Lasermicrobewerking voor het ontwerp van de topografie van polymeeroppervlakken

Samenvatting

Er wordt een methode gepresenteerd voor het opleggen van oppervlaktetopografie van lichtabsorberende composietpolymeermaterialen, met name magnetoactieve elastomeren (MAE's), door gebruik te maken van lasermicrobewerking. Deze methode maakt een grote flexibiliteit mogelijk in topografische ontwerpen en rapid prototyping. Een voorbeeld van het structureren van MAE-oppervlakken, karakterisering en hun reactie op het externe magnetische veld wordt gedemonstreerd.

Samenvatting

Zachte magnetoactieve elastomeren (MAE's) zijn slimme materialen die reageren op externe magnetische velden door hun mechanische eigenschappen dynamisch te veranderen. Ze zijn samengesteld uit magnetisch reagerende microdeeltjes ingebed in een zachte polymeermatrix, die een effectieve afschuifmodulus tot 100 kPa vertonen. In de afgelopen decennia zijn de bulkeigenschappen van MAE's met succes benut voor toepassingen zoals dynamische trillingsdemping, trillingsdetectie en activering in zachte robotica. Recent onderzoek is verschoven naar hun oppervlakte-eigenschappen, waarbij veelbelovende resultaten zijn onthuld op afstembare oppervlaktekenmerken zoals ruwheid, hechting en bevochtiging. Zelfs het transport van kleine vaste en vloeibare voorwerpen werd gedemonstreerd. De bijbehorende oppervlakte-effecten kunnen aanzienlijk worden verbeterd door de nauwkeurige engineering van de oppervlaktetopografie. In dit artikel wordt een efficiënte lasermicrobewerkingstechniek gepresenteerd, met een resolutie van 15 μm, die een snelle prototyping van MAE-oppervlakken mogelijk maakt. Het maakt het mogelijk om verschillende complexe vormen te creëren en biedt functionaliteit die verder gaat dan wat haalbaar is met traditionele vormtechnieken. Bovendien is de aanpak veelzijdig en kan deze worden toegepast op elk polymeer dat het laserlicht voldoende absorbeert. Als voorbeeld wordt een fabricageproces van lamellaire oppervlaktemicropatronen en de karakterisering ervan door optische en scanning-elektronenmicroscopieën getoond. Zijn reactie op een magnetisch veld wordt gedemonstreerd. De techniek biedt een flexibele en snelle oplossing voor het optimaliseren van het ontwerp van polymeeroppervlakken in een breed scala aan toepassingen.

Inleiding

Oppervlaktestructurering van polymeren is een essentiële methode op veel technologische gebieden. De ontwikkeling en productie van halfgeleiderapparaten maakt gebruik van fotolithografie, een gevestigde techniek¹, voor selectieve polymerisatie van lichtgevoelige polymeren om maskers te maken die selectief etsen of afzetten van andere materialen, zoals metaal of oxiden, mogelijk maken. Binnen het lab-on-a-chip-concept² kunnen fotopatronen, 3D-printen of fysieke bewerking mallen maken die een vooraf ontworpen topografie afdrukken voor op polymeer gebaseerde milli- en microfluïdische apparaten. Hier wordt een maskerloze methode beschreven om polymeren te structureren die dezelfde reeks vormen kan produceren die door mallen worden bereikt met de toevoeging van schuine uitsteekgeometrie en een snelle doorlooptijd³. Oppervlakken met kleine kenmerken leiden tot uitstekende materiaaleigenschappen zoals zelfreinigend vermogen, verminderde weerstand⁴ of iriserende structurele kleuren⁵. Daarom is het ontwikkelen van technieken met nieuwe of verbeterde structureringsmogelijkheden van het grootste belang.

Magnetoactieve elastomeren (MAE's) staan al lang bekend als een materiaal dat zijn mechanische eigenschappen kan veranderen als reactie op externe magnetische velden ^6,7,8, en ze zijn al geïmplementeerd in de auto- en luidsprekertechnologie. Directe laserbewerking zorgde voor een golf van experimentele exploratie van topografisch gemodificeerde MAE-oppervlakken. Magnetische velden kunnen de magnetisch reagerende uitsteeksels beïnvloeden om hun vorm, oriëntatie en elastische eigenschappen te veranderen. Het is aangetoond dat dit een grote invloed kan hebben op de impact en rebound van objecten ^9,10, lichtreflectie^11,12, bevochtiging¹³, en kan worden gebruikt om vaste en vloeibare objecten te vervoeren 14,15,16,17,18,19,20 of om stroming te genereren ^21,22. De hier gepresenteerde lasermicrobewerking is zeer geschikt voor MAE omdat magnetische deeltjes het bestraalde laserlicht absorberen, opwarmen en leiden tot materiaalverwijdering. De methode is van toepassing op composieten van deeltjes die het laserlicht en elk polymeer voldoende absorberen, evenals lichtabsorberende polymeren zonder deeltjes.

De voorbeelden in dit artikel zijn afkomstig van grotere MAE-vellen. De MAE is gemaakt van een polydimethylsiloxaan (PDMS) matrix gevuld met carbonylijzerdeeltjes. Het PDMS is gemaakt van een op maat gemaakt mengsel (zie tabel 1 voor de ingrediënten en hun gewichtsverhouding). De polymeren, ijzerdeeltjes, siliconenolie en modificator worden gecombineerd en grondig gemengd, waarna de crosslinker, remmer en katalysator worden toegevoegd en opnieuw worden gemengd. Het vloeibare MAE-mengsel wordt uitgespreid op een substraat, in dit geval 0,2 mm dikke polyethyleentereftalaat (PET) folie, met behulp van een filmapplicator die is uitgerust met een instelbaar mes dat is ingesteld op een afstand van 0,5 mm. De applicator beweegt het mes over de vloeistof met een constante snelheid van 1 mm s^{−1 om een MAE-film} van de gewenste dikte te vormen. Het substraat met de MAE-film werd vervolgens overgebracht op een vlakke bakplaat en 1 uur bij 80 °C in een oven geplaatst, gevolgd door 24 uur bij 60 °C om volledig uit te harden. De afschuifopslagmodulus G₀' werd gemeten bij een cirkelvormige frequentie van 10 s⁻¹ en een afschuifamplitude van 0,01% op een afzonderlijk monster van 1 mm dikte. Het materiaal dat in de experimenten werd gebruikt, had een afschuifopslagmodulus van G₀' ≈ 15 kPa (Young's modulus ≈ 45 kPa). Lasermicrobewerking (zie schets in figuur 1) wordt gebruikt om oppervlaktepatronen te creëren, die worden gekenmerkt met behulp van een optische microscoop (figuur 2 en figuur 3) en een scanning-elektronenmicroscoop (afbeelding 3). Er worden twee soorten patronen getoond: pilaren in figuur 1 en lamellen in figuur 3 en figuur 4. Het lamellaire oppervlak wordt naar de zijkant afgebogen als reactie op veranderingen in het magnetische veld (Figuur 4) die worden gegenereerd door een elektromagneet (Figuur 2).

Protocol

Voor dit onderzoek werd een monster gebruikt van een optisch absorberend polymeercomposiet met een plat oppervlak, dat op maat gemaakte of in de handel verkrijgbare magnetische rubbers kunnen zijn. Daarom is dit geen kritieke stap voor het modificeren van het polymeeroppervlak met behulp van de lasermicrobewerkingsmethode (stap 1, figuur 1). De gebruikte reagentia en de gebruikte apparatuur staan vermeld in de materiaaltabel.

1. Laser microbewerking

NOTITIE: Gebruik een microbewerkingstechniek om de gefocusseerde laserstraal op het oppervlak van het monster te geleiden met een galvo-aangedreven 2D-scankop. Gebruik een nanoseconde fiberlasersysteem met een golflengte van 1064 nm, een gemiddeld vermogen tot 20 W, een pulsduur tussen 10 ns en 250 ns, een frequentie van 1 kHz tot 1 MHz en energie per puls tot 0,6 mJ. Zorg ervoor dat de straaldiameter bij het brandpunt 14.1 μm is door een telecentrische f-theta-lens met een brandpuntsafstand van 56 mm te gebruiken.

1. Schakel het lasermicrobewerkingssysteem en de ventilatie in voor rookafvoer.
2. Plaats het uitgeharde MAE-monster (of een ander lichtabsorberend polymeer) op het werkgebied van de scankop in het brandvlak en op de vooraf geselecteerde kanteling (θ in afbeelding 1).
3. Stel de verwerkings- en gewenste structuurparameters in (in een voorbeeld dat wordt weergegeven in stap 2-4, een lamellaire structuur met een basisbreedte van 70 μm en een afstandsbreedte van 160 μm, zonder kanteling) in de laserbesturingssoftware door de onderstaande stappen te volgen:
   1. Ontwerp het scantraject door het gebied te traceren waar het materiaal moet worden verwijderd (waardoor een "negatief" van de vereiste structuren ontstaat).
   2. Stel de scanparameters in (herhalingen - variërend afhankelijk van de beoogde diepte³, scansnelheid 500 mm ^s-1 en uitkomstafstand 15 μm).
      OPMERKING: Kalibreer deze parameters voor elk materiaal met een teststructuur.
   3. Stel de parameters van de laserbesturing in (vermogen 20 W, frequentie 30 kHz, pulsduur 12 ns).
      OPMERKING: Kalibreer deze parameters voor elk materiaal met een teststructuur.
4. Zorg ervoor dat aan de veiligheidsprotocollen wordt voldaan (het dragen van een veiligheidsbril en het laten lopen van rookafvoerventilatie) en voer het programma uit.
5. (optioneel) Voor schuine structuren compenseert u de kanteling van het oppervlak van het monster door het monster omhoog of omlaag te brengen om het huidige werkgebied altijd in het brandvlak te houden, met behulp van een schroefaangedreven, op maat gemaakte gemotoriseerde lineaire tafel met een stappenmotor en een resolutie van ±10 μm, bestuurd met behulp van de laserscansoftware.
   OPMERKING: De hoogtecompensatie is afhankelijk van de kantelhoek van het monster.

Figuur 1: Een schets van de laserbewerkingsopstelling met de belangrijkste elementen. Circulair inzoomen: het monster kan worden gekanteld om microstructuren met een gekanteld oppervlak te creëren. Mogelijke polymeer- en substraatopties worden beschreven. Linksonder: Een optische afbeelding van rechthoekige pilaren wordt getoond. Schaalbalk: 500 μm. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

2. Optische microscopie

OPMERKING: Maak een voorlopige karakterisering van gestructureerde MAE-monsters met behulp van een optische microscoop.

1. Reinig het monster met stikstofgas onder druk en blaas voorzichtig mogelijke stof- of vuildeeltjes uit het monster.
   OPMERKING: Pas op dat u geen te sterke gasstoten gebruikt, omdat dit het monster mogelijk kan vernietigen.
2. Plaats het monster op de microscooptafel en schakel de lichtbron in die wordt gebruikt bij reflecterende microscopie. Als het monster op een transparant substraat wordt afgezet, gebruik dan een doorlatende lichtbron.
3. Kies het 10x objectief met lage vergroting en meet relevante laterale afmetingen van het monster, bijvoorbeeld de toonhoogte tussen lamellen (Figuur 3A).
   1. Monteer een camera op de bovenkant van het objectief en trek aan de hendel om het licht van het monster naar de camerasensor te leiden in plaats van naar het oculair.
   2. Configureer de cameraschaal door afbeeldingen van glasdia's op referentieschaal vast te leggen. Meet de bekende afstanden in pixels om de pixelgrootte van elk doel te bepalen. Gebruik open-source software zoals ImageJ om deze schaalkalibratie uit te voeren.
   3. Meet de gekozen laterale afmetingen van het monster in pixels en bereken vervolgens de fysieke afstanden door het aantal pixels te vermenigvuldigen met de pixelgrootte in micrometers.
4. Schakel over naar een 40x objectief met een hogere vergroting om informatie over de hoogte van de structuur te verkrijgen.
   1. Open de veldopening om de diepte van het veld te verkleinen.
   2. Pas de hoogte van de micrometertafel aan en richt de microscoop op de bovenkant van de structuren. Noteer het nummer op de schroef van de micrometer.
   3. Breng de tafel langzaam omhoog door aan de schroef van de micrometer te draaien totdat de focus op het monstersubstraat ligt. Noteer het nummer op de schroef van de micrometer.
   4. Schat de hoogte van de constructie door de waarden op de micrometerschroef af te trekken voor en na het aanpassen van de focus (Figuur 3A).

3. Scanning elektronenmicroscopie

OPMERKING: Verkrijg aanvullende informatie over het oppervlak van de MAE, zoals concentraties van vulstofdeeltjes of oppervlakteruwheid, met een scanning-elektronenmicroscoop (SEM).

1. Maak verbinding met de SEM-software en ontlucht de drukkamer.
   NOTITIE: Plaats de potentiële monsters in de SEM uit de buurt van de detectorkolom terwijl deze ontlucht, om besmetting van de detector te voorkomen.
2. Terwijl de kamer ontlucht, bereidt u de monsters voor op SEM door de onderstaande stappen te volgen:
   1. Draag handschoenen. Snijd de monsters met een scalpel op de grootte van de SEM-monsterhouderpen.
   2. Plaats een klein stukje dubbelzijdige carbontape op de pin en bedek deze in zijn geheel. Knip de tape af door deze over de randen van de pennen te verlengen.
   3. Plak de bijgesneden monsters met een plastic pincet aan de pinnen om beschadiging van de monsters te voorkomen.
   4. Reinig de monsters met stikstofgas onder druk en blaas voorzichtig mogelijke stof- of vuildeeltjes uit het monster.
      OPMERKING: Gebruik geen te intense gasuitbarstingen, omdat dit de zachte elastomeermonsters mogelijk kan vernietigen.
   5. (optioneel) Smeer de monsters in met een dunne geleidende laag koolstof of goud, omdat dit zorgt voor minder ladingsopbouw en drift tijdens langere metingen.
3. Open de vacuümkamer en trek de tafel naar buiten. Plaats de pinnen met de monsters in de tafel en noteer hun posities. Zet de tafel terug in de primaire positie en sluit de vacuümkamer.
4. Voer de terugverstrooide elektronenmetingen uit.
   OPMERKING: Gebruik de sterke terugverstrooiing van elektronen van grotere atomen om contrast in de materiaalsamenstelling te genereren, zoals weergegeven in Figuur 3B, terugverstrooide elektronen. Meet deeltjesvormen en -groottes, concentratie en door laser-ablatie geïnduceerde deeltjesveranderingen door terugverstrooide gegevens te verzamelen.
   1. Pomp de lucht uit de vacuümkamer om een hoog vacuüm te bereiken. Maak een optische navigatiefoto van de monsters en gebruik deze als richtlijn om de tafel te verplaatsen om het monster van interesse op de juiste afstand van de detectorrand te plaatsen.
      OPMERKING: Houd tijdens het rijden op het podium constant de beweging in de gaten met behulp van de live infraroodcamera om botsingen te voorkomen.
   2. Schakel de elektronenbundel in en geef het beeld van de concentrische backscatter-detector (CBS) weer. Pas de sterkte en vorm van de straal aan door een versnellingsspanning van 30 kV, een spotgrootte van 4,0 en een verblijftijd van 5 μs te kiezen.
   3. Zoek de focus op het voorbeeld met behulp van handmatige of automatische aanpassingen. Stel de juiste helderheid en het juiste contrast in tijdens het bekijken van het histogram van de verkregen afbeelding en maximaliseer de breedte van het histogram.
   4. Kies het juiste gebied van het monster en de gewenste vergroting en pas eventueel de scherpstelling aan.
5. Voer de secundaire elektronenmetingen uit.
   OPMERKING: Merk op dat secundaire elektronen worden gegenereerd langs het elektronenpad door het monster, maar dat alleen secundaire elektronen uit de bovenste oppervlaktelagen uit het monster ontsnappen en worden gedetecteerd. Door secundaire elektronengegevens met zeer lage versnellende spanningen te verzamelen, wordt de oppervlaktetopografie, waar het contrast voortkomt uit oppervlaktehellingen, waargenomen in figuur 3B van secundaire elektronen.
   1. Schakel de elektronenbundel uit. Verplaats de monsterhouder weg van de detector naar een veilige positie. Stel een laag vacuüm in de kamer in van 0,70 mbar. Stel de detectorbias in op 68%.
   2. Verplaats de monsters naar een werkafstand van ongeveer 3.5 mm. Stel een kleine acceleratiespanning van 2,0 kV en een prominentere spotgrootte 7 in. Verhoog de verblijftijd tot 100 μs.
   3. Schakel de straal in en geef het gedetecteerde beeld van de laagvacuüm secundaire elektronendetector (LVD) weer. Zoek de focus en de juiste helderheid en contrast.
   4. Kies het juiste gebied van het monster en de gewenste vergroting en pas eventueel de scherpstelling aan.
6. Plaats na de metingen de houder in de veilige positie en ontlucht de vacuümkamer.
7. Open met handschoenen aan de kamerdeuren, verwijder de pinnen met de monsters en pel met een pincet de koolstoftape van de pin.
8. Bewaar de monsters voor mogelijke hermetingen. Sluit de kamerdeuren en laat de SEM in een hoog vacuüm staan.

4. Magnetische manipulatie

OPMERKING: Gebruik de opstelling die wordt getoond in afbeelding 2, met behulp van een elektromagneet met een poolvlak van 20 mm om lamellaire oppervlakken te vervormen. Drijf de elektromagneet aan met een gelijkstroomvoeding en observeer de resulterende vervormingen met behulp van een camera in combinatie met een 10x objectief.

1. Plaats een niet-magnetische houder tussen de magneetpolen. Construeer hierboven een microscoop door het objectief te koppelen aan een buislens van 200 mm die het licht op de cameradetector focust. Ontwerp het objectief-detectorsysteem om vertalingen in XYZ-richtingen mogelijk te maken (Figuur 2).
2. Reinig het monster met stikstofgas onder druk en blaas voorzichtig mogelijke stof- of vuildeeltjes uit het monster. Gebruik geen te intense gasuitbarstingen, omdat dit het zachte elastomeermonster mogelijk kan vernietigen.
3. Bevestig een stuk dubbelzijdig plakband aan de monsterhouder en plaats het monster erop in het midden tussen de palen.
   OPMERKING: Gebruik voor het gemakkelijker hanteren van monsters een in water oplosbare lijm van polyvinylalcohol (PVA) om de monsters op glasplaatjes van de microscoop te lijmen (glas hecht ook beter aan tape dan het elastomeer).
4. Sluit de stroomkabels van de elektromagneet aan op de voeding en sluit deze aan op de camera met behulp van een geschikte aansluitkabel.
5. Pas tijdens het vastleggen van beelden een gelijkstroom van 3,2 A toe op de elektromagneet, die een homogeen magnetisch veld van ongeveer 340 mT produceert in het midden van de poolopening van 20 mm. Het magnetische veld vervormt de MAE-structuren.
6. Bestudeer de vervormingen door verschillende structuren, sample-magnetische lijnoriëntaties, magnetische veldsterktes en dynamische veldschakeling te testen (Figuur 4).

Figuur 2: Een foto van de opstelling van de magnetische manipulatie met de belangrijkste componenten aangegeven. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Resultaten

Zodra het MAE-oppervlak is gestructureerd, wordt het geïnspecteerd met optische microscopie. Dit is meestal voldoende om te bevestigen dat het oppervlaktepatroon vrij is van gebreken en om te controleren of zowel de zij- als de verticale afmetingen voldoen aan de verwachtingen (figuur 3A). SEM wordt gekozen als er interesse is in verdere details, zoals de deeltjesverdeling binnen de polymeermatrix of het effect van de laserbewerking op de oppervlakteruwheid van het polymeer (Figuur 3B).

Figuur 3: Optische beelden van een gestructureerd MAE-oppervlak. (A) Met behulp van een objectief met een hoge vergroting kan een voorlopige karakterisering van de structuur worden uitgevoerd in laterale en longitudinale richtingen door de focus te variëren. De schaalbalk van de hoofdafbeelding is 500 μm en de schaalbalken in de vergrote afbeeldingen zijn 100 μm. Aanvullende oppervlaktekarakteriseringen worden gedaan met SEM (B), waarbij verschillende soorten elektronen kunnen worden gedetecteerd en verschillende oppervlakte-eigenschappen kunnen worden gemeten. Terugverstrooide elektronen onthullen compositorisch contrast, terwijl secundaire elektronen inzicht bieden in de topografische variatie van het oppervlak. Alle schaalbalken zijn 50 μm. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

De oriëntatie van het uitsteeksel kan worden gemanipuleerd met in de tijd variërende magnetische velden, die op verschillende manieren kunnen worden gecreëerd. Spoelen kunnen elektronisch schakelbare velden of permanente magneten produceren die mechanisch worden bewogen. Gewoonlijk zijn magnetische velden niet-uniform, maar als uniforme magnetische velden nodig zijn, kan de binnenkant van solenoïdes of spoelen in de Helmholtz-configuratie worden gebruikt²³.

Figuur 4: Een voorbeeld van de controle van structuurvervorming door een magnetisch veld. Met behulp van een elektromagneet kan een homogeen magnetisch veld in het monstervlak worden gegenereerd, waardoor elastische vervormingen van oppervlaktestructuren worden geïnduceerd. Deze vervormingen veroorzaken op hun beurt veranderingen in de macroscopische oppervlakte-eigenschappen van MAE-materialen. De getoonde schaalbalken zijn van toepassing op alle afbeeldingen en zijn 200 μm. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Ingrediënt	Gewicht percentage
Polymeer VS 100000	7.07
Modificator 715	0.03
Polymeer MV 2000	1.26
Siliconen olie	16.62
Carbonyl ijzer deeltjes	74.79
Crosslinker 210	0.12
Remmer DVS	0.03
Katalysator 510	0.08
SOM	100

Tabel 1: De verhouding van chemicaliën in de MAE-materiaalformulering gegeven door gewichtspercentage.

Discussie

De fysieke bewerking van de mallen is optimaal voor grootschalige productie wanneer de geometrie van de oppervlaktekenmerken al is ingesteld. Daarentegen is rapid prototyping wenselijk in de ontwikkelings- en optimalisatiefase van een nieuw apparaat. Zowel het 3D-printen van mallen als directe laserfotolithografie hebben een snelle doorlooptijd, maar hebben beperkingen. Een nadeel van 3D-geprinte structuren is dat de ruwheid van de mallen leidt tot moeilijkheden om het gegoten polymeer te scheiden zonder te scheuren en te beschadigen. Directe laserfotolithografie is beperkt tot orthogonale patronen op het oppervlak. Het is ook alleen geschikt voor polymeren die het binnenkomende licht niet verstrooien en voldoende transparant zijn om fotopolymerisatie over de hele polymeerlaagdikte mogelijk te maken. Het is mogelijk om een lichtgevoelig polymeer te gebruiken om een mal te maken voor een ander type polymeer, maar dit verlengt de fabricagetijd en verlengt de ontwikkeling van het prototype. Laserbewerking daarentegen is een matrijsloze methode die het mogelijk maakt om optisch absorberende polymeren direct te structureren. Dit maakt het perfect geschikt om topografische kenmerken te creëren op polymeren zoals magnetoactieve elastomeren (MAE's), die worden geabsorbeerd door een grote concentratie magnetisch reagerende microdeeltjes. Het maakt ook de productie van niet-orthogonale kenmerken mogelijk, zoals schuine of hellende wanden³.

Microbewerking met laser
De lasermicrobewerkingstechniek beschreven in stap 1 is zeer robuust, maar er moet bijzondere aandacht worden besteed aan de opstelling van het MAE-monster. De afstand tot de lens moet zorgvuldig worden gedefinieerd door nauwkeurig het brandpuntsvlak op het oppervlak van het monster te vinden en tegelijkertijd evenwijdig te zijn aan het focuslensvlak vanwege de korte Rayleigh-afstand die wordt geboden door de opstelling van het lasersysteem. Een andere benadering wordt gekozen bij het vervaardigen van schuine structuren, waarbij de kanteling van het oppervlak van het monster wordt gecompenseerd door het monster te verhogen/verlagen om het huidige werkgebied altijd in het brandvlak te houden. Als de warmteaccumulatie in het monster te groot is (offline beoordeeld, na de microbewerking, door de structuren visueel te controleren) en de structuren erodeert, moet een geschikt warmtebeheer worden toegepast.

Beperkingen van de benadering zijn gekoppeld aan de deeltjesgrootte van de materiaalvulstof, die de laterale resolutie van het proces definieert, en aan de optische eigenschappen van het monster, d.w.z. absorptie bij de gebruikte golflengte. Experimenteel ontdekten we dat de minimale structuurbreedte die nog steeds bestand is tegen de lasermicrobewerking ongeveer vijf keer de gemiddelde grootte van de vulstofdeeltjes^{is 3}. Als de doelstructuren kleiner zijn, zal de laser al het materiaal verwijderen, wat resulteert in een niet-gestructureerd oppervlak (hoewel de ruwheid groter zal zijn). Voor het hier gepresenteerde materiaal wordt de specifieke golflengte van het laserlicht voornamelijk geabsorbeerd door ijzermicrodeeltjes terwijl deze door het polymeer gaat. Het veranderen van de lasergolflengte en het deeltje of polymeermateriaal kan de resultaten aanzienlijk veranderen. Teststructurering is daarom een cruciaal punt voor het verkrijgen van de verwerkingsparameters voor nieuw materiaal.

De beschreven methode biedt flexibiliteit met betrekking tot structuurgrootte en de mogelijkheid om gekantelde constructies te fabriceren zonder dat er gespecialiseerde mallen nodig zijn. Ook is het probleem van MAE-agglutinatie bij het verwijderen van schimmels afwezig bij het gebruik van deze microbewerkingsmethode. Vergeleken met bottom-up spuitcoating onder een magnetisch veld, biedt deze methode een hogere ruimtelijke resolutie en de mogelijkheid om geordende oppervlaktestructuurarrays te fabriceren. De microbewerkingsmethode wordt gebruikt in onderzoeksgebieden waar actieve structuren ter grootte van een micrometer nodig zijn om nieuwe apparaten te ontwikkelen voor bijvoorbeeld de controle van oppervlaktebevochtiging, microfluïdica of het transport van vaste deeltjes of druppels ter grootte van een mm.

Optische microscopie
IJzermicrodeeltjes in MAE absorberen veel licht, terwijl het basispolymeer, polydimethylsiloxaan, optisch transparant is. Het optisch waarnemen van de MAE-oppervlakteruwheid is een uitdaging omdat beeldvorming van het polymeer vereist is. Voor dit soort metingen is een SEM een betere keuze van apparatuur. Aan de andere kant betekent de aanwezigheid van ijzermicrodeeltjes in de MAE dat er veel licht nodig is om het materiaal waar te nemen. Een veelgebruikte oplossing is om foto's te maken met een lange belichtingstijd en de detector voldoende licht te laten verzamelen.

Optische microscopie is een snelle methode voor kwalitatieve en kwantitatieve analyse van monsters. Het wijzigen van de beeldfocus is niet de meest nauwkeurige methode, maar het is vergelijkbaar met de nauwkeurigheid van de laserbewerkingsmethode. Bij een vergroting van 40x is de axiale resolutie zeer goed (1 μm). Vanwege de ruwheid van het monsteroppervlak is de monsterhoogte op die lengteschalen niet goed gedefinieerd, dus wordt in plaats daarvan een gemiddelde hoogte gemeten met geschatte onzekerheden rond de 5 μm. De hoogte versus het aantal laserpassages is te vinden in Kravanja et ^al.3, waar de kleinste foutbalk ±4 μm is. Als er meer precisie nodig is, bijvoorbeeld bij het onderzoeken van de ruwheid van het uitsteekseloppervlak, is confocale scanmicroscopie een uitstekend alternatief.

Het is niet aan te raden om magnetisch geïnduceerde veranderingen in vivo onder de microscoop waar te nemen, omdat de sterke magnetische velden microscoopcomponenten kunnen magnetiseren en andere magnetisch gevoelige metingen kunnen verstoren. Daarom wordt hier een op maat gemaakte opstelling gebruikt voor het waarnemen van magnetische manipulatie.

Scanning elektronenmicroscopie
SEM is een zeer veelzijdige meettechniek voor het observeren van materiaaloppervlakken. Door verschillende detectoren te kiezen, is het mogelijk om topografische en samenstellingsgegevens te verzamelen, die de door oppervlakte-ablatie geïnduceerde ruwheid en samengestelde structuur van MAE's onthullen. Het is belangrijk op te merken dat MAE's over het algemeen niet elektrisch geleidend zijn, dus er moeten specifieke maatregelen worden genomen om elektronenopbouw op het monsteroppervlak te voorkomen. Het is mogelijk om de monsters te coaten met een koolstofspray of goudsputter die het oppervlak geleidend maakt. Het is ook nuttig om een kleine spotgrootte en korte verblijftijden te gebruiken of een laag vacuüm waar waterdamp de ladingen op de monsteroppervlakken schermt. Grote spotgrootte en lange verblijftijden in hoog vacuüm kunnen de monsters beschadigen.

Dit materiaal heeft een ijzerdeeltjesconcentratie die te groot is (dicht bij de percolatiedrempel) voor een momenteel beschikbare niet-invasieve methode om diep in het monster door te dringen zonder al te veel artefacten, verstrooiing en ruis in de meting te produceren. De enige uitzondering zijn experimenten met neutronenverstrooiing, hoewel deze gespecialiseerde faciliteiten vereisen die niet gemakkelijk toegankelijk zijn. SEM kan echter nog steeds worden gebruikt om de deeltjesverdeling door het monster in beeld te brengen met behulp van terugverstrooide elektronenmetingen voor monsters die door een mes²⁴ zijn gesneden. Het is gebleken dat de deeltjesverdeling uniform is, met uitzondering van de uitputtingslaag, waarvan wordt aangenomen dat deze verband houdt met sedimentatie tijdens het uitharden. SEM wordt beperkt door de afwezigheid van door magnetische velden geïnduceerde metingen, die vanuit het toepassingsoogpunt het meest interessant zijn.

Magnetische manipulatie
Magnetische manipulatie van MAE-structuren kan worden bereikt in de buurt van een permanente magneet of tussen de poolschoenen van een elektromagneet. In het huidige werk werden de experimenten uitgevoerd met een elektromagneet vanwege een eenvoudigere controle van de magnetische veldwaarden. Een objectlens over lange afstand voor monsterwaarneming werd gebruikt om ongewenste magnetisatie van de microscooponderdelen te voorkomen. De lens had een werkafstand van 34 mm, waardoor hij voldoende ver van de magnetische poolschoenen kon worden geplaatst, waar de veldsterkte verdween.

Het is essentieel om te erkennen dat monsters gemaakt van een enkel MAE-stuk, gedeeltelijk gestructureerd op het oppervlak, ook langwerpig zijn in een homogeen magnetisch veld. De vervormingen van microstructuren werden dus over het uitrekken van monsters gelegd. Om structuurvervormingen correct te meten, moeten de totale rekbijdragen worden afgetrokken.

Een elektromagneet had geen onmiddellijke reactie van het magnetische veld op veranderende bronspanning, maar de tijdconstante van het elektrische circuit beperkte de transiënte respons. ¹¹ De stroomuitgang van de gelijkstroomvoeding moet worden gesynchroniseerd met de beeldopname van de camera voor dynamische experimenten. Het is mogelijk om de elektrische stroom door de elektromagneet te meten en het opgewekte magnetische veld te berekenen, of om het direct te meten met behulp van een teslameter. In het laatste geval moet echter ook rekening worden gehouden met de bandbreedte van de teslameter.

Nadat een microscoop in de buurt van een elektromagneet was opgesteld, konden de geometrische parameters van het gestructureerde MAE-oppervlak worden gemeten, evenals hun dynamische veranderingen. Het was ook mogelijk om karakteriseringen uit te voeren die relevant zijn voor de gewenste toepassing, bijvoorbeeld de contacthoeken van druppels op dergelijke oppervlakken en hoe deze dynamisch veranderen.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
10x Plan Apochromat Objectief	Mitutoyo	MY10X-803	gebruikt in Methode 4
10x Objectief	Nikon	kan niet worden bepaald	gebruikt in Methode 2, luchtobjectief
40x Objectief	Nikon	kan niet worden bepaald	gebruikt in Methode 2, luchtobjectief
Baanuitbreider	SPI Lasers UK	PT-P00554
Camera	Canon	EOS M200	gebruikt in Methode 2
Camera	FLIR	BFS-U3-17S7M-C	gebruikt in Methode 4
Carbonyl ijzerdeeltjes	BASF SE	CIP SQ	gemiddelde diameter D50 van 3,9-5,0 µm
Katalysator 510	Evonik Operations GmbH, Specialty Additives	Katalysator 510
Crosslinker 210	Evonik Operations GmbH, Specialty Additives	Crosslinker 210
DC-voeding	GW Instek	GPD-3303S
Elektromagneet	GMW	3470
Remmer DVS	Evonik Operations GmbH, Specialty Additives	Remmer DVS
Laserbron	SPI Lasers UK	SP-020P-A-HS-S-A-N
Microscoop	Nikon	OPTIPHOT2-POL
Modifier 715	Evonik Operations GmbH, Specialty Additives	Modifier 715
Polymeer MV 2000	Evonik Operations GmbH, Specialty Additives	Polymeer MV 2000
Polymeer VS 100000	Evonik Operations GmbH, Specialty Additives	Polymeer VS 100000
Scannende elektronenmicroscoop	ThermoFisher	AXIA-CHEMISEM
Scanningkop	Raylase	SSIIE-10
Siliconenolie	Wacker Chemie AG	AK 10
Stage micrometer 1mm	Nikon	MBM11100	glasplaat als maatreferentie
Stapmotor	Isert-electronic	P Series Nema 24 Bipolar 1.8deg 3.5Nm	2-fasige stapmotor, staphoek van 1,8°
Telecentrische lens	Ronar-Smith	TSL-1064-18-56-V1