הכנה של גביש נוזלי רשתות מאקרוסקופית תנועה מתנדנדות המושרה על ידי אור

המטרה הכללית של פרוטוקול ניסיוני זה היא להכין רשתות גבישים נוזליים המראות תנודה מכנית תחת הקרנה רציפה של אור. שיטה זו יכולה לסייע במתן תשובות לשאלות מפתח במדעי החומרים, כגון כיצד להשיג תנועה מיקרוסקופית רציפה עם יישומים פוטנציאליים ברובוטיקה רכה ובמערכות אוטומטיות. היתרון המרכזי של טכניקה זו הוא שהשימושים והשיטות שלה נפוצים בתעשיית הייצור של splay תוך שימוש בחומרים כימיים זמינים מסחרית.

ראשית, נקו בעדינות פלטות זכוכית בגודל שלושה על שלושה סנטימטרים באמצעות סבון ומים חמים כדי להסיר מזהמים. הניחו את פלטות הזכוכית בתוך כוס כימית עם אתנול. לאחר מכן, הניחו את הכוס הכימית במכשיר אולטרסוני למשך כ-10 דקות.

לאחר מכן, ייבשו בזהירות את לוחות הזכוכית בעזרת נייר סופג ומנשב אוויר. ודאו שלא נותרו על הלוחות עקבות של ממס, אבק או כל סוג של זיהום. הכניסו את לוחות הזכוכית לפוטוריאקטור UV-ozone למשך 20 דקות על מנת להסיר שאריות אורגניות.

לאחר טיפול באוזון, נשפו אוויר על אחת מלוחיות הזכוכית והניחו אותה על Spin Coater. לאחר מכן, טפטפו כ-0.5 מיליליטר של תמיסת פוליאמיד על לוחית הזכוכית כדי לכסות את כל פני השטח. בצעו Spin Coating לשכבת היישור לפי התנאים הבאים.

לאחר ציפוי בסבב (spin coating), סמנו את לוחות הזכוכית בצד שאינו מצופה בסימנים מבדלים כדי להבחין בין שכבות היישור ההומיטרופיות (homeotropic) לשכבות היישור הפלנריות (planar). הניחו את לוח הזכוכית המצופה על פלטה חמה בטמפרטורה של 110 °C למשך 10 דקות כדי להסיר את מרבית הממס הנוכח בתערובת שכבת היישור. לאחר שכל לוחות הזכוכית צופו, הניחו אותם בתנור בטמפרטורה של 180 °C למשך שעה אחת כדי להקשות (cure) את שכבת הפוליאמיד.

כדי ליצור מיקרו-תעלות על לוחות הזכוכית המצופים, הניחו כל לוח שטוח כאשר הצד המצופה פונה כלפי מטה על בד קטיפה. הפילו לחץ אחיד ועדין באמצעות שתי אצבעות. גררו בזהירות את לוח הזכוכית לאורך פני השטח של בד הקטיפה בכיוון ישר.

לאחר מכן, נשוף אוויר על לוחות הזכוכית. בשלב הבא, הכן דבק על ידי ערבוב דבק עם הקשיה ב-UV עם חרוזי זכוכית בעלי קוטר מוגדר של 20 micrometers. הנח שתי טיפות קטנות של דבק בשתי פינות סמוכות של לוח זכוכית המצופה בשכבת יישור מישורית (planar alignment layer).

לאחר מכן, הניחו שתי טיפות דבק נוספות במרחק של כחמישה מילימטרים משתי הפינות האחרות. הניחו את לוחית הזכוכית המצופה בשכבת יישור הומיאוטרופית מעל ללוחית הזכוכית הראשונה, תוך השארת מרווח של כארבעה מילימטרים בין קצוות הלוחיות כדי לספק מספיק מקום לתערובת ה-LC. לאחר מכן, קבעו את הדבק על ידי הצבת שתי לוחות הזכוכית או התא תחת אור UV למשך שתי דקות.

הנח את התא על פלטה מחממת כאשר הצד ההומיוטרופי פונה כלפי מעלה. כוון את הטמפרטורה ל-110 degrees Celsius כדי להקל על מילוי התא, מאחר שהנוזל פחות צמיגי מאשר בשלב הנמטי. כעת, הנח חלק מתערובת ה-LC על קצה התא, כך שהמוצק יימס ותערובת הנוזל תזרום לתוך התא על ידי קפילריה.

הוסיפו תערובת נוספת בשוליים עד שהתא יתמלא. ברגע שהתא מלא, קררו אותו באיטיות ל-90 degrees Celsius כדי להגיע לשלב הנמטי. ברגע שהסרט מגיע ל-90 degrees Celsius, פולמריזו את התערובת על ידי הנחת התא תחת תאורת UV בטמפרטורה זו למשך 30 דקות.

בעקבות הפולימריזציה, הניחו את התא על פלטה חמה בטמפרטורה של 130 °C למשך כ-10 דקות. לאחר שהתא התקרר לטמפרטורת החדר, פתחו אותו על ידי הצבת להב תער בצד אחד ודחיפתו בין שתי לוחות הזכוכית. כדי לקלף את הסרט, הרימו את הפינות בעזרת להב התער.

קלפו בעדינות את הסרט מהלוח הזכוכית. לאחר מכן, גזרו רצועה לאורך הכיוון המולקולרי של הסרט. השתמשו בפינצטה בעלת נעילה עצמית כדי לקבע את דגימת הסרט, כך ש-1.7 centimeters מהסרט יישארו חופשיים לתנועה.

החזיקו את הדגימה בצורה אנכית וכוונו קרן של דיודה פולטת אור (LED) בניצב לדגימה לצורך תצפית על תנודות עצמיות. התנועה התנודתיים הנצפית של הסרט תחת הקרנת אור מוצגת בפרוטוקול זה, ואיכות יישור ה-splay היא קריטית להפעלה עצמית בת-קיימא. על הסרט להיות שקוף.

כדי לוודא שהיישור של ה-splay תקין, בוחנים את הסרט המחובר למצע הזכוכית בין מקטבים מצולבים מעל מקור אור לבן מפוזר. כאשר הסרט נמצא בצורת רצועות, הוא מראה קימור טבעי שמרכזו בצד ההומוטרופי, זאת בשל מאמץ שיורי הנובע מהפולימריזציה. התנודות המכניות והתרמיות שתועדו באמצעות מצלמה במהירות גבוהה מאשרות את הצלחתו של הפרוטוקול.

כאשר הסרט מקובע, הוא נמתח חזרה לעבר המצב השטוח בכיוון האור. לאחר מכן, הסרט מתחיל לנוע באופן רציף עם תנודות מכניות ותרמיות. הגורמים המרכזיים בצפייה בתופעה זו הם האפקט הפוטותרמי וההצללה העצמית של הסרט, הנשלטים על ידי עוצמת האור ומיקומו.

עוצמת אור נמוכה מדי לא תגרום לכיפוף משמעותי כיוון שהטמפרטורה בציר אינה מספיקה, בעוד שעוצמת אור גבוהה מדי על הציר תגרום לחריגה מהמטרה (overshooting). ברגע שהטכניקה תישלט, ניתן לבצע אותה תוך ארבע שעות אם היא מבוצעת כהלכה. בעת ביצוע פרוצדורה זו, חשוב לוודא את היישור של הפאזה הגבישית-נוזלית לפני הפולימריזציה כדי להבטיח קבלת תנודה יציבה.

העוצמה של פרוטוקול זה היא היכולת לשנות את התדירות ואת האמפליטודה של התנודה על ידי שינוי ממדי הסרט ועוצמת האור. לאחר פיתוחה, סללה שיטה זו את הדרך עבור חוקרים בתחום מדע החומרים לחקור תנועות שיווי משקל אחרות בחומר רך. לאחר צפייה בסרטון זה, תהיה לכם הבנה טובה לגבי האופן שבו מכינים רשת גבישים נוזליים מיושרת כדי להשיג סרט בעל תגובה פוטו-רספונסיבית.

אין לשכוח כי עבודה עם אור עלולה להיות מסוכנת ביותר, ויש להרכיב משקפי הגנה מפני UV בכל עת בעת ביצוע ניסויים אלה.