Free-form Light Actuators - Fabricage en Controle van de Aandrijving in microscopische schaal

Het algemene doel van deze tweedelige laser-schrijfprocedure is het verkrijgen van op elastomeren gebaseerde licht activerende structuren op micrometer-schaal. De methode kan helpen om sleutelvragen te beantwoorden op het gebied van microbiotica en microfluidica. Zoals het creëren van een enkele microstructuur met complexe beweging.

Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat de moleculaire oriëntatie handmatig in micro-schaal kan worden gepatternd. Hierdoor kan de specifieke vorm van activering duidelijk worden gecontroleerd. Sommige van deze methoden kunnen worden toegepast in de microbiotica, maar ze kunnen ook worden toegepast op verschillende systemen zoals het afstemmen van fotonische apparaten of materialen die reageren op verschillende stimuli.

Een deel van de procedure zal worden gedemonstreerd door Daniele Martella, een postdoc uit mijn laboratorium. Om te beginnen, reinig een glasdekje met een diameter van 3 cm met aceton en lensdoek. Gebruik vervolgens een pincet of een tang om enkele glasmicrosferen op het schuifje te plaatsen, ongeveer een halve centimeter vanaf het middelpunt.

Deze dienen als ruimtevullers. Plaats een microscoopglaasje met een diameter van 1 cm op de ruimtevullers en druk het voorzichtig in positie. Voeg vervolgens ongeveer twee microliter UV-hardende lijm toe in de opening tussen de schuiven op de drie verschillende punten waar de ruimtevullers zich bevinden.

Voordat de lijm te ver in de opening doordringt, gebruik UV-licht om de lijm te drogen. Dit vormt de cel voor het experiment. Laat vervolgens ongeveer 10 microliter IPL-hars langs de rand van de cel druppelen.

Wacht een paar minuten totdat de vloeistof het hele gebied van de cel heeft geïnfiltreerd. Bevestig vervolgens de cel op de steun met Fixo gumlijm. Plaats de constructie in het Direct Laser Writing-systeem en vind met een 100X objectief de interface op het bovenste binnenoppervlak.

Maak vervolgens een kantcorrectie, omdat de schuif niet perfect horizontaal is. Schrijf nu de structuren van ontworpen IPL-gradatiepatronen met 6 milliwatt laservermogen bij 60 micrometer per seconde. De gradatiepatronen worden gemaakt met ronde of rechte lijnen.

Zoek vervolgens de interface en corrigeer de kant naar het onderste binnenoppervlak. Schrijf het patroon daar ook op. Breng de cel vervolgens over naar een isopropanolbad gedurende 12 tot 24 uur.

Open de cel nog niet. Droog de cel de volgende dag op een hotplate van 50 graden Celsius gedurende 10 tot 20 minuten. Begin deze procedure door ongeveer 300 mg monomeermengsel af te meten.

Laad het mengsel in een glazen fles en zet deze op een hotplate ingesteld op 70 tot 80 graden Celsius om het poeder te smelten. Eenmaal gesmolten, roer het gedurende een uur tussen 90 en 150 RPM. Zodra het mengsel homogeen is, plaats de voorbereide cel op de hotplate op 60 graden Celsius en laat 20 microliter mengsel langs de rand van de kleinere glazen schuif druppelen.

Laat de vloeistof in de cel bewegen. Bescherm vervolgens de schuif tegen licht en breng deze over naar de microscoop met een gekruiste polarisator en een temperatuurregelaar. Voordat u de cel belicht, bevestigt u een oranje filter aan de lamp om het UV te filteren. Verwarm vervolgens de cel tot boven 60 graden Celsius met behulp van de verwarmde stage.

Verlaag nu de temperatuur met een snelheid van twee tot 10 graden Celsius per minuut om het temperatuurbereik voor de vloeibare kristalfase te meten. Observeer het monster met beeldcontrastinversie, terwijl u het 45 graden draait ten opzichte van de polarisatoras. Uiteindelijk zou een goede homogene nematische vloeibare kristalfase moeten worden opgemerkt.

Bevestig vervolgens de cel op een steun voor het DLW-systeem. Laad het monster en stel de temperatuur in om de vloeibare kristalfase te bereiken. Zoek vervolgens de interface van het onderste binnenoppervlak en voer de kantcorrectie uit met behulp van een 100X objectief.

Schrijf vervolgens de LCE-structuren met een laservermogen van vier milliwatt en met een snelheid van 60 micrometer per seconde. Als een 10X objectief wordt gebruikt, pas dan de laser aan op 14 milliwatt en maak je geen zorgen over het vinden van de interface. In dit geval wordt de structuur gefabriceerd tot de volledige dikte van het monster.

Ontlaad vervolgens de cel en gebruik een mes om de bovenste glazen schuif te verwijderen. Nadat de bovenste schuif is verwijderd, dompelt u de structuren gedurende vijf minuten in een tolueenbad en laat u ze vervolgens gedurende 10 minuten aan de lucht drogen. Om de LCE-microstructuren te karakteriseren, plaatst u het monster in de zelfgemaakte microscoop en concentreert u een laser op de structuren met behulp van een 10X objectief.

Gebruik nu een CMOS-camera om de lichtgeïnduceerde vervorming te observeren. Gebruik de handmatige bediening van het micromanipulatiesysteem om de glazen micro-tips die zich op de manipulatorarmen bevinden, dicht bij de LCE-microstructuren te brengen. Schakel nu de laser in op laag vermogen, rond de 20 milliwatt, om de temperatuur van de LCE te verhogen en dus de structuur te verzachten.

Gebruik vervolgens de glazen tips om een LCE-microstructuur op te pakken en deze in de lucht te houden. Dit proces is nodig om hechting van het glazen oppervlak te voorkomen. Verhoog vervolgens het laservermogen tot meer dan 100 milliwatt.

Neem vervolgens de lichtgeïnduceerde vervorming van de LCE-structuur op voor analyse. Vier LCE-cilindrische structuren, 60 micrometer in diameter en 20 micrometer hoog, werden gefabriceerd op vier verschillend georiënteerde IPL-gradatiegebieden met een periode van één micrometer. Onder lichtexcitatie absorbeerden de kleurstoffen in de LCE energie en brachten deze over in het netwerk.

De structuren gingen over van nematische naar isotrope fase, samentrekking langs de oorspronkelijke LC-uitlijningsrichting en uitzetting in de loodrechte richting. Deze techniek maakt het mogelijk om samengestelde actuatoren te creëren die meer dan één type uitlijning bevatten in één enkele structuur. Bijvoorbe