ns).
      הערה: כייל פרמטרים אלה עבור כל חומר בעל מבנה בדיקה.
  4. ודא שפרוטוקולי הבטיחות מתקיימים (הרכבת משקפי מגן ואוורור להסרת אדים) והפעל את התוכנית.
  5. (אופציונלי) עבור מבנים מלוכסנים, פצה על הטיית פני השטח של הדגימה על ידי הרמה/הורדה של הדגימה כדי לשמור על אזור העבודה הנוכחי תמיד במישור המוקד, תוך שימוש ב-tagה ליניארי ממונע בהתאמה אישית מונע על ידי בורג עם מנוע צעד ורזולוציה של ±10 מיקרומטר, הנשלט באמצעות תוכנת סריקת הלייזר.
    הערה: פיצוי הגובה תלוי בזווית ההטיה של הדגימה.

figure-protocol-1
איור 1: סקיצה של מערך עיבוד הלייזר עם האלמנטים העיקריים. זום מעגלי: ניתן להטות את הדגימה כדי ליצור מיקרו-מבני משטח מוטים. מתוארות אפשרויות פולימר ומצע אפשריות. משמאל למטה: מוצגת תמונה אופטית של עמודים מלבניים. סרגל קנה מידה: 500 מיקרומטר. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

2. מיקרוסקופיה אופטית

הערה: בצע אפיון ראשוני של דגימות MAE מובנות באמצעות מיקרוסקופ אופטי.

  1. נקה את הדגימה באמצעות גז חנקן בלחץ ופוצץ בעדינות חלקיקי אבק או פסולת פוטנציאליים מהדגימה.
    הערה: היזהר לא להשתמש בפרצי גז חזקים מדי, מכיוון שהדבר עלול להרוס את הדגימה.
  2. הנח את הדגימה על שולחן המיקרוסקופ והפעל את מקור האור המשמש במיקרוסקופיה רפלקטיבית. אם הדגימה מופקדת על מצע שקוף, השתמש במקור אור מעביר.
  3. בחר את מטרת ההגדלה הנמוכה פי 10 ומדוד את הממדים הרוחביים הרלוונטיים של הדגימה, לדוגמה, הגובה בין הלמלות (איור 3A).
    1. התקן מצלמה בחלק העליון של המטרה ומשוך את הידית כדי להפנות את האור מהדגימה לכיוון חיישן המצלמה במקום העינית.
    2. הגדר את קנה המידה של המצלמה על ידי לכידת תמונות שקופיות זכוכית בקנה מידה ייחוס. מדוד את המרחקים הידועים בפיקסלים כדי לקבוע את גודל הפיקסלים של כל מטרה. השתמש בתוכנת קוד פתוח כמו ImageJ כדי לבצע כיול קנה מידה זה.
    3. מדוד את הממדים הרוחביים שנבחרו של המדגם בפיקסלים, ולאחר מכן חשב את המרחקים הפיזיים על ידי הכפלת מספר הפיקסלים בגודל הפיקסלים במיקרומטרים.
  4. עבור למטרה של הגדלה גבוהה יותר פי 40 כדי לרכוש מידע על גובה המבנה.
    1. פתח את פתח השדה כדי לרדוד את עומק השדה.
    2. התאם את גובה שלב המיקרומטר ומקד את המיקרוסקופ בחלק העליון של המבנים. רשום את המספר על בורג המיקרומטר.
    3. הרם לאט את ה-stage על ידי סיבוב בורג המיקרומטר עד שהפוקוס מונח על מצע הדגימה. רשום את המספר על בורג המיקרומטר.
    4. העריכו את גובה המבנה על ידי הפחתת הערכים על בורג המיקרומטר לפני ואחרי כוונון המיקוד (איור 3A).

3. מיקרוסקופ אלקטרונים סורק

הערה: רכוש מידע נוסף על פני השטח של ה-MAE, כמו ריכוזי חלקיקי מילוי או חספוס פני השטח, עם מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM).

  1. התחבר לתוכנת SEM ואוורר את תא הלחץ.
    הערה: מקם את הדגימות הפוטנציאליות ב-SEM הרחק מעמודת הגלאי כשהוא יוצא, כדי למנוע זיהום גלאי.
  2. בזמן שהתא מאוורר, הכן את הדגימות ל-SEM לפי השלבים הבאים:
    1. ללבוש כפפות. חותכים את הדגימות בעזרת אזמל לגודל סיכת מחזיק הדגימה SEM.
    2. הניחו חתיכה קטנה של סרט פחמן דו צדדי על הסיכה, וכיסו אותה בשלמותה. חתוך את הקלטת על ידי הארכתו על קצוות הסיכה.
    3. הדביקו את הדגימות הגזוזות לסיכות באמצעות פינצטה מפלסטיק כדי למנוע פגיעה בדגימות.
    4. נקה את הדגימות באמצעות גז חנקן בלחץ ופוצץ בעדינות חלקיקי אבק או פסולת פוטנציאליים מהדגימה.
      הערה: אל תשתמש בפרצי גז עזים מדי, מכיוון שהדבר עלול להרוס את הדגימות האלסטומריות.
    5. (אופציונלי) צפו את הדגימות בשכבה מוליכה דקה של פחמן או זהב מכיוון שהיא מבטיחה פחות הצטברות מטען וסחיפה במהלך מדידות ארוכות יותר.
  3. פתח את תא הוואקום ושלף את הבמה. הכנס את הפינים עם הדגימות לבמה תוך ציון מיקומם. החזר את ה-stagה למקומו העיקרי וסגור את תא הוואקום.
  4. בצע את מדידות האלקטרונים המפוזרים לאחור.
    הערה: השתמש בפיזור אחורי חזק של אלקטרונים מאטומים גדולים יותר כדי ליצור ניגודיות בהרכב החומר, כפי שמוצג באיור 3B, אלקטרונים מפוזרים לאחור. מדוד צורות וגדלים של חלקיקים, ריכוז ושינויי חלקיקים הנגרמים על ידי אבלציה בלייזר על ידי איסוף נתונים מפוזרים לאחור.
    1. שאבו את האוויר מתא הוואקום כדי להשיג ואקום גבוה. צלם תמונת ניווט אופטית של הדגימות והשתמש בה כמדריך להזזת השלב כדי למקם את הדגימה המעניינת במרחק הנכון מקצה הגלאי.
      הערה: בזמן נהיגה על הבמה, עקוב כל הזמן אחר תנועתה באמצעות מצלמת האינפרא אדום החיה כדי למנוע התנגשויות.
    2. הפעל את אלומת האלקטרונים והצג את התמונה מגלאי הפיזור האחורי הקונצנטרי (CBS). התאם את חוזק האלומה וצורתה על ידי בחירת מתח מאיץ של 30 קילו וולט, גודל נקודה של 4.0 וזמן שהייה של 5 מיקרון.
    3. מצא את המוקד בדגימה באמצעות כוונון ידני או אוטומטי. הגדר את הבהירות והניגודיות הנכונות בעת צפייה בהיסטוגרמה של התמונה שנרכשה והגדל את רוחב ההיסטוגרמה.
    4. בחר את האזור המתאים של הדגימה ואת ההגדלה הרצויה, ואולי התאם מחדש את המיקוד.
  5. בצע את מדידות האלקטרונים המשניות.
    הערה: שימו לב שאלקטרונים משניים נוצרים לאורך נתיב האלקטרונים דרך הדגימה, עם זאת, רק אלקטרונים משניים משכבות פני השטח העליונות ביותר בורחים מהדגימה ומתגלים. על ידי איסוף נתוני אלקטרונים משניים עם מתחי האצה נמוכים מאוד, טופוגרפיה של פני השטח, שבה הניגודיות נובעת מנטיות פני השטח, נצפית באיור 3B של אלקטרונים משניים.
    1. כבה את קרן האלקטרונים. הרחק את מחזיק הדגימה מהגלאי למצב בטוח. הגדר ואקום נמוך בתא של 0.70 מבר. הגדר את הטיית הגלאי ל-68%.
    2. העבר את הדגימות למרחק עבודה של כ-3.5 מ"מ. הגדר מתח מאיץ קטן של 2.0 קילו וולט וגודל נקודה בולט יותר 7. הגדל את זמן השהות ל-100 מיקרון.
    3. הפעל את הקרן והצג את התמונה שזוהתה מגלאי האלקטרונים המשני בעל הוואקום הנמוך (LVD). מצא את המיקוד ואת הבהירות והניגודיות הנכונים.
    4. בחר את האזור המתאים של הדגימה ואת ההגדלה הרצויה, ואולי התאם מחדש את המיקוד.
  6. לאחר המדידות, הנח את המחזיק במצב בטוח ואוורר את תא הוואקום.
  7. תוך כדי לבישת כפפות, פתח את דלתות החדר, הסר את הסיכות עם הדגימות, ובעזרת פינצטה קלף את סרט הפחמן מהסיכה.
  8. שמור את הדוגמאות למדידות חוזרות פוטנציאליות. סגור את דלתות החדר והשאיר את ה- SEM בוואקום גבוה.

4. מניפולציה מגנטית

הערה: השתמש בהגדרה המוצגת באיור 2, באמצעות אלקטרומגנט עם פני מוט 20 מ"מ כדי לעוות משטחים למלריים. הניעו את האלקטרומגנט עם ספק כוח DC, והתבוננו בעיוותים המתקבלים באמצעות מצלמה המשויכת למטרה פי 10.

  1. הנח מחזיק לא מגנטי בין עמודי המגנט. למעלה, בנה מיקרוסקופ על ידי צימוד המטרה לעדשת צינור 200 מ"מ הממקדת את האור בגלאי המצלמה. תכננו את מערכת גלאי המטרה כך שתאפשר תרגומים בכיווני XYZ (איור 2).
  2. נקה את הדגימה באמצעות גז חנקן בלחץ ופוצץ בעדינות חלקיקי אבק או פסולת פוטנציאליים מהדגימה. אל תשתמש בפרצי גז עזים מדי, מכיוון שהדבר עלול להרוס את הדגימה האלסטומרית הרכה.
  3. חבר חתיכת סקוטש דו צדדי למחזיק הדגימה והנח את הדגימה מעליו במרכז בין הקטבים.
    הערה: לטיפול קל יותר בדגימה, השתמש בדבק מסיס במים מפוליוויניל אלכוהול (PVA) כדי להדביק את הדגימות על שקופיות זכוכית מיקרוסקופ (זכוכית גם נדבקת טוב יותר לסרט מאשר האלסטומר).
  4. חבר את כבלי החשמל של האלקטרומגנט לאספקת החשמל והתחבר למצלמה באמצעות כבל חיבור מתאים.
  5. בזמן צילום תמונות, הפעל זרם ישר של 3.2 A על האלקטרומגנט, המייצר שדה מגנטי הומוגני של כ-340 mT במרכז פער הקוטב של 20 מ"מ. השדה המגנטי מעוות את מבני ה-MAE.
  6. חקרו את העיוותים על ידי בדיקת מבנים שונים, כיווני קו מגנטי של דגימה, עוצמות שדה מגנטי ומיתוג שדה דינמי (איור 4).

figure-protocol-2
איור 2: תצלום של מערך המניפולציה המגנטית עם הרכיבים העיקריים המצוינים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

תוצאות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

לאחר בניית משטח ה-MAE, הוא נבדק במיקרוסקופיה אופטית. זה בדרך כלל מספיק כדי לאשר שתבנית פני השטח נקייה מפגמים וכדי לבדוק שהמידות הרוחביות והאנכיות הן כצפוי (איור 3A). SEM נבחר אם יש עניין בפרטים נוספים, כגון התפלגות החלקיקים בתוך מטריצת הפולימר או השפעת עיבוד הלייזר על חספוס פני השטח של הפולימר (איור 3B).

figure-results-1
איור 3: תמונות אופטיות של משטח MAE מובנה. (A) באמצעות יעד הגדלה גבוהה, ניתן לבצע אפיון מבנה ראשוני בכיוונים רוחביים ואורכיים על ידי שינוי המיקוד. סרגל הסולם של התמונה הראשית הוא 500 מיקרומטר, ופסי הסולם בתמונות המוגדלות הם 100 מיקרומטר. אפיוני משטח נוספים נעשים עם SEM (B), שם ניתן לזהות סוגים שונים של אלקטרונים ולמדוד תכונות פני שטח שונות. אלקטרונים מפוזרים לאחור חושפים ניגודיות קומפוזיציונית, בעוד שאלקטרונים משניים מציעים תובנות לגבי השונות הטופוגרפית של פני השטח. כל פסי הסולם הם 50 מיקרומטר. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

ניתן לתפעל את כיוון הבליטה באמצעות שדות מגנטיים משתנים בזמן, אותם ניתן ליצור בדרכים שונות. סלילים יכולים לייצר שדות הניתנים להחלפה אלקטרונית או מגנטים קבועים המועברים מכנית. בדרך כלל, שדות מגנטיים אינם אחידים, אך אם יש צורך בשדות מגנטיים אחידים, ניתן להשתמש בחלק הפנימי של סולנואידים או סלילים בתצורת הלמהולץ23.

figure-results-2
איור 4: דוגמה לבקרת עיוות המבנה על ידי שדה מגנטי. באמצעות אלקטרומגנט ניתן ליצור שדה מגנטי הומוגני במישור הדגימה, הגורם לעיוותים אלסטיים של מבני פני השטח. עיוותים אלה, בתורם, גורמים לשינויים בתכונות פני השטח המקרוסקופיות של חומרי MAE. פסי קנה המידה המוצגים חלים על כל התמונות והם 200 מיקרומטר. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

מרכיבאחוז משקל
פולימר VS 1000007.07
משנה 7150.03
פולימר MV 20001.26
שמן סיליקון16.62
חלקיקי ברזל קרבוניל74.79
קרוסלינקר 2100.12
מעכב DVS0.03
קטליסט 5100.08
סכום100

טבלה 1: היחס בין הכימיקלים בניסוח החומר MAE הניתן לפי אחוזי משקל.

דיון

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

עיבוד פיזי של התבניות אופטימלי לייצור בקנה מידה גדול כאשר הגיאומטריה של תכונות פני השטח כבר מוגדרת מראש. לעומת זאת, אב טיפוס מהיר רצוי בשלב הפיתוח והאופטימיזציה של מכשיר חדש. גם להדפסת תלת מימד של תבניות וגם לפוטוליתוגרפיה ישירה בלייזר יש זמן אספקה מהיר אך יש להם מגבלות. אחד החסרונות של מבנים מודפסים בתלת מימד הוא שהחספוס של התבניות מוביל לקשיים בהפרדת הפולימר היצוק ללא קרע ונזק. פוטוליתוגרפיה ישירה בלייזר מוגבלת לדפוסים אורתוגונליים לפני השטח. הוא מתאים גם רק לפולימרים שאינם מפזרים את האור הנכנס והם שקופים מספיק כדי לאפשר פוטופולימריזציה בכל עובי שכבת הפולימר. ניתן להשתמש בפולימר רגיש לאור ליצירת תבנית לסוג אחר של פולימר, אך הדבר מגדיל את זמן הייצור ומאריך את פיתוח אב הטיפוס. לעומת זאת, עיבוד לייזר הוא שיטה ללא תבנית המאפשרת בנייה ישירה של פולימרים סופגים אופטית. זה הופך אותו למתאים באופן מושלם ליצירת תכונות טופוגרפיות על פולימרים כגון אלסטומרים מגנטואקטיביים (MAEs), אשר מקבלים ספיגה מריכוז גדול של מיקרו-חלקיקים המגיבים מגנטית. באופן מובהק מאוד, הוא גם מאפשר ייצור של תכונות לא אורתוגונליות, כגון קירות מלוכסנים או משופעים3.

מיקרו-עיבוד לייזר
טכניקת המיקרו-עיבוד בלייזר המתוארת בשלב 1 היא חזקה מאוד, אך יש להקדיש תשומת לב מיוחדת להגדרת דגימת ה-MAE. יש להגדיר בקפידה את המרחק מהעדשה על ידי מציאת מישור המוקד במדויק על פני הדגימה תוך שהוא מקביל למישור עדשת המיקוד בגלל מרחק ריילי הקצר המסופק על ידי מערך מערכת הלייזר. גישה שונה ננקטת בעת ייצור מבנים מלוכסנים, מפצה על הטיית פני השטח של הדגימה על ידי הרמה/הורדה של הדגימה כדי לשמור על אזור העבודה הנוכחי תמיד במישור המוקד. אם הצטברות החום בדגימה גדולה מדי (מוערכת במצב לא מקוון, לאחר המיקרו-עיבוד, על ידי בדיקה חזותית של המבנים) ושחיקת המבנים, יש להשתמש בניהול חום מתאים.

מגבלות הגישה קשורות לגודל חלקיקי מילוי החומר, המגדיר את הרזולוציה הרוחבית של התהליך, ולתכונות האופטיות של הדגימה, כלומר ספיגה באורך הגל המופעל. בניסוי, גילינו שרוחב המבנה המינימלי שעדיין עומד במיקרו-עיבוד לייזר הוא בערך פי חמישה מהגודל הממוצע של חלקיקי המילוי3. אם מבני המטרה קטנים מזה, הלייזר יסיר את כל החומר, וכתוצאה מכך משטח לא מובנה (אם כי החספוס שלו יהיה גדול יותר). עבור החומר המוצג כאן, אורך הגל הספציפי של אור הלייזר נספג בעיקר על ידי מיקרו-חלקיקי ברזל בזמן שהוא עובר דרך הפולימר. שינוי אורך גל הלייזר והחלקיקים או החומר הפולימרי יכול לשנות באופן משמעותי את התוצאות. מבנה הבדיקה הוא, אם כן, נקודה קריטית להשגת פרמטרי העיבוד של חומר חדש.

השיטה המתוארת מספקת גמישות לגבי גודל המבנה ואפשרות לייצור מבנים מוטים ללא צורך בתבניות מיוחדות. כמו כן, הבעיה של אגלוטינציה של MAE בהסרת עובש נעדרת בעת שימוש בשיטת מיקרו-עיבוד זו. בהשוואה לציפוי ריסוס מלמטה למעלה תחת שדה מגנטי, שיטה זו מספקת רזולוציה מרחבית גבוהה יותר ואפשרות לייצר מערכי מבנה פני שטח מסודרים. שיטת המיקרו-עיבוד משמשת בתחומי מחקר שבהם נדרשים מבנים פעילים בגודל מיקרומטר לפיתוח מכשירים חדשים, כלומר בקרת הרטבת פני השטח, מיקרופלואידיקה או הובלה של חלקיקים מוצקים או טיפות בגודל מ"מ.

מיקרוסקופיה אופטית
מיקרו-חלקיקי ברזל ב-MAE סופגים אור רב, בעוד שהפולימר הבסיסי, פולידימתילסילוקסן, שקוף אופטית. התבוננות אופטית בחספוס פני השטח של MAE היא מאתגרת מכיוון שנדרשת הדמיה של הפולימר. עבור מדידות מסוג זה, SEM הוא בחירה טובה יותר של ציוד. מצד שני, נוכחותם של מיקרו-חלקיקי ברזל ב-MAE פירושה שנדרש אור רב כדי לצפות בחומר. פתרון נפוץ הוא לצלם תמונות עם זמן חשיפה ארוך ולאפשר לגלאי לאסוף מספיק אור.

מיקרוסקופיה אופטית היא שיטה מהירה לניתוח איכותי וכמותי של דגימות. שינוי מיקוד התמונה אינו השיטה המדויקת ביותר, אך ניתן להשוות אותה לדיוק של שיטת עיבוד הלייזר. בהגדלה של פי 40, הרזולוציה הצירית טובה מאוד (1 מיקרומטר). בשל החספוס של משטח הדגימה, גובה הדגימה אינו מוגדר היטב בסולמות האורך הללו, ולכן גובה ממוצע נמדד במקום זאת עם אי ודאות מוערכת בסביבות 5 מיקרומטר. הגובה לעומת מספר מעברי הלייזר נמצא ב-Kravanja et al.3, שם סרגל השגיאה הקטן ביותר הוא ±4 מיקרומטר. אם יש צורך בדיוק רב יותר, למשל, בחינת חספוס משטח הבליטה, חלופה מצוינת היא סריקת מיקרוסקופיה קונפוקלית.

התבוננות בשינויים המושרים מגנטית ב-vivo תחת המיקרוסקופ אינה מומלצת, מכיוון שהשדות המגנטיים החזקים יכולים למגנט רכיבי מיקרוסקופ ולהפריע למדידות רגישות מגנטיות אחרות. כתוצאה מכך, נעשה כאן שימוש במערך שנבנה בהתאמה אישית לתצפית על מניפולציה מגנטית.

מיקרוסקופ אלקטרונים סורק
SEM היא טכניקת מדידה רב-תכליתית מאוד לתצפית על משטחי חומר. על ידי בחירת גלאים שונים, ניתן לאסוף נתונים טופוגרפיים וקומפוזיציוניים, החושפים את החספוס המושרה על ידי אבלציה פני השטח ואת המבנה המרוכב של MAEs. חשוב לציין ש-MAEs בדרך כלל אינם מוליכים חשמלית, ולכן יש לנקוט באמצעים ספציפיים כדי למנוע הצטברות אלקטרונים על פני הדגימה. אפשר לצפות את הדגימות בתרסיס פחמן או התזת זהב שהופכת את פני השטח למוליכים. זה גם מועיל להשתמש בגודל נקודה קטן וזמני שהייה קצרים או ואקום נמוך שבו אדי מים מסננים את המטענים על משטחי הדגימה. גודל נקודה גדול וזמני שהייה ארוכים בוואקום גבוה עלולים לפגוע בדגימות.

לחומר זה יש ריכוז חלקיקי ברזל גדול מדי (קרוב לסף החלחול) מכדי שכל שיטה לא פולשנית הזמינה כיום תוכל לחדור עמוק לתוך הדגימה מבלי לייצר יותר מדי חפצים, פיזור ורעש במדידה. היוצא מן הכלל היחיד הוא ניסויי פיזור נויטרונים, אם כי הם דורשים מתקנים מיוחדים שאינם נגישים בקלות. עם זאת, עדיין ניתן להשתמש ב-SEM כדי לדמות את התפלגות החלקיקים ברחבי הדגימה באמצעות מדידות אלקטרונים מפוזרים לאחור עבור דגימות שנחתכו על ידי להב24. התגלה כי התפלגות החלקיקים אחידה, למעט שכבת הדלדול, אשר מאמינים כי היא קשורה למשקעים במהלך הריפוי. SEM מוגבל על ידי היעדר מדידות המושרות על ידי שדה מגנטי, שהן המעניינות ביותר מנקודת מבט יישומית.

מניפולציה מגנטית
מניפולציה מגנטית של מבני MAE יכולה להתבצע בקרבת מגנט קבוע או בין נעלי המוט של אלקטרומגנט. בעבודה הנוכחית, הניסויים בוצעו עם אלקטרומגנט בשל שליטה קלה יותר בערכי השדה המגנטי. עדשת אובייקט למרחקים ארוכים לתצפית דגימה שימשה כדי למנוע מגנטיזציה לא רצויה של חלקי המיקרוסקופ. לעדשה היה מרחק עבודה של 34 מ"מ, מה שאיפשר למקם אותה רחוק מספיק מנעלי הקוטב המגנטי, שם עוצמת השדה נעלמה.

חיוני להכיר בכך שדגימות העשויות מחתיכת MAE אחת, הבנויה חלקית על פני השטח, מוארכות גם בשדה מגנטי הומוגני. אז, העיוותים של מיקרו-מבנים הונחו על גבי מתיחת הדגימה. כדי למדוד נכון עיוותים במבנה, יש להפחית את תרומות המתיחה הכוללות.

לאלקטרומגנט לא הייתה תגובת שדה מגנטי מיידית לשינוי מתח המקור, אך קבוע הזמן של המעגל החשמלי הגביל את התגובה החולפת. 11 יש לסנכרן את הפלט הנוכחי של ספק הכוח DC עם לכידת התמונה של המצלמה לצורך ניסויים דינמיים. אפשר למדוד את הזרם החשמלי דרך האלקטרומגנט ולחשב את השדה המגנטי שנוצר או למדוד אותו ישירות באמצעות טסלמטר. עם זאת, במקרה האחרון, יש לקחת בחשבון גם את רוחב הפס של הטסלמטר.

לאחר הקמת מיקרוסקופ בקרבת אלקטרומגנט, ניתן היה למדוד את הפרמטרים הגיאומטריים של משטח ה-MAE המובנה, כמו גם את השינויים הדינמיים שלהם. כמו כן, ניתן היה לבצע אפיון רלוונטי ליישום הרצוי, למשל, זוויות המגע של טיפות על משטחים כאלה וכיצד הן משתנות באופן דינמי.

גילויים

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

למחברים אין ניגודי אינטרסים לחשוף.

תודות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

המחברים אסירי תודה על המימון של תוכניות המחקר של סוכנות המחקר הסלובנית (ARIS) P1-0192, P2-0231 ו-P2-0392, פרויקט המחקר J1-3006, Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, קרן המחקר הגרמנית) - מספר פרויקטים 437391117, 524921900, ובמסגרת פרויקט GREENTECH, במימון משותף של האיחוד האירופי - NextGenerationEU. מחקר זה נתמך בחלקו גם על ידי פרויקט המחקר הדו-צדדי הסלובני-גרמני (ARIS: BI-DE/25-27-003 ו-German Academic Exchange Service (DAAD) Projekt-ID: 57753025). אנו אסירי תודה ל-Evonik Operations GmbH, תוספים מיוחדים, Geesthacht, גרמניה, על אספקת כימיקלים לסינתזה של PDMS ול-BASF SE, לודוויגסהאפן אם ריין, גרמניה, על אספקת אבקת ברזל קרבוניל.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
מטרה של תוכנית אפוכרומט 10xמיטוטויוMY10X-803שימש בשיטה 4 
מטרה 10xניקוןלא ניתן לקבועשימש בשיטה 2, מטרה אווירית
מטרה 40xניקוןלא ניתן לקבועשימש בשיטה 2, מטרה אווירית
מרחיב קרןSPI לייזרים בריטניהPT-P00554
מצלמהקאנוןEOS M200שימשו בשיטה 2
מצלמהפלירBFS-U3-17S7M-Cשימש בשיטה 4 
חלקיקי ברזל קרבונילBASF SECIP SQקוטר ממוצע D50 של 3.9-5.0 ומיקרו; m
קטליסט 510Evonik Operations GmbH, תוספים מיוחדיםקטליסט 510
Crosslinker 210Evonik Operations GmbH, תוספים מיוחדיםCrosslinker 210
ספק כוח DCGW InstekGPD-3303S
אלקטרומגנטGMW3470
DVS מעכבEvonik Operations GmbH, תוספים מיוחדיםDVS מעכב
מקור הלייזרSPI לייזרים בריטניהSP-020P-A-HS-S-A-N
מיקרוסקופניקוןOPTIPHOT2-POL
מתודיפייר 715Evonik Operations GmbH, תוספים מיוחדיםמתודיפייר 715
פולימר MV 2000Evonik Operations GmbH, תוספים מיוחדיםפולימר MV 2000
פולימר VS 100000Evonik Operations GmbH, תוספים מיוחדיםפולימר VS 100000
מיקרוסקופ אלקטרוני סורקתרמופישראקסיה-כימיזם
ראש סריקהריילאסSSIIE-10
שמן סיליקוןווקר כימי AGAK 10
מיקרומטר שלב 1 מ"מניקוןMBM11100סקופית זכוכית בגודל ייחוס
מנוע סטפראיסרט-אלקטרוניקהסדרת P Nema 24 דו-קוטבית 1.8 מעלות 3.5 ניוטון-מטרמנוע סטפר דו-פאזי, 1.8 ו-deg; זווית הצעד
עדשה טלצנטריתרונר-סמית'TSL-1064-18-56-V1

מקורות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Howland, F. L., Poole, K. M. Device Photolithography: An Overview of the New Mask-Making System. Bell System Technical Journal. 49 (9), 1997-2009 (1970).
  2. Gurkan, U. A., et al. Next generation microfluidics: fulfilling the promise of lab-on-a-chip technologies. Lab Chip. 24 (7), 1867-1874 (2024).
  3. Kravanja, G., et al. Laser micromachining of magnetoactive elastomers as enabling technology for magnetoresponsive surfaces. Adv Mater Technol. 7 (5), 2101045(2022).
  4. Zhang, M., Feng, S., Wang, L., Zheng, Y. Lotus effect in wetting and self-cleaning. Biotribology (Oxf). 5, 31-43 (2016).
  5. Zhang, Z., Chen, Z., Shang, L., Zhao, Y. Structural color materials from natural polymers. Adv Mater Technol. 6 (11), 2100296(2021).
  6. Nadzharyan, T. A., Shamonin, M., Kramarenko, E. Y. Theoretical modeling of magnetoactive elastomers on different scales: a state-of-the-art review. Polymers (Basel). 14 (19), 4096(2022).
  7. Shamonin, M., Kramarenko, E. Y. Highly responsive magnetoactive elastomers. Novel magnetic nanostructures. , Elsevier. 221-245 (2018).
  8. Kalina, K. A., et al. Multiscale modeling and simulation of magneto-active elastomers based on experimental data. Phys Sci Rev. 8 (1), 1-31 (2023).
  9. Kriegl, R., et al. Tunable rebound of millimeter-sized rigid balls by magnetic actuation of elastomer-based surface microstructures. Smart Mater Struct. 33 (6), 067001(2024).
  10. Jezeršek, M., et al. Control of droplet impact through magnetic actuation of surface microstructures. Adv Mater Interfaces. 10 (11), 2202471(2023).
  11. Straus, I., et al. Dynamically tunable lamellar surface structures from magnetoactive elastomers driven by a uniform magnetic field. Soft Matter. 19 (18), 3357-3365 (2023).
  12. Yang, Z., Park, J. K., Kim, S. Magnetically responsive elastomer-silicon hybrid surfaces for fluid and light manipulation. Small. 14 (2), 1702839(2018).
  13. Kriegl, R., et al. Microstructured magnetoactive elastomers for switchable wettability. Polymers (Basel). 14 (18), 3883(2022).
  14. Kravanja, G., et al. Magnetically actuated surface microstructures for efficient transport and tunable separation of droplets and solids. Adv Eng Mater. 25 (22), 2301000(2023).
  15. Wei, C., Zong, Y., Jiang, Y. Bioinspired wire-on-pillar magneto-responsive superhydrophobic arrays. ACS Appl Mater Interfaces. 15 (20), 24989-24998 (2023).
  16. Zhou, Y., Huang, S., Tian, X. Magnetoresponsive surfaces for manipulation of nonmagnetic liquids: design and applications. Adv Funct Mater. 30 (6), 1906507(2020).
  17. Li, C., et al. Directional transportation on microplate-arrayed surfaces driven via a magnetic field. ACS Appl Mater Interfaces. 13 (31), 37655-37664 (2021).
  18. Kim, J. H., et al. Remote manipulation of droplets on a flexible magnetically responsive film. Sci Rep. 5 (1), 17843(2015).
  19. Demirörs, A. F., et al. Amphibious transport of fluids and solids by soft magnetic carpets. Adv Sci (Weinh). 8 (21), 2102510(2021).
  20. Wang, L., et al. Dynamic magnetic responsive wall array with droplet shedding-off properties. Sci Rep. 5 (1), 11209(2015).
  21. ul Islam, T., et al. Microscopic artificial cilia-a review. Lab Chip. 22 (9), 1650-1679 (2022).
  22. Gu, H., et al. Magnetic cilia carpets with programmable metachronal waves. Nat Commun. 11 (1), 2637(2020).
  23. Helmholtz coil. , Wikipedia contributors. https://en.wikipedia.org/wiki/Helmholtz_coil (2025).
  24. Straus, I., et al. Surface modification of magnetoactive elastomers by laser micromachining. Materials (Basel). 17 (7), 1550(2024).

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

מאמרים קשורים