Preparazione delle reti di cristalli liquidi per moto oscillatorio macroscopica indotta da luce

L'obiettivo generale di questo protocollo sperimentale è preparare reti di cristalli liquidi che mostrano oscillazioni meccaniche sotto irradiazione luminosa continua. Questo metodo può contribuire a rispondere a domande fondamentali nella scienza dei materiali, come ad esempio come ottenere un movimento microscopico continuo con possibili applicazioni nella robotica morbida e nei sistemi automatizzati. Il vantaggio principale di questa tecnica è che le sue applicazioni e i suoi metodi sono ampiamente utilizzati nell'industria manifatturiera a splay, impiegando sostanze chimiche reperibili in commercio.

Per prima cosa, pulire accuratamente le lastre di vetro di tre per tre centimetri utilizzando sapone e acqua calda per rimuovere i contaminanti. Collocare le lastre di vetro in un becher contenente etanolo. Successivamente, posizionare il becher in un bagno ad ultrasuoni per circa 10 minuti.

Successivamente, asciugare con cura le piastre di vetro con un fazzoletto di carta e un soffiatore d'aria. Assicurarsi che non rimanga alcuna traccia di solvente, polvere o qualsiasi tipo di contaminazione sulle piastre. Posizionare le piastre di vetro in un fotoreattore a ozono UV per 20 minuti al fine di rimuovere i residui organici.

Dopo il trattamento con ozono, soffiare aria su una delle lastre di vetro e posizionarla su un spin coater. Quindi depositare circa 0,5 millilitri di soluzione di poliammide sulla lastra di vetro in modo da coprire l'intera superficie. Applicare lo strato di allineamento mediante spin coating secondo le seguenti condizioni.

Dopo la deposizione mediante spin coating, contrassegnare le lastre di vetro sul lato non rivestito con segni distintivi per riconoscere i livelli di allineamento homeotropico e planare. Posizionare la lastra di vetro rivestita su una piastra riscaldante a 110 gradi Celsius per 10 minuti al fine di rimuovere la maggior parte del solvente presente nella miscela del livello di allineamento. Una volta rivestite tutte le lastre di vetro, posizionarle in un forno a 180 gradi Celsius per un'ora per indurire lo strato di poliammide.

Per creare microcanali sulle piastre di vetro rivestite, posizionare ogni piano della piastra con il lato rivestito rivolto verso il basso su un panno di velluto. Applicare una pressione uniforme e delicata con due dita. Trascinare con attenzione la piastra di vetro lungo la superficie del panno di velluto in una direzione rettilinea.

Quindi soffiare aria sulla piastra di vetro. Successivamente, preparare un adesivo mescolando una colla indurente sotto raggi UV con microsfere di vetro aventi un diametro ben definito di 20 micrometri. Posizionare due piccole gocce di colla su due angoli adiacenti di una piastra di vetro rivestita con uno strato di allineamento planare.

Quindi posizionare altre due gocce di colla a circa cinque millimetri dagli altri due angoli. Posizionare la piastra di vetro rivestita con uno strato di allineamento homeotropico sulla prima piastra di vetro, lasciando un'intercapedine di circa quattro millimetri tra i bordi delle piastre per fornire spazio sufficiente per la miscela di cristalli liquidi. Successivamente, polimerizzare la colla esponendo le due piastre di vetro o la cella a luce UV per due minuti.

Posizionare la cella su un piatto riscaldante con il lato homeotropico rivolto verso l'alto. Impostare la temperatura a 110 gradi Celsius per facilitare il riempimento della cella, poiché il fluido è meno viscoso rispetto alla fase nematica. Posizionare ora una parte della miscela di cristalli liquidi sul bordo della cella in modo che il solido si sciolga e la miscela liquida penetri nella cella per capillarità.

Aggiungere altro miscuglio ai bordi fino a quando la cellula non è completamente riempita. Una volta riempita la cellula, raffreddarla lentamente fino a 90 gradi Celsius per portarla nella fase nematica. Non appena il film raggiunge i 90 gradi Celsius, polimerizzare il miscuglio posizionando la cellula sotto luce UV a questa temperatura per 30 minuti.

Dopo la polimerizzazione, posizionare la cella su una piastra riscaldata a 130 gradi Celsius per circa 10 minuti. Dopo aver lasciato raffreddare la cella a temperatura ambiente, aprirla inserendo una lama di rasoio su un bordo e spingendola tra le due lastre di vetro. Per staccare il film, sollevare gli angoli con la lama di rasoio.

Staccare delicatamente il film dalla lastra di vetro. Successivamente, tagliare una striscia lungo il direttore molecolare del film. Poi, fissare il campione di film utilizzando una pinzetta autocludente in modo che 1,7 centimetri del film siano liberi di muoversi.

Tenere il campione in posizione verticale e indirizzare un fascio di diodo a emissione luminosa perpendicolarmente al campione per osservare l'auto-oscillazione. Il movimento oscillatorio osservato del film sotto irradiazione luminosa è illustrato nel protocollo presentato, e la qualità dell'allineamento a ventaglio è fondamentale per l'attuazione autosostenuta. Il film deve essere trasparente.

Per verificare un corretto allineamento a ventaglio, il film attaccato al substrato di vetro viene osservato tra polarizzatori incrociati al di sopra di una sorgente di luce bianca diffusa. Quando il film è in strisce, presenta una curvatura naturale con il centro della curva sul lato omeotropico, causata dalla tensione residua derivante dalla polimerizzazione. Le oscillazioni meccaniche e termiche registrate da una telecamera ad alta velocità confermano l'esito positivo del protocollo.

Quando il film è fissato, si distende verso lo stato piatto nella direzione della luce. Il film inizia quindi a muoversi in modo continuo con oscillazioni meccaniche e termiche. I fattori chiave nell'osservazione di questo fenomeno sono l'effetto fototermico e l'auto-ombreggiamento del film, controllato dall'intensità e dalla posizione della luce.

Un'intensità luminosa troppo bassa non provoca una grande flessione perché la temperatura al giunto non è sufficiente, mentre un'intensità luminosa troppo elevata sul giunto indurrà un superamento eccessivo. Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere eseguita in quattro ore se effettuata correttamente. Durante il tentativo di questa procedura, è importante verificare l'allineamento della fase cristallina liquida prima della polimerizzazione per assicurarsi di ottenere un'oscillazione stabile.

Il punto di forza di questo protocollo è la possibilità di variare la frequenza e l'ampiezza dell'oscillazione modificando le dimensioni del film e l'intensità della luce. Dopo il suo sviluppo, questo metodo ha aperto la strada ai ricercatori nel campo della scienza dei materiali per esplorare altri moti di equilibrio nella materia morbida. Dopo aver visto questo video, si dovrebbe avere una buona comprensione di come preparare un reticolo cristallino liquido allineato per ottenere un film fotosensibile.

Ricordare che lavorare con la luce può essere estremamente pericoloso e che occhiali di protezione contro i raggi UV devono sempre essere indossati durante l'esecuzione di questi esperimenti.