Microlavorazione laser per la progettazione di topografia di superfici polimeriche

Sommario

Viene presentato un metodo per imporre la topografia superficiale di materiali polimerici compositi che assorbono la luce, in particolare elastomeri magnetoattivi (MAE), utilizzando la microlavorazione laser. Questo metodo consente una grande flessibilità nella progettazione topografica e nella prototipazione rapida. Viene dimostrato un esempio di strutturazione delle superfici MAE, della caratterizzazione e della loro risposta al campo magnetico esterno.

Abstract

Gli elastomeri magnetoattivi morbidi (MAE) sono materiali intelligenti che rispondono ai campi magnetici esterni alterando dinamicamente le loro proprietà meccaniche. Sono composti da microparticelle magneticamente sensibili incorporate all'interno di una matrice polimerica morbida, che esibiscono un modulo di taglio efficace fino a 100 kPa. Negli ultimi decenni, le proprietà di massa dei MAE sono state sfruttate con successo per applicazioni come lo smorzamento dinamico delle vibrazioni, il rilevamento delle vibrazioni e l'attuazione nella robotica morbida. Recenti ricerche si sono spostate sulle loro proprietà superficiali, rivelando risultati promettenti su caratteristiche superficiali regolabili come rugosità, adesione e bagnatura. È stato dimostrato anche il trasporto di piccoli oggetti solidi e fluidi. Gli effetti superficiali associati possono essere notevolmente migliorati attraverso l'ingegneria precisa della topografia superficiale. In questo articolo viene presentata un'efficiente tecnica di microlavorazione laser, con una risoluzione di 15 μm, che consente la prototipazione rapida di superfici MAE. Permette la creazione di varie forme complesse e offre funzionalità oltre a quelle ottenibili con le tecniche di stampaggio tradizionali. Inoltre, l'approccio è versatile e può essere applicato a qualsiasi polimero che assorba sufficientemente la luce laser. A titolo di esempio, viene mostrato un processo di fabbricazione di micro-pattern di superfici lamellari e la sua caratterizzazione mediante microscopia ottica ed elettronica a scansione. Viene dimostrata la sua risposta a un campo magnetico. La tecnica fornisce una soluzione flessibile e veloce per ottimizzare la progettazione della superficie polimerica in un'ampia gamma di applicazioni.

Introduzione

La strutturazione superficiale polimerica è un metodo essenziale in molti campi tecnologici. Lo sviluppo e la produzione di dispositivi a semiconduttore utilizzano la fotolitografia, una tecnica ben consolidata¹, per la polimerizzazione selettiva di polimeri sensibili alla luce per creare maschere che consentono l'incisione selettiva o la deposizione di altri materiali, come metalli o ossidi. Nell'ambito del concetto di lab-on-a-chip², il fotopatterning, la stampa 3D o la lavorazione fisica possono creare stampi che imprimono una topografia pre-progettata per dispositivi milli e microfluidici basati su polimeri. Qui viene descritto un metodo senza maschera per strutturare i polimeri in grado di produrre la stessa gamma di forme ottenute dagli stampi con l'aggiunta di una geometria di sporgenza inclinata e un tempo di consegna rapido³. Le superfici con caratteristiche ridotte portano a proprietà eccezionali del materiale come la capacità autopulente, la diminuzione della resistenza⁴ o i colori strutturali iridescenti⁵. Pertanto, lo sviluppo di tecniche con capacità di strutturazione nuove o migliorate è fondamentale.

Gli elastomeri magnetoattivi (MAE) sono noti da tempo come un materiale in grado di modificare le sue proprietà meccaniche in risposta a campi magnetici esterni ^6,7,8 e sono già stati implementati nella tecnologia automobilistica e degli altoparlanti. La lavorazione laser diretta ha permesso un'impennata nell'esplorazione sperimentale di superfici MAE topograficamente modificate. I campi magnetici possono influenzare le sporgenze magneticamente reattive per modificarne la forma, l'orientamento e le proprietà elastiche. È stato dimostrato che questo può influenzare profondamente l'impatto e il rimbalzo degli oggetti ^9,10, la riflessione della luce^11,12, la bagnatura¹³ e può essere utilizzato per trasportare oggetti solidi e liquidi 14,15,16,17,18,19,20 o generare flusso ^21,22. La microlavorazione laser qui presentata è adatta per il MAE perché le particelle magnetiche assorbono la luce laser irradiata, si riscaldano e portano alla rimozione del materiale. Il metodo si applica a compositi di particelle che assorbono sufficientemente la luce laser e qualsiasi polimero, nonché a polimeri che assorbono la luce senza particelle.

Gli esempi mostrati in questo articolo sono presi da fogli MAE più grandi. Il MAE è costituito da una matrice di polidimetilsilossano (PDMS) riempita con particelle di ferro carbonilico. Il PDMS è costituito da una miscela personalizzata (vedere la Tabella 1 per gli ingredienti e il loro rapporto in peso). I polimeri, le particelle di ferro, l'olio siliconico e il modificatore vengono combinati e miscelati accuratamente, dopodiché il reticolante, l'inibitore e il catalizzatore vengono aggiunti e rimescolati. La miscela liquida di MAE viene stesa su un substrato, in questo caso una lamina di polietilene tereftalato (PET) di 0,2 mm di spessore, utilizzando un applicatore di film dotato di una lama regolabile impostata alla distanza di 0,5 mm. L'applicatore sposta la lama sul liquido a una velocità costante di 1 mm s⁻¹ per formare un film MAE dello spessore desiderato. Il substrato con il film MAE è stato quindi trasferito su una teglia piana e posto in forno per 1 ora a 80 °C seguita da 24 ore a 60 °C per polimerizzare completamente. Il modulo di stoccaggio del taglio G₀' è stato misurato a una frequenza circolare di 10 s⁻¹ e un'ampiezza di taglio dello 0,01% su un campione separato di 1 mm di spessore. Il materiale utilizzato negli esperimenti aveva un modulo di stoccaggio a taglio di G₀' ≈ 15 kPa (modulo di Young ≈ 45 kPa). La microlavorazione laser (vedi schizzo nella Figura 1) viene impiegata per creare modelli di superficie, che vengono caratterizzati utilizzando un microscopio ottico (Figura 2 e Figura 3) e un microscopio elettronico a scansione (Figura 3). Sono mostrati due tipi di pattern: i pilastri nella Figura 1 e le lamelle nella Figura 3 e nella Figura 4. La superficie lamellare viene deviata lateralmente in risposta alle variazioni del campo magnetico (Figura 4) generate da un elettromagnete (Figura 2).

Protocollo

Per questo studio è stato utilizzato un campione di un composito polimerico otticamente assorbente con una superficie piana, che può essere realizzato su misura o gomme magnetiche disponibili in commercio. Pertanto, questo non è un passaggio critico per la modifica della superficie del polimero utilizzando il metodo di microlavorazione laser (passaggio 1, Figura 1). I reagenti e le attrezzature utilizzate sono elencati nella Tabella dei Materiali.

1. Microlavorazione laser

NOTA: Utilizzare una tecnica di microlavorazione per guidare il raggio laser focalizzato sulla superficie del campione con una testa di scansione 2D azionata da galvo. Utilizza un sistema laser a fibra a nanosecondi con una lunghezza d'onda di 1064 nm, una potenza media fino a 20 W, una durata dell'impulso compresa tra 10 ns e 250 ns, una frequenza da 1 kHz a 1 MHz ed energia per impulso fino a 0,6 mJ. Assicurarsi che il diametro del raggio nel punto focale sia di 14,1 μm utilizzando un obiettivo f-theta telecentrico con una lunghezza focale di 56 mm.

1. Accendere il sistema di microlavorazione laser e la ventilazione per la rimozione dei fumi.
2. Posizionare il campione MAE polimerizzato (o un altro polimero che assorbe la luce) sull'area di lavoro della testa di scansione sul piano focale e all'inclinazione preselezionata (θ nella Figura 1).
3. Impostare i parametri di lavorazione e la struttura desiderata (in un esempio mostrato nei passaggi 2-4, una struttura lamellare con una larghezza di base di 70 μm e una larghezza di spaziatura di 160 μm, senza inclinazione) nel software di controllo laser seguendo i passaggi seguenti:
   1. Progettare la traiettoria di scansione tracciando l'area in cui il materiale deve essere rimosso (creando un "negativo" delle strutture richieste).
   2. Impostare i parametri di scansione (ripetizioni - variabili a seconda della profondità di³ target, velocità di scansione 500 mm ^s-1 e distanza di tratteggio 15 μm).
      NOTA: Calibrare questi parametri per ogni materiale con una struttura di prova.
   3. Impostare i parametri di controllo laser (potenza 20 W, frequenza 30 kHz, durata dell'impulso 12 ns).
      NOTA: Calibrare questi parametri per ogni materiale con una struttura di prova.
4. Assicurarsi che i protocolli di sicurezza siano rispettati (indossare occhiali protettivi e far funzionare la ventilazione per la rimozione dei fumi) ed eseguire il programma.
5. (Facoltativo) Per le strutture inclinate, compensare l'inclinazione della superficie del campione sollevando/abbassando il campione per mantenere l'area di lavoro corrente sempre sul piano focale, utilizzando uno stadio lineare motorizzato su misura azionato a vite con un motore passo-passo e una risoluzione di ±10 μm, controllato tramite il software di scansione laser.
   NOTA: La compensazione dell'altezza dipende dall'angolo di inclinazione del campione.

Figura 1: Uno schizzo della configurazione di lavorazione laser con gli elementi principali. Zoom circolare: il campione può essere inclinato per creare microstrutture superficiali inclinate. Vengono descritte le possibili opzioni di polimero e substrato. In basso a sinistra: viene mostrata un'immagine ottica di pilastri rettangolari. Barra della scala: 500 μm. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

2. Microscopia ottica

NOTA: Effettuare una caratterizzazione preliminare di campioni MAE strutturati utilizzando un microscopio ottico.

1. Pulire il campione utilizzando azoto gassoso pressurizzato e soffiare via delicatamente potenziali particelle di polvere o detriti dal campione.
   NOTA: Fare attenzione a non utilizzare raffiche di gas troppo forti, in quanto ciò può potenzialmente distruggere il campione.
2. Posizionare il campione sul tavolo del microscopio e accendere la sorgente luminosa utilizzata nella microscopia riflettente. Se il campione viene depositato su un substrato trasparente, utilizzare una sorgente di luce trasmissiva.
3. Scegli l'obiettivo 10x a basso ingrandimento e misura le dimensioni laterali rilevanti del campione, ad esempio il passo tra le lamelle (Figura 3A).
   1. Monta una fotocamera sulla parte superiore dell'obiettivo e tira la leva per reindirizzare la luce dal campione verso il sensore della fotocamera anziché verso l'oculare.
   2. Configura la scala della telecamera acquisendo le immagini dei vetrini della scala di riferimento. Misura le distanze note in pixel per determinare la dimensione in pixel di ciascun obiettivo. Utilizzare un software open source come ImageJ per eseguire questa calibrazione della bilancia.
   3. Misurare le dimensioni laterali scelte del campione in pixel, quindi calcolare le distanze fisiche moltiplicando il numero di pixel per la dimensione dei pixel in micrometri.
4. Passa a un obiettivo 40x con ingrandimento più elevato per acquisire informazioni sull'altezza della struttura.
   1. Aprire l'apertura del campo per ridurre la profondità del campo.
   2. Regolare l'altezza del tavolino micrometrico e mettere a fuoco il microscopio sulla parte superiore delle strutture. Annotare il numero sulla vite del micrometro.
   3. Sollevare lentamente il tavolino ruotando la vite micrometrica fino a quando la messa a fuoco non si trova sul substrato del campione. Annotare il numero sulla vite del micrometro.
   4. Stimare l'altezza della struttura sottraendo i valori sulla vite micrometrica prima e dopo la regolazione della messa a fuoco (Figura 3A).

3. Microscopia elettronica a scansione

NOTA: Acquisire ulteriori informazioni sulla superficie del MAE, come le concentrazioni di particelle di riempimento o la rugosità superficiale, con un microscopio elettronico a scansione (SEM).

1. Collegare al software SEM e sfiatare la camera di pressione.
   NOTA: Posizionare i potenziali campioni nel SEM lontano dalla colonna del rivelatore durante lo sfiato, per evitare la contaminazione del rivelatore.
2. Mentre la camera è in fase di sfiato, preparare i campioni per il SEM seguendo i passaggi seguenti:
   1. Indossare i guanti. Tagliare i campioni con un bisturi fino alle dimensioni del perno portacampioni SEM.
   2. Posiziona un piccolo pezzo di nastro biadesivo di carbonio sul perno, coprendolo intero. Ritaglia il nastro estendendolo sui bordi degli spilli.
   3. Far aderire i campioni tagliati ai perni utilizzando una pinzetta di plastica per evitare di danneggiare i campioni.
   4. Pulire i campioni utilizzando azoto gassoso pressurizzato e soffiare via delicatamente potenziali particelle di polvere o detriti dal campione.
      NOTA: Non utilizzare raffiche di gas troppo intense, in quanto ciò può potenzialmente distruggere i campioni di elastomero morbido.
   5. (Facoltativo) Rivestire i campioni con un sottile strato conduttivo di carbonio o oro perché garantisce un minore accumulo di carica e deriva durante le misurazioni più lunghe.
3. Aprire la camera a vuoto ed estrarre il tavolino. Inserire i perni con i campioni nel tavolino annotando le loro posizioni. Riportare il tavolino nella sua posizione primaria e chiudere la camera a vuoto.
4. Eseguire le misurazioni degli elettroni retrodiffusi.
   NOTA: Utilizzare la forte retrodiffusione di elettroni provenienti da atomi più grandi per generare contrasto nella composizione del materiale, come mostrato nella Figura 3B, elettroni retrodiffusi. Misura le forme e le dimensioni delle particelle, la concentrazione e le variazioni delle particelle indotte dall'ablazione laser raccogliendo dati retrodiffusi.
   1. Pompare l'aria dalla camera a vuoto per ottenere un vuoto elevato. Scatta una foto di navigazione ottica dei campioni e usala come guida per spostare il tavolino per posizionare il campione di interesse alla distanza corretta dal bordo del rivelatore.
      NOTA: Durante la guida del palco, monitorare costantemente il suo movimento utilizzando la telecamera a infrarossi dal vivo per evitare collisioni.
   2. Accendere il fascio di elettroni e visualizzare l'immagine dal rivelatore a retrodiffusione concentrica (CBS). Regola l'intensità e la forma del fascio scegliendo una tensione di accelerazione di 30 kV, una dimensione dello spot di 4,0 e un tempo di permanenza di 5 μs.
   3. Trova la messa a fuoco sul campione utilizzando le regolazioni manuali o automatiche. Impostare la luminosità e il contrasto corretti durante la visualizzazione dell'istogramma dell'immagine acquisita e massimizzare la larghezza dell'istogramma.
   4. Scegliere la regione corretta del campione e l'ingrandimento desiderato, quindi regolare nuovamente la messa a fuoco.
5. Eseguire le misurazioni degli elettroni secondari.
   NOTA: Si noti che gli elettroni secondari vengono generati lungo il percorso degli elettroni attraverso il campione, tuttavia, solo gli elettroni secondari dagli strati superficiali più superficiali fuoriescono dal campione e vengono rilevati. Raccogliendo dati sugli elettroni secondari con tensioni di accelerazione molto basse, la topografia superficiale, dove il contrasto deriva dalle inclinazioni della superficie, è osservata nella Figura 3B degli elettroni secondari.
   1. Spegni il fascio di elettroni. Spostare il portacampioni dal rivelatore in una posizione di sicurezza. Impostare un vuoto basso nella camera di 0,70 mbar. Impostare la polarizzazione del rilevatore al 68%.
   2. Spostare i campioni a una distanza di lavoro di circa 3,5 mm. Impostare una piccola tensione di accelerazione di 2,0 kV e una dimensione dello spot più prominente 7. Aumentare il tempo di permanenza a 100 μs.
   3. Accendere il raggio e visualizzare l'immagine rilevata dal rivelatore di elettroni secondari (LVD) a basso vuoto. Trova la messa a fuoco e la luminosità e il contrasto corretti.
   4. Scegliere la regione corretta del campione e l'ingrandimento desiderato, quindi regolare nuovamente la messa a fuoco.
6. Dopo le misurazioni, posizionare il supporto in posizione di sicurezza e sfiatare la camera a vuoto.
7. Indossando i guanti, aprire gli sportelli della camera, rimuovere i perni con i campioni e, utilizzando una pinzetta, staccare il nastro di carbonio dal perno.
8. Conservare i campioni per eventuali rimisurazioni. Chiudere gli sportelli della camera e lasciare il SEM in alto vuoto.

4. Manipolazione magnetica

NOTA: Utilizzare la configurazione mostrata nella Figura 2, utilizzando un elettromagnete con una faccia polare di 20 mm per deformare le superfici lamellari. Azionare l'elettromagnete con un alimentatore CC e osservare le deformazioni risultanti utilizzando una fotocamera abbinata a un obiettivo 10x.

1. Posizionare un supporto non magnetico tra i poli del magnete. Sopra, costruisci un microscopio accoppiando l'obiettivo a una lente tubolare da 200 mm che focalizza la luce sul rivelatore della fotocamera. Progettare il sistema obiettivo-rivelatore in modo da consentire le traslazioni nelle direzioni XYZ (Figura 2).
2. Pulire il campione utilizzando azoto gassoso pressurizzato e soffiare via delicatamente potenziali particelle di polvere o detriti dal campione. Non utilizzare raffiche di gas troppo intense, in quanto ciò può potenzialmente distruggere il campione di elastomero morbido.
3. Attacca un pezzo di nastro adesivo biadesivo al supporto del campione e posiziona il campione sopra di esso al centro tra i poli.
   NOTA: Per facilitare la manipolazione dei campioni, utilizzare una colla idrosolubile a base di alcol polivinilico (PVA) per incollare i campioni sui vetrini del microscopio (il vetro aderisce meglio al nastro rispetto all'elastomero).
4. Collegare i cavi di alimentazione dell'elettromagnete all'alimentatore e collegarlo alla telecamera utilizzando un apposito cavo di collegamento.
5. Durante l'acquisizione delle immagini, applicare una corrente continua di 3,2 A all'elettromagnete, che produce un campo magnetico omogeneo di circa 340 mT al centro della distanza tra i poli di 20 mm. Il campo magnetico deforma le strutture MAE.
6. Studiare le deformazioni testando diverse strutture, gli orientamenti delle linee magnetiche del campione, le intensità del campo magnetico e la commutazione del campo dinamico (Figura 4).

Figura 2: Una fotografia della configurazione di manipolazione magnetica con i componenti principali indicati. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Risultati

Una volta strutturata la superficie del MAE, viene ispezionata con microscopia ottica. Questo di solito è sufficiente per confermare che il modello di superficie è privo di difetti e per verificare che le dimensioni laterali e verticali siano quelle previste (Figura 3A). Il SEM viene scelto se c'è interesse per ulteriori dettagli, come la distribuzione delle particelle all'interno della matrice polimerica o l'effetto della lavorazione laser sulla rugosità superficiale del polimero (Figura 3B).

Figura 3: Immagini ottiche di una superficie MAE strutturata. (A) Utilizzando un obiettivo ad alto ingrandimento, è possibile eseguire una caratterizzazione preliminare della struttura in direzione laterale e longitudinale variando il fuoco. La barra di scala dell'immagine principale è di 500 μm e le barre di scala nelle immagini ingrandite sono di 100 μm. Ulteriori caratterizzazioni superficiali vengono eseguite con SEM (B), in cui è possibile rilevare diversi tipi di elettroni e misurare diverse proprietà superficiali. Gli elettroni retrodiffusi rivelano il contrasto composizionale, mentre gli elettroni secondari offrono informazioni sulla variazione topografica della superficie. Tutte le barre della scala sono da 50 μm. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

L'orientamento della sporgenza può essere manipolato con campi magnetici variabili nel tempo, che possono essere creati in vari modi. Le bobine possono produrre campi commutabili elettronicamente o magneti permanenti che vengono spostati meccanicamente. Di solito, i campi magnetici non sono uniformi, ma se sono necessari campi magnetici uniformi, l'interno dei solenoidi o delle bobine nella configurazione di Helmholtz può essere utilizzato²³.

Figura 4: Un esempio del controllo della deformazione della struttura da parte di un campo magnetico. Utilizzando un elettromagnete, è possibile generare un campo magnetico omogeneo nel piano del campione, inducendo deformazioni elastiche delle strutture superficiali. Queste deformazioni, a loro volta, inducono cambiamenti nelle proprietà macroscopiche della superficie dei materiali MAE. Le barre di scala mostrate si applicano a tutte le immagini e sono di 200 μm. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Ingrediente	Percentuale in peso
Polimero VS 100000	7.07
Modificatore 715	0.03
Polimero MV 2000	1.26
Olio siliconico	16.62
Particelle di ferro carbonilico	74.79
Reticolante 210	0.12
Inibitore DVS	0.03
Catalizzatore 510	0.08
SOMMA	100

Tabella 1: Il rapporto tra le sostanze chimiche nella formulazione del materiale MAE dato dalla percentuale in peso.

Discussione

La lavorazione fisica degli stampi è ottimale per la produzione su larga scala quando la geometria delle caratteristiche della superficie è già preimpostata. Al contrario, la prototipazione rapida è auspicabile nella fase di sviluppo e ottimizzazione di un nuovo dispositivo. Sia la stampa 3D di stampi che la fotolitografia laser diretta hanno tempi di consegna rapidi ma hanno dei limiti. Uno svantaggio delle strutture stampate in 3D è che la rugosità degli stampi porta a difficoltà nel separare il polimero colato senza rotture e danni. La fotolitografia laser diretta è limitata a modelli ortogonali alla superficie. È inoltre adatto solo per polimeri che non disperdono la luce in entrata e sono sufficientemente trasparenti da consentire la fotopolimerizzazione in tutto lo spessore dello strato polimerico. È possibile utilizzare un polimero fotosensibile per creare uno stampo per un altro tipo di polimero, ma questo aumenta il tempo di fabbricazione e prolunga lo sviluppo del prototipo. Al contrario, la lavorazione laser è un metodo senza stampo che consente la strutturazione diretta di polimeri otticamente assorbenti. Questo lo rende perfettamente adatto per creare caratteristiche topografiche su polimeri come gli elastomeri magnetoattivi (MAE), che ottengono assorbimento da una grande concentrazione di microparticelle magneticamente reattive. In modo molto distintivo, consente anche la produzione di elementi non ortogonali, come pareti inclinate o inclinate³.

Microlavorazione laser
La tecnica di microlavorazione laser descritta nella fase 1 è molto robusta, ma è necessario prestare particolare attenzione al setup del campione MAE. La distanza dalla lente deve essere definita con cura trovando con precisione il piano focale sulla superficie del campione e allo stesso tempo essere parallela al piano della lente di messa a fuoco a causa della breve distanza di Rayleigh fornita dalla configurazione del sistema laser. Un approccio diverso viene adottato quando si fabbricano strutture inclinate, compensando l'inclinazione della superficie del campione sollevando/abbassando il campione per mantenere l'area di lavoro corrente sempre sul piano focale. Se l'accumulo di calore nel campione è troppo grande (valutato offline, dopo la microlavorazione, controllando visivamente le strutture) ed erode le strutture, è necessario utilizzare un'adeguata gestione del calore.

I limiti dell'approccio sono legati alla dimensione delle particelle di riempimento, che definisce la risoluzione laterale del processo, e alle proprietà ottiche del campione, cioè all'assorbanza alla lunghezza d'onda impiegata. Sperimentalmente, abbiamo scoperto che la larghezza minima della struttura che resiste ancora alla microlavorazione laser è circa cinque volte la dimensione media delle particelle di riempitivo³. Se le strutture target sono più piccole di così, il laser rimuoverà tutto il materiale, risultando in una superficie non strutturata (anche se la sua rugosità sarà maggiore). Per il materiale qui presentato, la lunghezza d'onda specifica della luce laser viene assorbita prevalentemente dalle microparticelle di ferro mentre passa attraverso il polimero. La modifica della lunghezza d'onda del laser e della particella o del materiale polimerico può alterare in modo significativo i risultati. La strutturazione dei test è, quindi, un punto critico per ottenere i parametri di lavorazione per il nuovo materiale.

Il metodo descritto offre flessibilità per quanto riguarda le dimensioni della struttura e la possibilità di fabbricare strutture inclinate senza la necessità di stampi specializzati. Inoltre, il problema dell'agglutinazione MAE durante la rimozione dello stampo è assente quando si utilizza questo metodo di microlavorazione. Rispetto al rivestimento a spruzzo dal basso verso l'alto sotto un campo magnetico, questo metodo offre una risoluzione spaziale più elevata e la possibilità di fabbricare array di strutture superficiali ordinate. Il metodo di microlavorazione viene utilizzato in aree di ricerca in cui sono necessarie strutture attive di dimensioni micrometriche per sviluppare nuovi dispositivi, ad esempio, per il controllo della bagnatura superficiale, la microfluidica o il trasporto di particelle solide o goccioline di dimensioni millimetriche.

Microscopia ottica
Le microparticelle di ferro nel MAE assorbono molta luce, mentre il polimero di base, il polidimetilsilossano, è otticamente trasparente. Osservare otticamente la rugosità superficiale del MAE è difficile perché è necessario l'imaging del polimero. Per questo tipo di misurazioni, un SEM è una scelta migliore di apparecchiatura. D'altra parte, la presenza di microparticelle di ferro nel MAE significa che è necessaria molta luce per osservare il materiale. Una soluzione comune consiste nell'acquisire immagini con un tempo di esposizione lungo e consentire al rilevatore di raccogliere abbastanza luce.

La microscopia ottica è un metodo rapido per l'analisi qualitativa e quantitativa dei campioni. La modifica della messa a fuoco dell'immagine non è il metodo più accurato, ma è paragonabile alla precisione del metodo di lavorazione laser. Con un ingrandimento di 40x, la risoluzione assiale è molto buona (1 μm). A causa della rugosità della superficie del campione, l'altezza del campione non è ben definita a quelle scale di lunghezza, quindi viene misurata un'altezza media con incertezze stimate intorno a 5 μm. L'altezza rispetto al numero di passaggi laser si trova in Kravanja et ^al.3, dove la barra di errore più piccola è di ±4 μm. Se è necessaria una maggiore precisione, ad esempio esaminando la rugosità della superficie di protrusione, un'ottima alternativa è la microscopia confocale a scansione.

L'osservazione dei cambiamenti indotti magneticamente in vivo al microscopio non è consigliabile, poiché i forti campi magnetici possono magnetizzare i componenti del microscopio e interferire con altre misurazioni sensibili ai campi magnetici. Di conseguenza, qui viene utilizzata una configurazione personalizzata per l'osservazione della manipolazione magnetica.

Microscopia elettronica a scansione
Il SEM è una tecnica di misurazione molto versatile per l'osservazione delle superfici dei materiali. Scegliendo diversi rivelatori, è possibile raccogliere dati topografici e composizionali, rivelando la rugosità indotta dall'ablazione superficiale e la struttura composita dei MAE. È importante notare che i MAE generalmente non sono elettricamente conduttivi, quindi è necessario adottare misure specifiche per evitare l'accumulo di elettroni sulla superficie del campione. È possibile rivestire i campioni con uno spray al carbonio o uno sputtering d'oro che rende la superficie conduttiva. È anche utile utilizzare uno spot di piccole dimensioni e tempi di permanenza brevi o un basso vuoto in cui il vapore acqueo scherma le cariche sulle superfici del campione. Le grandi dimensioni dello spot e i lunghi tempi di permanenza in alto vuoto possono danneggiare i campioni.

Questo materiale ha una concentrazione di particelle di ferro troppo grande (vicina alla soglia di percolazione) perché qualsiasi metodo non invasivo attualmente disponibile penetri in profondità nel campione senza produrre troppi artefatti, dispersione e rumore nella misurazione. L'unica eccezione sono gli esperimenti di scattering di neutroni, anche se richiedono strutture specializzate che non sono facilmente accessibili. Tuttavia, il SEM può ancora essere impiegato per visualizzare la distribuzione delle particelle in tutto il campione utilizzando misure di elettroni retrodiffusi per campioni tagliati da una lama²⁴. È stato rivelato che la distribuzione delle particelle è uniforme, ad eccezione dello strato di esaurimento, che si ritiene sia collegato alla sedimentazione durante l'indurimento. Il SEM è limitato dall'assenza di misure indotte dal campo magnetico, che sono molto interessanti dal punto di vista applicativo.

Manipolazione magnetica
La manipolazione magnetica delle strutture MAE può essere ottenuta in prossimità di un magnete permanente o tra le scarpe polari di un elettromagnete. Nel presente lavoro, gli esperimenti sono stati eseguiti con un elettromagnete per facilitare il controllo dei valori del campo magnetico. È stata impiegata una lente per oggetti a lunga distanza per l'osservazione del campione per evitare magnetizzazioni indesiderate delle parti del microscopio. La lente aveva una distanza di lavoro di 34 mm, che le permetteva di essere posizionata sufficientemente lontano dai pattini magnetici, dove l'intensità del campo svaniva.

È essenziale riconoscere che i campioni costituiti da un singolo pezzo di MAE, parzialmente strutturato sulla superficie, sono anche allungati in un campo magnetico omogeneo. Quindi, le deformazioni delle microstrutture sono state sovrapposte all'allungamento del campione. Per misurare correttamente le deformazioni della struttura, è necessario sottrarre i contributi complessivi allo stiramento.

Un elettromagnete non aveva una risposta istantanea del campo magnetico al variare della tensione della sorgente, ma la costante di tempo del circuito elettrico limitava la risposta ai transitori. ¹¹ L'uscita di corrente dell'alimentatore CC deve essere sincronizzata con l'acquisizione delle immagini della fotocamera per gli esperimenti dinamici. È possibile misurare la corrente elettrica attraverso l'elettromagnete e calcolare il campo magnetico generato o misurarla direttamente utilizzando un teslametro. Tuttavia, in quest'ultimo caso, è necessario considerare anche la larghezza di banda del teslametro.

Avendo installato un microscopio in prossimità di un elettromagnete, è stato possibile misurare i parametri geometrici della superficie MAE strutturata, nonché i loro cambiamenti dinamici. È stato anche possibile eseguire la caratterizzazione relativa all'applicazione desiderata, ad esempio gli angoli di contatto delle goccioline su tali superfici e il modo in cui cambiano dinamicamente.

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
Obiettivo 10x Piano Apochromat	Mitutoyo	MY10X-803	usata nel Metodo 4 e nbsp;
Obiettivo 10x	Nikon	Non si può determinare	usato nel Metodo 2, obiettivo aereo
Obiettivo 40x	Nikon	Non si può determinare	usato nel Metodo 2, obiettivo aereo
Espansore a fascio	SPI Lasers Regno Unito	PT-P00554
Macchina fotografica	Canonico	EOS M200	Usato nel Metodo 2
Macchina fotografica	FLIR	BFS-U3-17S7M-C	usata nel Metodo 4 e nbsp;
Particelle di carbonile di ferro	BASF SE	CIP SQ	diametro medio D50 di 3,9-5,0 e micro; m
Catalizzatore 510	Evonik Operations GmbH, Additivi Speciali	Catalizzatore 510
Reticolatore 210	Evonik Operations GmbH, Additivi Speciali	Reticolatore 210
Alimentazione DC	GW Instek	GPD-3303S
Elettromagnete	GMW	3470
DVS inibitore	Evonik Operations GmbH, Additivi Speciali	DVS inibitore
Sorgente laser	SPI Lasers Regno Unito	SP-020P-A-HS-S-A-N
Microscopio	Nikon	OPTIPHOT2-POL
Modificatore 715	Evonik Operations GmbH, Additivi Speciali	Modificatore 715
Polymer MV 2000	Evonik Operations GmbH, Additivi Speciali	Polymer MV 2000
Polimero VS 100000	Evonik Operations GmbH, Additivi Speciali	Polimero VS 100000
Microscopio elettronico a scansione	ThermoFisher	AXIA-CHEMISEM
Testina di scansione	Raylasi	SSIIE-10
Olio di silicone	Wacker Chemie AG	AK 10
Micrometro di stadio 1mm	Nikon	MBM11100	Diapositiva di riferimento per dimensioni
Motore passo a passo	Isert-elettronica	Serie P Nema 24 Bipolar 1,8 gradi 3,5 Nm	Motore passo a passo bifase, 1,8 e gradi; Angolo di passo
Lente telecentrica	Ronar-Smith	TSL-1064-18-56-V1