빛에 의해 유도 된 거시적인 진동 모션 액정 네트워크의 준비

이 실험 프로토콜의 전반적인 목표는 지속적인 빛 조사 하에서 기계적 진동을 나타내는 액정 네트워크를 제조하는 것입니다. 이 방법은 소프트 로보틱스 및 자동화 시스템에 응용 가능한 연속적인 미세 운동을 구현하는 방법과 같은 재료 과학의 핵심 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 기술의 주요 장점은 상용 화학 물질을 사용하여 스프레이 제조 산업에서 널리 쓰이는 용도 및 방법들을 활용한다는 점입니다.

먼저, 오염 물질을 제거하기 위해 비누와 뜨거운 물을 사용하여 3x3 cm 크기의 유리 플레이트를 조심스럽게 세척합니다. 유리 플레이트를 에탄올이 담긴 비커에 넣습니다. 그런 다음 비커를 초음파 세척기에 넣고 약 10분 동안 처리합니다.

그 다음, 티슈와 에어 블로워를 사용하여 유리 플레이트를 조심스럽게 건조합니다. 플레이트에 용매, 먼지 또는 어떠한 종류의 오염물도 남아 있지 않은지 확인하십시오. 유기 잔류물을 제거하기 위해 유리 플레이트를 UV 오존 광반응기에 넣고 20분 동안 처리합니다.

오존 처리 후, 유리판 중 하나에 에어를 불어내고 스핀 코터 위에 놓습니다. 그런 다음 유리판의 전체 표면을 덮을 수 있도록 폴리아미드 용액 약 0.5 milliliters를 도포합니다. 다음 조건에 따라 배향막을 스핀 코팅합니다.

스핀 코팅 후, 홈오트로픽(homeotropic) 정렬층과 평면(planar) 정렬층을 구분할 수 있도록 코팅되지 않은 면의 유리판에 식별 표시를 합니다. 정렬층 혼합물에 포함된 용매의 대부분을 제거하기 위해, 코팅된 유리판을 110 °C의 핫플레이트 위에 10분 동안 놓아둡니다. 모든 유리판의 코팅이 완료되면, 폴리아미드 층을 경화시키기 위해 180 °C의 오븐에 1시간 동안 넣습니다.

코팅된 유리 플레이트에 마이크로채널을 생성하려면, 코팅된 면이 아래로 향하게 하여 각 평면 플레이트를 벨벳 천 위에 놓으십시오. 두 손가락으로 균일하고 부드럽게 압력을 가합니다. 벨벳 천의 표면을 따라 유리 플레이트를 직선 방향으로 조심스럽게 끕니다.

그 다음 유리 플레이트에 공기를 불어넣습니다. 이어서, 직경이 20 micrometers로 일정하게 정의된 유리 비즈와 UV 경화 접착제를 혼합하여 접착제를 준비합니다. 평면 배향층이 코팅된 유리 플레이트의 인접한 두 모서리에 접착제를 아주 작게 두 방울 떨어뜨립니다.

그런 다음 다른 두 모서리에서 약 5 mm 떨어진 곳에 접착제 두 방울을 더 떨어뜨립니다. 홈오트로픽 배향층이 코팅된 유리판을 첫 번째 유리판 위에 올리되, LC 혼합물을 위한 충분한 공간을 확보하기 위해 판의 가장자리 사이에 약 4 mm의 간격을 둡니다. 그 후 두 유리판 또는 셀을 UV 광원 아래에 2분 동안 두어 접착제를 경화시킵니다.

홈오트로픽(homeotropic) 면이 위를 향하도록 셀을 핫플레이트 위에 놓습니다. 유체의 점도가 네마틱(nematic) 상보다 낮아 셀 충전이 용이하도록 온도를 110 °C로 설정합니다. 이제 LC 혼합물의 일부를 셀 가장자리에 놓아 고체가 녹으면서 액체 혼합물이 모세관 현상에 의해 셀 내부로 흘러 들어가게 합니다.

셀이 가득 찰 때까지 가장자리에 혼합물을 더 추가합니다. 셀이 가득 차면, 네마틱 상(nematic phase)이 되도록 90 °C까지 천천히 냉각합니다. 필름의 온도가 90 °C에 도달하는 즉시, 이 온도에서 셀을 UV 광원 아래에 30분 동안 두어 혼합물을 중합시킵니다.

중합 후, 셀을 130 °C의 핫플레이트에 약 10분 동안 둡니다. 셀이 실온으로 식으면, 면도날을 한쪽 가장자리에 대고 두 유리판 사이로 밀어 넣어 셀을 엽니다. 필름을 벗겨내려면 면도날로 모서리 부분을 들어 올립니다.

유리판에서 필름을 조심스럽게 떼어냅니다. 그런 다음 필름의 분자 배향 방향을 따라 길게 자릅니다. 다음으로, 필름의 1.7 centimeters 부분이 자유롭게 움직일 수 있도록 셀프 클로징 핀셋으로 필름 샘플을 고정합니다.

시료를 수직으로 세워 잡고, 자가 진동 관찰을 위해 발광 다이오드 빔을 시료에 수직으로 조사합니다. 빛 조사 하에서 필름의 진동 운동 관찰 과정이 본 프로토콜에 제시되어 있으며, 자가 지속 구동을 위해서는 스플레이 정렬(splay alignment)의 품질이 중요합니다. 필름은 투명해야 합니다.

올바른 splay 정렬을 확인하기 위해, 확산 백색 광원 위에서 직교 편광판 사이에 유리 기판에 부착된 필름을 관찰합니다. 필름이 스트립 형태일 때, 중합 과정에서 발생하는 잔류 응력으로 인해 호모트로픽(homeotropic) 측이 곡선의 중심이 되는 자연스러운 곡률이 나타납니다. 고속 카메라로 기록한 기계적 및 열적 진동을 통해 프로토콜의 성공 여부를 확인합니다.

필름을 고정하면, 빛이 비치는 방향으로 평평한 상태가 되도록 펴집니다. 이후 필름은 기계적 및 열적 진동과 함께 지속적으로 움직이기 시작합니다. 이러한 현상을 관찰하는 핵심 요인은 광열 효과와 빛의 세기 및 위치에 의해 제어되는 필름의 자체 차폐 효과입니다.

광강도가 너무 낮으면 힌지 부분의 온도가 충분하지 않아 굽힘 정도가 크지 않으며, 반대로 힌지에 가해지는 광강도가 너무 높으면 오버슈팅이 발생할 수 있습니다. 이 기술을 숙달하고 적절하게 수행한다면 4시간 이내에 완료할 수 있습니다. 본 절차를 시도할 때, 안정적인 진동을 얻기 위해서는 중합 전 액정 상의 정렬 상태를 확인하는 것이 중요합니다.

이 프로토콜의 강점은 필름의 크기와 빛의 세기를 조절함으로써 진동의 주파수와 진폭을 변화시킬 수 있다는 점입니다. 이 방법이 개발된 이후, 재료 과학 분야의 연구자들은 소프트 물질 내의 다른 평형 운동을 탐구할 수 있는 길을 열게 되었습니다. 이 영상을 시청하고 나면, 광응답성 필름을 얻기 위해 정렬된 액정 네트워크를 준비하는 방법에 대해 충분히 이해하게 될 것입니다.

빛을 이용한 작업은 매우 위험할 수 있으므로, 이 실험을 수행하는 동안에는 항상 UV 보호 안경을 착용해야 함을 잊지 마십시오.