Waiting
Elaborazione accesso...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

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

Published: September 20, 2017 doi: 10.3791/56266
Automatic Translation
*1,2, *1,3, 1,3, 1,2
1Institute for Complex Molecular Systems (ICMS), Technical University of Eindhoven, 2Department of Chemical Engineering and Chemistry, Laboratory of Macromolecular and Organic Chemistry, Technical University of Eindhoven, 3Department of Chemical Engineering and Chemistry, Laboratory for Functional Organic Materials and Devices (SFD), Technical University of Eindhoven
* These authors contributed equally

Summary

המטרה של הפרוטוקול היא ליצור סרטים פולימר גבישי נוזלי יכול באופן מכני נעים תחת הקרנה תאורה רציפה. נתאר בפירוט רב את התפיסה של הסרטים שעמד חופשי, מן השיטה יישור גביש נוזלי צילום-הופעה. פרוטוקול נסיוני להחיל כדי להכין את החומר הזה הוא ישים באופן כללי.

Abstract

אסטרטגיה המבוססת על מסומם רשתות גבישי נוזלי מתואר ליצירת תנודות עצמית מתמשכת מכני של סרטי פלסטיק מתחת הקרנה תאורה רציפה. צילום-עירור של dopants זה יכול להפיג במהירות האור אל החום, יחד עם הרחבה תרמי אנאיזוטרופי, צל עצמי של הסרט, מעורר להרכב עצמית מתמשכת. תנודות נצפתה מושפעות על ידי הממדים ובכל המודולוס של הסרט, ועל ידי את כיוון ואת עוצמת האור. המערכת שפותחה מציעה יישומים בהמרת אנרגיה, קצירת עבור רך-רובוטיקה, מערכות אוטומטיות.

השיטה הכללית המתוארים כאן מורכב היצירה הקולנועית גבישי נוזלי שעמד חופשי ואפיון ההשפעות מכני, תרמי שנצפו. יישור מולקולרי מושגת בעזרת יישור שכבות (חתכו אותי. מרחו פוליאימיד), נפוץ התצוגה ייצור בתעשייה. כדי להשיג מפעילים עם דפורמציה גדול, mesogens מיושר, polymerized בתצורת לפעור/עיקול, קרי, עם המנהל של הקריסטלים נוזלי (ארגון LCs) הולך בהדרגה ממישורי homeotropic עד עובי הסרט. על הקרנה, תנודות מכניות, תרמי שהושג מנוטרים עם מצלמה במהירות גבוהה. התוצאות הם עוד יותר לכמת על ידי ניתוח התמונה באמצעות תמונה עיבוד התוכנית.

Introduction

החיפוש לקראת אנרגיה בת קיימא הוא שטח של עניין בתגובה דלדול של אנרגיה מאובנים ושינוי אקלים גובר. שיטות כדי להמיר אנרגיית האור לעבודה מכאנית הם נחקרים, כגון מערכת מודולרית פוטוולטאית להפקת חשמל, ביומסה להפקת הדלק שמזין, שמש פיצול כדי לייצר חמצן ומימן. עם זאת, כל התהליכים האלה, מונעת על ידי אור דורשים מרובי שלבים לפני ייצור האנרגיה שלהם יכול להפעיל מכונות לביצוע העבודה. למרות הגישות הללו מציעים פאנל גדול של יישומים, הם דורשים ייצור, אחסון ותעבורה של intermediates (למשל, דלקים פוטנציאל, כימי חשמלי). לפיכך, המכשירים מסוגלים להמיר אור השמש ישירות לתוך תנועה מאקרוסקופית להציג יתרונות של הפשטה.

בעשרות השנים האחרונות, דוגמאות רבות של צילום-מפעילים פותחו היכן פולימרים לשנות צורה על הקרנה1,2,3. עם זאת, ברוב גדול של דוגמאות אלה, הופעה רציפה דורש הפעלת האור/ביטול כדי לעבור ממצב אחד לשני. עד כה, רק מספר מצומצם של חומרי צילום מגיב עובד out-של-שיווי משקל כבר מתואר4,5,6,7. מערכות בהתבסס על גביש נוזלי רשתות (LCNs)8,9,10,11,12,13 נחקרות גם בגלל מהותי שלהם בנוגע למקורו המאפשר preprogramming להרכב אופנה מבוקרת14. לאחרונה, דווח כי האפקט צילום תרמי המושרה על ידי עירור של צילום-מייצבים שולבו LCN יכול לייצר תנועה מתנדנדות15.

כאן, מתוארת השיטה ליצירת סרטים LCN באופן מכני נעים תחת הקרנה תאורה רציפה. התפיסה של הסרטים מפורט משלב הכנת התאים האפיון, את פלמור של תערובות LC. צילום-הופעה של סרטי LCN וניתוח של התנועה מדווחים גם. LCNs אתה מסטול עם מולקולות יכול להפיג במהירות האור אל החום בתוך הרשת, אשר גורם הרחבה תרמי אניסוטרופי ו עוקבות מאקרוסקופית דפורמציה של הסרט. משחק הגומלין בין עצמי צל, טמפרטורה וריאציה, התכווצות/התארכות של החומר מעורר תנועה מתנדנדות ה-15. ההגדרה המדויקת, כולל את כיוון האור, לדוגמה כדי להשיג אפקט זה מודגשת בפרוטוקול. תנודה מאופיין תדירותו, נשלט על ידי תכונות LCN. לידע שלנו, זהו התיאור הראשון של שיטה ליצירת סרטים LCN יכול עצמית נעים, על ידי מנגנון פשוט עובד עם מגוון רחב של dopants.

Protocol

הערה: ההליך הכולל מפורט באיור 1.

1. הכנה של תאים

  1. ניקוי של צלחות זכוכית
    1. בקפידה לנקות צלחות זכוכית 3 ס"מ על 3 ס"מ בעזרת סבון ומים חמים כדי להסיר מציג ( איור 1 א').
    2. למקם את הזכוכיות הספל לכסות עם אתנול 99.5% ( איור 1B).
    3. המקום כשהספל באמבט אולטראסוני במשך כ- 10 דקות
    4. יבש בזהירות את צלחות זכוכית עם רקמה, האוויר פוצצו.
    5. ודא ואין זכר של הממס, אבק, או כל סוג של זיהום השאיר על לוחיות הרישוי.
      הערה: הזכוכיות עכשיו נקיים, צריך להיות מניפולציות עם כפפות.
    6. מקום הזכוכיות photoreactor UV-האוזון במשך 20 דקות כדי להסיר את כל שאריות אורגניות. לאחר הטיפול, המגשים מוכנים לשלב ציפוי ( איור 1C).
  2. ציפוי של צלחות זכוכית
    הערה: שני סטים של צלחות מצופה מוכנות: ערכה אחת עם שכבה יישור מישורי והשני עם יישור homeotropic. בשלב מאוחר יותר, התא יהיה מורכב לוח זכוכית מישורי אחד וצלחת אחת homeotropic זכוכית ( איור 1D).
    1. אוויר לפוצץ צלחת זכוכית ומניחים אותו על coater ספין.
    2. להפקיד את הפתרון פוליאימיד על צלחת זכוכית כדי לכסות את המשטח כולו (כ 0.5 מ"ל של פתרון).
    3. ספין מעיל השכבה יישור על פי הקריטריונים הבאים: תוכנית 1: 5 s ב- 17-g והאצה של g x 11/s; תוכנית 2:40 s ב 420 x g והאצה של g x 17/s...
  3. אשפרה יישור השכבות
    1. למקם את הצלחות מצופה זכוכית על פלטה חמה ב 110 מעלות צלזיוס למשך 10 דקות על מנת להסיר את הרוב המכריע של הממס נוכח התערובת בשכבה של יישור ( איור 1E).
    2. לסמן את צלחות זכוכית (על הצד שאינו מצופה) עם סימנים מזהים כדי לזהות את homeotropic ואת הרבדים יישור מישוריים. חץ קטן הוא בדרך כלל מועיל עבור לוח הזכוכית מישורי מאז גם מציין את הכיוון שפשוף המתוארים שלב מאוחר יותר ( איור 1F).
    3. פעם צלחות זכוכית הם מצופה, הממס מוסר, למקם את צלחות זכוכית בתנור ב 180 מעלות צלזיוס במשך 1 h כדי לרפא את השכבה פוליאימיד ( איור 1 ג'י).
      התראה: צעד זה כרוך בטמפרטורה חמה מאוד; ללבוש כפפות, משקפיים והגנה אישית המתאימה.
    4. לאחר האפייה הזכוכיות, תן להם מגניב עד טמפרטורת החדר.
      הערה: כדי למנוע כל זיהום בין כל צעד, מומלץ למקם תשובה מכשילה מגן על הצלחות זכוכית-
  4. לשפשף את השכבה יישור מישורי
    1. לשפשף את צלחות זכוכית מצופה בשכבה יישור מישורי על מנת ליצור microchannels (sub) בשכבה אשר ידריך את LC בכיוון אחד. לשם כך, מקם את צלחות זכוכית עם הצד מצופה כלפי מטה על בד קטיפה. החל לחץ אחיד ורך עם שתי אצבעות. בזהירות גרור לוח הזכוכית לאורך פני השטח של בד קטיפה בכיוון ישר. הרם את לוח הזכוכית, לחזור על הפעולה זהה שלוש פעמים ( איור 1 H).
      הערה: חשוב למרוח את הצלחת בכיוון אחד, רק בעת הולך קדימה. הלוך בכיוון ישר יביא במערך המסכן.
  5. מדביק את התאים
    1. אוויר לפוצץ את צלחות זכוכית באמצעות מפוח אוויר את.
    2. להכין את הדבק על ידי ערבוב דבק UV-אשפרה עם מפרידי (חרוזי זכוכית) בעל קוטר מוגדר היטב של 20 מיקרומטר.
    3. לוקחים צלחת זכוכית מצופה בשכבה יישור מישורי אחד לוח הזכוכית מצופה בשכבה יישור homeotropic. במקום שתי טיפות זעירות של דבק בגיל שתי פינות סמוכים של הזכוכית מישוריים. אז במקום 2 טיפות אחרות של דבק בגיל כ 5 מ מ בשתי הפינות האחרונות ( איור 1I).
    4. לקחת את לוח הזכוכית homeotropic ומניחים אותו על העליונה. השאר פער של 4 מ מ בין הקצוות של הזכוכיות לספק די שטח עבור התערובת LC. ודא כי הצדדים מצופה עומדים בפני אחד את השני.
    5. לרפא את הדבק על-ידי הצבת התא למשך 2 דקות מתחת UV אור.
      זהירות: אור UV היא מסוכנים; ללבוש כפפות, משקפיים והגנה אישית המתאימה.

2. הכנת התערובת LC ואפיון

רכיבים
    1. שוקל 97.5 מ"ג של LC diacrylate 1, 2.5 מ ג של מייצב תמונה ו- 1 מ ג של photoinitiator ב בקבוקון זכוכית חום ( איור 2). בגלל הרגישות של היוזם, למנוע חשיפה UV אור לתערובת הטוב והאיכותי ביותר.
  2. הומוגני מערבוב אבקות
    הערה: שלב זה מתבצע בשכונה כימי.
    1. להוסיף 3 מ"ל של דיכלורומתאן (DCM) המרכיבים לעיל ומנערים עד המוצק להתמוססות מלאה.
    2. למקם את הצנצנת על פלטה חמה ב 30 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות ולהוסיף זרם של ארגון כדי לקדם את אידוי מהיר DCM.
      הערה: מומלץ למקם את המבחנה בואקום כדי להסיר את עקבות שיורית DCM.
  3. תצפית תחת מקוטב אופטי מיקרוסקופ (POM) לקביעת שלב המעבר
    1. לאחר שהתערובת יבשה לחלוטין, מניחים כמות קטנה (± 10 מ ג) בין שני לוחות הזכוכית מצופה בשכבה יישור מישוריים.
      הערה: על מנת לאפיין את השלבים כהלכה, מומלץ להשתמש צלחות זכוכית מישורי unrubbed.
    2. למקם את השקופיות לי פום מצויד שלב חם. לחמם את התא עד התמונה הופכת שחורה (באמצעות polarizers מצטלבים) המציין את שלב isotropic.
    3. לאט לקרר את הכיריים ורשום את הטמפרטורות המעבר. על התערובת המתוארים לעיל, איזוטרופיות למעבר nematic ב 103 ° C, nematic המעבר smectic מתרחשת ב 86 ° C ( איור 3 א).

3. סרט הכנה

  1. מילוי של התאים ( איור 1J)
    1. המקום התא על פלטה חמה עם הצד homeotropic כלפי מעלה. הגדר את הטמפרטורה עד 110 מעלות צלזיוס (שלב isotropic) כדי להקל על המילוי של התא כי הנוזל צמיג פחות מאשר בשלב nematic.
    2. למקם חלק התערובת מוצק על הקצה של התא.
      3. נמס
    3. בבית מוצק, נוזל התערובת זורם על ידי קפילריות בתא. מוסיפים את התערובת יותר בקצה עד התא מלא.
  2. קירור nematic שלב ו הפילמור ( איור 1 K)
    1. , ברגע התא מלא, לאט תקרר אותו (5 ° C/דקה) עד 90 ° C כדי להיות בשלב nematic.
    2. ברגע הסרט הוא ככל הנראה, פולימריזציה את התערובת על-ידי הצבת מתחת UV אור ב 90 מעלות צלזיוס במשך 30 דקות
      זהירות: אור UV היא מסוכנים, מומלץ לבצע את הפילמור בסביבה מוגנת.
    3. A בשלב שלאחר האפייה מומלץ להבטיח את הפילמור מלאה של הרשת. למקם את התא על פלטה חמה ב 130 מעלות צלזיוס למשך כ- 10 דקות, תן לו להתקרר לאט עד טמפרטורת החדר.
  3. הפתיחה של התא, חיתוך מדגם
    1. כדי לפתוח את התא, שם סכין גילוח אחד קצוות ולהדוף אותה בין שתי הזכוכיות. תא תיפתח בעת ובעונה אחת ( איור 1 L).
    2. לקלף את הסרט, הרם בפינה קטנה עם סכין גילוח. במידת הצורך, ניתן להציב את צלחת זכוכית במים חמים כדי להקל על ההסרה של הסרט ( איור 1 מ').
    3. להסיר את הסרט מן המים ולהתקלף בעדינות את זה
    4. חותכים פס לאורך המנהל מולקולרית (לשפשף את הכיוון של הצד מישוריים) של הסרט בעל הממדים הבאים: 4 מ מ x 2.5 ס"מ ( איור 1N).

4. התבוננות עצמית תנודה

  1. ההתקנה במעבדה
    1. קלאמפ המדגם באמצעות פינצטה עצמית הסגירה כך הזה 1.7 ס מ של הסרט הוא חופשי לנוע.
    2. להחזיק את הדגימה אנכית ולכוון את האור emitting דיודות (LED) קרן (400 mW/cm 2) מאונך המדגם. בדרך כלל, האור הוא כ-20 ס מ מן המדגם. האור צריך להגיע לפסגה של הסרט, מתחת פינצטה ( איור 4). תנודות שהושג הקליט עם מצלמה במהירות גבוהה (מסגרות לשנייה 150) וניתח עם תוכנית עיבוד התמונה.
  2. ההתקנה עם אור שמש ישיר
    1. המשך כמתואר לעיל צעדים 4.1.1 אבל במקום להשתמש נורית ה-LED, למקד את אור השמש על גבי הסרט עם עדשה.
  3. מדידה של האפקט התרמי
    1. למדוד את הווריאציה טמפרטורה במדגם נדנוד באמצעות מצלמות תרמיות 15 (מסגרות לשנייה 40).

Representative Results

ההצלחה של הפרוטוקול הוא התבוננות מתנדנדות. ההצעה של הסרט תחת אור הקרנה. תנודות גדולות, ניתן לראות תוצאה מטעה. יתר על כן, תנודות יציב לאורך זמן (ציר זמן של שעות) הינם יכול נצפתה.

בין היתר, של יישור splay האיכות היא בעלת חשיבות להגשמת הופעה עצמית מתמשכת (איור 5A). מעבר הצבע בכיוון מולקולרית ברחבי העובי של הסרט גורם להתכווצות/הרחבת בצדדים מישורי/homeotropic של הסרט על הופעה16,17,18. תגובה אסימטרי זו מגבירה את התנועה מאקרוסקופית. הכישלון של הניסוי (היעדרות של כיפוף, דפורמציה קטן או כיפוף מוזר) יכולה להיות מוסברת על ידי יישור המסכן LC. קודם כל, הסרט צריך להיות שקוף. (איור 5B).  כדי לוודא היישור splay הנכון של שלב פשוט, הסרט למצע זכוכית הוא ציין בין polarizers שלובות מעל כשמאירים לבן מקור אור (איור 5C-E). על ידי סיבוב הסרט בין polarizers קרוס של 0° ל ° 45 במישור xy, הסרט בחדות ומשנה את הבהירות. הציר הסרט מהמטוס סביב המנהל מולקולרית, הסרט צריך לשנות צבע שחור (במטוס) לבן (מהמטוס) תוך כדי צפייה מלמעלה. שלבים דומים אימות יכול להיעשות לפני הפילמור על ידי התבוננות התא דרך מקטב מעל הכיריים מכוסה עם רדיד אלומיניום. יתר על כן, כאשר הסרט חותכים רצועות, הוא מציג של עקמומיות טבעית עם המרכז של העקומה בצד homeotropic. זאת בשל הלחץ שיורית שמקורם הפילמור בטמפרטורת גבוהות, שבו הרחבות של שני הצדדים של הסרט יש סימנים מנוגדים (איור 6A). במקרה היישור אינו מוצלח, השיטה כדי להכין את השכבות פוליאימיד צריך לשקול מחדש. הייצור של תאים אלה חיוני להשיג את הסרטים מסודרים היטב. השלב הקריטי ביותר הוא השפשוף: לחץ חזק מדי על הצלחת יסיר באופן חלקי את פוליאימיד שכבה והתוצאה בשכבה הפקודה העורג ליישור. בטמפרטורת החדר הסרט הוא במדינה זכוכית (איור 3B). אם הסרט הוא רך ו/או דביק, זה אומר כי הפילמור לא הושלם, סביר להניח כי הזמן הקרנה קצר מדי או היוזם יורד. התערובת של LC mesogens צריך להיות הומוגני ויבש לפני המילוי של התא, כי הנוכחות של הממס עשויים להשפיע על ההתנהגות שלב של התערובת LC. יש ליישר את התערובת LC לפני הפילמור. אמצעי זהירות יש לנקוט כדי להימנע פלמור תרמי במהלך התהליך של יישור על-ידי עובר את השלבים במהירות וחימום לא המדגם מעל 130 מעלות צלזיוס במשך זמן ממושך. מילוי התא ממש מעל הנקודה סליקה היא מספקת (110 מעלות צלזיוס).

תנודות מכניות, תרמי שרשמו את המצלמה במהירות גבוהה לאשר את ההצלחה של פרוטוקול הציג (איור 7; וידאו 1). כאשר הסרט הוא מהודקי בקצה אחד עוזב 1.7 ס מ חופשי לנוע, לקרינה על הצד מישורי עם אור ממוקד, זה unbends כלפי המדינה שטוח בכיוון של האור (איור 6B). הציר הינו ממוקם במיקום של נקודת המוקד של האור (איור 4). הסרט צריך לעבור בצורה חלקה, בניצב את המלחציים, לא על הצד. ואז הסרט מתחיל לנוע באופן רציף עם תנודות של תדר 7.6 Hz ± 5% ו משרעת 30 ° ± 10% לסרט של מידות 1.7 ס"מ x 0.4 ס"מ x 20 מיקרומטר. תנודות תרמי נמדד עם המצלמה הטרמית נוכח באותו התדר (7.4 Hz ± 5%), עם עיכוב קל שלב בגלל האינרציה של הסרט. זה תדר f נשלטת על ידי הממדים ובכל המודולוס של הסרט15. משרעת התנודות המשתנה עם עוצמת האור, מימוש על ידי ההתקנה, ובמיוחד, מיקום נקודת המוקד של האור על הדגימה. המנגנון של תנודה הוא כדלקמן: 1) הסרט מסולסל הוא מוקרן באור ממוקד, dopant סופג את האור וממיר אותו לתוך חום, הסרט מתחמם על ציר שלה ואת unbends בכיוון מוגדר מראש על ידי יישור LC; 2 טיפ) צללים הציר של הסרט, אשר מעניקה ירידה של הטמפרטורה שלו, שלה לאחר מכן unbending על ידי הרפיה; 3) את הציר נמצא שוב תחת הקרנה, ואובחנו למעלה, הסרט מתכופף15. החזרה על השלבים רצופים הולידה תנודות. גורמי מפתח להתבונן תופעה זו הן את אפקט צילום תרמי ההצללה עצמית של הסרט, נשלט על-ידי עוצמת ואת המיקום של האור ממוקד (איור 4). למשל, מנורה מוטה מעט יניעו החלקה מלאה של המדגם. יתר על כן, נמוך מדי של עוצמת אור האם לוותר על כיפוף גדול כי הטמפרטורה על הציר אינה מספיקה, בעוד גבוהה עוצמת אור בציר יניעו מחטיאים (איור 6C, 180 ° כיפוף של הסרט). דרישה נוספת עבור ההצלחה של הניסוי היא למקם את הכיוונון סביבה מוגן מפני הרוח כדי להימנע ההפרעות.

Figure 1
איור 1. ההליך הכללית כדי להשיג את לפעור מיושר LCN בשלבים 14 (מ- A-N). השלבים A–C: ניקוי של הזכוכיות; צעדים D–G: ציפוי של צלחות זכוכית ליצירת מישוריים או homeotropic יישור שכבות; שלב ה: לשפשף לוחות זכוכית באמצעות בד קטיפה; שלב אני: הדבקת הלוחות כדי ליצור את התא; שלב J: מילוי התא עם תערובת LC, יישור בשלב nematic; שלב K: צילום-polymerizing תחת אור אולטרא סגול; צעדים L–N: פתיחה של התא של חיתוך של הסרט כדי לקבל רצועה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
באיור 2. מבנה כימי של הרכיבים המשמשים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3. אפיון תרמי של תערובת מונומר, פולימר. ) דיפרנציאלית סריקה calorimetry (DSC) של התערובת לפני הפילמור כדי לקבוע את מעברי פאזה. כניסות: תמונות פום, סרגלי קנה מידה: 100 מיקרומטר. B) אנליזה תרמית מכני דינמי (DMTA) מדידה של הסרט פולימריים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 4
באיור 4. תמונה של ההתקנה מציג את ה-LED על צד שמאל, והסרט נדנוד כשכרטיס פינצטה באור הזרקורים. שיבוץ מראה ייצוג סכמטי של הסרט גהר והארה האור המותאמות לשפות אחרות. האזור אדום מקביל הציר חמים הזכיר בטקסט. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 5
איור 5. A) ייצוג סכמטי של היישור splay. תמונה ב') של התא זכוכית ליד הלוגו של TU/e מציג את השקיפות ואת העדר צבע של הסרט. החץ מצביע על הכיוון שפשוף של לוח הזכוכית מישוריים. C - E) תמונות של הסרט נלקח בין polarizers מצטלבים מציג את המאפיינים של היישור splay (תמונה D: סיבוב של 45 מעלות במישור XY, התמונות E: הציר מהמטוס xy). הבמאי מולקולרית של היישור מציינים את החץ האדום. סרגל קנה מידה: 1 ס מ. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 6
איור 6. A) תמונה של הסרט כשכרטיס עם פינצטה מראה של עקמומיות טבעית עם המרכז של העקומה בצד homeotropic. B) התמונה של הסרט הולך מדינה שטוחה על צילום-הקרנה (365 ננומטר, W/cm 0.522). C) תמונה של סרט מוקרן עם גבוהה עוצמת אור מציג כיפוף ב- 180 °. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 7
איור 7. תנודות מכניות של הקצה של הסרט לאורך זמן במהלך הקרנה עם UV אור (LED 365 ננומטר, W/cm 0.522). כניסות: צילומי מסך של הסרט נע הקליט עם המצלמה במהירות גבוהה. הגיאומטריה של הסרט הוא 1.7 ס מ (אורך) x 0.4 ס"מ (רוחב) x 20 מיקרומטר (עבה). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 8
איור 8. תרמי תנודות של האזור חשוף (ציר) לאורך זמן במהלך הקרנה עם אור UV (LED 365 ננומטר, W/cm 0.522). כניסות: צילומי מסך של הסרט נדנוד עם פרופיל הטמפרטורה רשום עם המצלמה הטרמית מציג את השינויים של טמפרטורה הציר. הגיאומטריה של הסרט הוא 1.7 ס מ (אורך) x 0.4 ס"מ (רוחב) x 20 מיקרומטר (עבה). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Discussion

הממצאים המתוארים כאן הם דומה עם המחקר הקודם15 על diacrylate LC עם כרווח של 6 פחמנים. זה מראה כי ניתן להחיל את השיטה כדי להשיג תנודה סרטים עם תכונות מכאניות שונות16.

הכנת LCN מגיב צילום תרמי הוא דיווח. ישנם כמה צעדים בפרוטוקול תיאר כי הם קריטיים, כגון השפשוף של השכבות יישור מישורי ההכנה של התא. אכן, ההצלחה של הפרוטוקול מסתמך על האיכות הגבוהה של היישור splay LC, אשר מגביל גם את היישום סרטים רזה.

בעבר, דוגמאות רבות של צילום-מפעילים בהתבסס על LCNs המכילים כמות גדולה של צילום-בוררים כבר דווח על11,12,13,19. היתרונות העיקריים של השיטה שפותחה כאן יש כמות מוגבלת של dopants צריך להתבונן על הופעה (< 5 wt %) ומבחר רחב של dopants זמין. 15 תוצאות אלה להרחיב את מגוון יישומים פוטנציאליים. יתר על כן, הכוח של פרוטוקול זה הוא היכולת לגוון את התדר של משרעת של תנודה על-ידי שינוי המודולוס של הסרט עם הרכב שונה מטריקס, את הממדים של הפס ואת עוצמת האור.

מתודולוגיה זו ניתן להרחיב בקלות ליצור עם חומרים טווח רחב של LC עבור מערכות אוטומטיות. פרוטוקול המתוארים בזאת סוללת את הדרך לפיתוח של מערכות חומרים קלים-רובוטיקה, אוטומטי ללא שיווי משקל.

Disclosures

המחברים יש אין ניגוד אינטרסים.

Acknowledgments

עבודה זו נתמכה כלכלית על ידי הארגון הולנד למחקר מדעי (בתחרות - גרנט העליון פונט: 10018944), המועצה האירופית למחקר (ERC רטט, גרנט 669991). א ה. ג. מאשר את המימון מתוך התוכנית אנשים (מארי קירי פעולות) של האיחוד האירופי השביעי במסגרת תוכנית האיחוד FP7-2013, מענק מס 607602.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Material
LC diacrylate (compound 1: Figure 2) Syncom custom synthesis
photo-stabilizer Ciba tinuvin 328
photoinitiator Ciba Irgacure 819
Alignment layer planar JSR micro optimer Al1051
Alignment layer homeotropic Nissan chemical industry Sunever grade 5300
Name Company Catalog Number Comments
Equipment
UV-ozone photoreactor Ultra Violet Products, PR-100 Not available
spin coater Karl-SUSS SUSS RC spin coater CT62 V098
UV light Gentec EXFO-Omnicure S2000
micropearl Sekisui Chemicals SP220-20um
Glue Gentec UVS91
LED 365 nm Thorlabs M365LP1
light collimator Thorlabs SM2F32-A
high speed camera PCO. PCO 5.5 sCMOS camera
thermal camera Xenics Infrared solution Gobi-640-GigE used with Xeneth software
Differential Scanning Calorimeter TA instruments Q1000
Dynamic Mechanical Analyzer TA instruments Q800
Polarized Optical Microscope Leica DM6000M

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Ionov, L. Polymeric Actuators. Langmuir. 31 (18), 5015-5024 (2015).
  2. Hu, Y., Li, Z., Lan, T., Chen, W. Photoactuators for Direct Optical-to-Mechanical Energy Conversion: From Nanocomponent Assembly to Macroscopic Deformation. Adv Mater. 28 (47), 10548-10556 (2016).
  3. Ikeda, T., Mamiya, J., Yu, Y. Photomechanics of Liquid-Crystalline Elastomers and Other Polymers. Angew Chem Int Ed. 46 (4), 506-528 (2007).
  4. Arazoe, H., et al. An autonomous actuator driven by fluctuations in ambient humidity. Nat Mater. 15 (10), 1084-1089 (2016).
  5. Ikegami, T., Kageyama, Y., Obara, K., Takeda, S. Dissipative and autonomous square-wave self-oscillation of a macroscopic hybrid self-assembly under continuous light irradiation. Angew Chem Int Ed. 55 (29), 8239-8243 (2016).
  6. Uchida, E., Azumi, R., Norikane, Y. Light-induced crawling of crystals on a glass surface. Nat Commun. 6, 7310 (2015).
  7. Panda, M. K., Runčevski, T., Husain, A., Dinnebier, R. E., Naumov, P. Perpetually Self-Propelling Chiral Single Crystals. J Am Chem Soc. 137 (5), 1895-1902 (2015).
  8. Kumar, K., et al. A chaotic self-oscillating sunlight-driven polymer actuator. Nat. Commun. 7, 11975 (2016).
  9. Camacho-Lopez, M., Finkelmann, H., Palffy-Muhoray, P., Shelley, M. Fast liquid-crystal elastomer swims into the dark. Nat Mater. 3 (5), 307-310 (2004).
  10. Kausar, A., Nagano, H., Ogata, T., Nonaka, T., Kurihara, S. Photocontrolled translational motion of a microscale solid object on azobenzene-doped liquid-crystalline films. Angew Chem Int Ed. 48 (12), 2144-2147 (2009).
  11. Yamada, M., et al. Photomobile Polymer Materials: Towards Light-Driven Plastic Motors. Angew Chem Int Ed. 47 (27), 4986-4988 (2008).
  12. White, T. J., et al. A high frequency photodriven polymer oscillator. Soft Matter. 4 (9), 1796 (2008).
  13. Lee, K. M., et al. Photodriven, flexural-torsional oscillation of glassy azobenzene liquid crystal polymer networks. Adv Func Mater. 21 (15), 2913-2918 (2011).
  14. Liu, D., Broer, D. J. Liquid crystal polymer networks: preparation, properties, and applications of films with patterned molecular alignment. Langmuir. 30 (45), 13499-13509 (2014).
  15. Gelebart, A. H., Vantomme, G., Meijer, E. W., Broer, D. J. Mastering the Photothermal Effect in Liquid Crystal Networks: A General Approach for Self-Sustained Mechanical Oscillators. Adv Mater. 29 (18), (2017).
  16. Broer, D. J., Mol, G. N. Anisotropic thermal expansion of densely cross-linked oriented polymer networks. Polym Eng Sci. 31 (9), 625-631 (1991).
  17. Mol, G. N., Harris, K. D., Bastiaansen, C. W. M., Broer, D. J. Thermo-Mechanical Responses of Liquid-Crystal Networks with a Splayed Molecular Organization. Adv Funct Mater. 15 (7), 1155-1159 (2005).
  18. van Oosten, C. L., Harris, K. D., Bastiaansen, C. W. M., Broer, D. J. Glassy photomechanical liquid-crystal network actuators for microscale devices. Eur Phys J E Soft Matter. 23 (3), 329-336 (2007).
  19. Yu, Y., Nakano, M., Ikeda, T. Photomechanics: Directed bending of a polymer film by light. Nature. 425 (6954), 145 (2003).

Tags

כימיה גיליון 127 תנודה מכני גביש נוזלי אפקט צילום תרמי מגיבים חומרים פולימרים צילום-מפעילים אאוט-של-שיווי משקל רשתות
הכנה של גביש נוזלי רשתות מאקרוסקופית תנועה מתנדנדות המושרה על ידי אור
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Vantomme, G., Gelebart, A. H.,… More

Vantomme, G., Gelebart, A. H., Broer, D. J., Meijer, E. W. Preparation of Liquid Crystal Networks for Macroscopic Oscillatory Motion Induced by Light. J. Vis. Exp. (127), e56266, doi:10.3791/56266 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter