Fabbricazione di microsfere di polimeri per risonatore ottico e applicazioni laser

L'obiettivo generale di questa procedura è quello di produrre microrisonatori ottici per dispositivi laser, circuiti ottici e sensori ottici chimici e biologici. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave nella sfera dei materiali polimerici funzionali come l'ottica polimerica, l'optoelettronica e l'elettronica. Il vantaggio principale di questa tecnica semplice e a basso consumo energetico è che utilizza polimeri funzionali per fabbricare risonatori ottici che hanno proprietà sia ottiche che elettriche.

A dimostrare la procedura saranno il signor Okada, il signor Zakarias e il signor Oki, studenti laureati del mio laboratorio. Per iniziare il metodo di diffusione del vapore per questa procedura, aggiungere cinque millilitri di metanolo a una fiala da 50 millilitri. Quindi, sciogliere due milligrammi di polimeri coniugati in due millilitri di cloroformio in una fiala da cinque millilitri.

Posizionare con cautela il flaconcino da cinque millilitri all'interno del flaconcino da 50 millilitri. Dopodiché, tappare il flaconcino da 50 millilitri. Incubare a 25 gradi Celsius per tre giorni per far precipitare le microsfere polimeriche.

Per iniziare il metodo della mini-emulsione, sciogliere cinque milligrammi di polimeri coniugati in un millilitro di cloroformio. Quindi, sciogliere 30 milligrammi di SDS in due millilitri di acqua deionizzata. Aggiungere 100 microlitri della miscela polimerica alla soluzione SDS.

Utilizzando un omogeneizzatore ad altissima velocità, mescolare per due minuti a 30.000 giri/min. Lasciare riposare l'emulsione per un giorno senza che il tappo faccia evaporare il cloroformio. Il giorno successivo, centrifugare la dispersione in una provetta da centrifuga da 1,5 millilitri per cinque minuti a 2.200 volte g.

Dopo aver rimosso il surnatante, aggiungere un millilitro di acqua deionizzata e agitare energicamente. Ripetere la centrifugazione, la rimozione del surnatante e il lavaggio con acqua tre volte per rimuovere completamente eventuali residui di SDS. Per iniziare il metodo di precipitazione dell'interfaccia, sciogliere 20 milligrammi di polistirene in un milligrammo di colorante fluorescente in 20 millilitri di tetraidrofurano.

Aggiungere un millilitro di acqua deionizzata in una microprovetta vuota da 1,5 millilitri. Quindi, versare delicatamente 0,2 millilitri della soluzione di THF sullo strato d'acqua, facendo attenzione a evitare che gli strati si mescolino tra loro. Lasciare riposare la fiala per sei ore senza che il tappo faccia precipitare le microsfere polimeriche.

Per iniziare, diluire una sospensione di microsfere preparate per 10 volte con un solvente povero come metanolo o acqua deionizzata. Utilizzando uno spin coater, centrifugare una goccia della sospensione diluita su un substrato di quarzo. Asciugare all'aria il film colato risultante fino a quando i solventi non sono completamente evaporati.

Quindi, trasferire il substrato di quarzo sul tavolino del campione di un microscopio ottico. Identificare una microsfera isolata e ben definita per la misurazione della micro-fotoluminescenza. Imposta le condizioni del laser come indicato nel protocollo di testo e utilizza un raggio laser focalizzato per irradiare la microsfera.

Utilizzando uno spettrometro, registrare lo spettro di fotoluminescenza. Quindi, scatta un'immagine fluorescente della microsfera irradiata. Per iniziare, posizionare il substrato di quarzo sul tavolino del campione di un microscopio ottico.

Identificare una singola microsfera ben definita. Quindi, posizionare un microago di tungsteno su un apparecchio di micromanipolazione. Utilizzando un controller touch panel, spostare il microago e raccogliere la microsfera.

Collegare la microsfera raccolta a un'altra singola microsfera ben definita. Successivamente, irradiare la microsfera con un raggio laser focalizzato. Usa uno spettrometro per registrare lo spettro di fotoluminescenza.

Quindi, scattare un'immagine fluorescente delle microsfere irradiate. In questo studio, microsfere polimeriche ben definite sono fabbricate utilizzando tre diversi metodi. Il metodo della diffusione del vapore, il metodo della mini-emulsione e il metodo della precipitazione dell'interfaccia.

La microscopia elettronica a scansione mostra che i metodi di diffusione del vapore e di precipitazione dell'interfaccia producono microsfere con morfologia superficiale molto liscia. Tuttavia, quelli ottenuti con il metodo della mini-emulsione sono ruvidi perché il tensioattivo ricopre tutta la superficie. La fotoluminescenza della modalità galleria sussurrata viene quindi registrata per una singola microsfera di polimero uno, polimero due e la loro miscela.

Il fattore Q è stato visto raggiungere 2.200 per il polimero uno. Le microsfere composte dal polimero due, tuttavia, raggiungevano solo i 300, probabilmente a causa della loro morfologia superficiale ruvida. Le microsfere composte dalla miscela polimerica hanno mantenuto un fattore Q elevato di 1.500, probabilmente a causa della sua morfologia liscia.

Microsfere polimorfiche di polistirene drogate con coloranti a polaroni con colori fotoluminescenti di verde, giallo, arancione e rosso sono state collegate formando tetrasfere per studiare la cascata di trasferimento di energia intersferica. Il trasferimento di energia luminosa dal verde al giallo e dal giallo all'arancione è considerato efficiente, mentre il trasferimento di energia dall'arancione al rosso non si è verificato a causa della piccola sovrapposizione tra la banda fotoluminescente del donatore di energia e la banda di adsorbimento dell'accettore di energia. Pertanto, i trasferimenti di energia convertita in alto, ad esempio dal rosso all'arancione, al giallo e al verde, si verificano raramente.

Durante il tentativo di questa procedura, è importante ricordare di evitare di agitare le fiale che potrebbero causare una rapida precipitazione che porta ad aggregati mal definiti. Seguendo questa procedura, è possibile eseguire altri metodi come la polimerizzazione in emulsione e i metodi di polimerizzazione in dispersione per rispondere a ulteriori domande come come preparare sfere polimeriche monodisperse per l'applicazione a cristalli fotonici colloidali. Dopo il suo sviluppo, questa tecnica ha aperto la strada ai ricercatori nel campo della scienza dei polimeri per esplorare applicazioni ottiche e laser utilizzando polimeri funzionali.

Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come preparare i risonatori microottici mediante il processo di autoassemblaggio dal basso verso l'alto. Non dimenticare che lavorando con i dispositivi laser devi prestare particolare attenzione per proteggerti dai raggi laser che danneggiano i tuoi occhi.