Siłowniki do oświetlenia o dowolnym kształcie -- Wytwarzanie i sterowanie uruchamianiem w skali mikroskopowej

Podsumowanie

Tutaj wytwarzamy 3D polimerowe mikro/nano struktury, w których zarówno kształt, jak i wyrównanie molekularne mogą być zaprojektowane z dokładnością do skali nanometrowej za pomocą bezpośredniego pisma laserowego. Indukowane światłem odkształcenia kilku typów mikrostruktur elastomerów ciekłokrystalicznych mogą być kontrolowane w skali mikroskopowej.

Streszczenie

Elastomery ciekłokrystaliczne (LCE) są inteligentnymi materiałami zdolnymi do odwracalnej zmiany kształtu w odpowiedzi na bodźce zewnętrzne i przyciągnęły uwagę badaczy w wielu dziedzinach. Większość badań koncentrowała się na makroskopowych strukturach LCE (folie, włókna) i ich miniaturyzacja jest jeszcze w powijakach. Ostatnio opracowane techniki litografii, np. naświetlanie masek i formowanie replik, pozwalają jedynie na tworzenie struktur 2D na cienkich foliach LCE. Bezpośrednie pisanie laserowe (DLW) otwiera dostęp do produkcji w prawdziwym 3D w skali mikroskopowej. Jednak kontrolowanie topologii i dynamiki uruchamiania w tej samej skali długości pozostaje wyzwaniem.

W tym artykule opisujemy metodę kontroli wyrównania molekularnego ciekłokrystalicznego (LC) w mikrostrukturach LCE o dowolnym trójwymiarowym kształcie. Było to możliwe dzięki połączeniu bezpośredniego zapisu laserowego zarówno dla struktur LCE, jak i dla wzorów mikrosiatek indukujących lokalne wyrównanie LC. Zastosowano kilka rodzajów wzorów siatek w celu wprowadzenia różnych wyrównań LC, które można następnie wkomponować w struktury LCE. Protokół ten pozwala na uzyskanie mikrostruktur LCE z zaprojektowanymi ustawieniami, które są w stanie wykonywać wiele aktywacji optomechanicznych, a tym samym są zdolne do wielu funkcji. Możliwe są zastosowania w dziedzinie fotoniki przestrajalnej, mikrorobotyki, technologii lab-on-chip i innych.

Wprowadzenie

Mikrosiłowniki to mikroskopijne struktury, które mogą przekazywać energię zewnętrzną do działania innego mechanizmu lub systemu. Ze względu na kompaktowe rozmiary i możliwość zdalnego sterowania są one szeroko stosowane w systemach lab-on-chip¹, mikroczujnikach² i mikrorobotyce³. Dostępne do tej pory siłowniki mogą wykonywać tylko proste czynności, takie jak pęcznienie/zapadanie się w matrycy hydrożelowej⁴, kurczenie/zginanie⁵ w jednym kierunku z polem zewnętrznym. Chociaż niedawno opracowane techniki umożliwiły wytwarzanie struktur uruchamiających w skali mikroskopijnej⁶, nadal dużym wyzwaniem jest kontrolowanie tych uruchomień w tej samej skali długości. W artykule przedstawiono metodę przygotowania mikrostruktur aktywujących światło 3D o kontrolowanych właściwościach uruchamiania. Technika ta opiera się na bezpośrednim zapisie laserowym (DLW) i jest demonstrowana w elastomerach ciekłokrystalicznych (LCE).

LCE to miękkie polimery łączące w sobie właściwości elastomeru i orientacji ciekłokrystalicznej. Materiały te są zdolne do dużych odkształceń (20 - 400%) pod wpływem różnego rodzaju bodźców zewnętrznych⁷. Zaletą stosowania LCE do mikrosiłowników jest wygoda inżynierii porządku molekularnego w strukturach, co pozwala na sterowanie zabiegiem w skali mikroskopowej⁸. Monomery LC są syntetyzowane z ugrupowaniem akrylowym, co umożliwia jednoetapową fotopolimeryzację. Ta właściwość daje dostęp do różnych rodzajów technik litograficznych do wytwarzania mikrostruktur 3D. Barwniki azowe jako cząsteczki reagujące na światło są połączone z siecią polimerową w procesie kopolimeryzacji. Takie cząsteczki łączą swoją silną zdolność reagowania na światło (izomeryzacja trans do cis) z indukowanym światłem ogrzewaniem systemu, co zapewnia deformację kontrolowaną światłem.

DLW to technika uzyskiwania struktur polimerowych w materiale światłoczułym poprzez kontrolę przestrzenną skupionej wiązki laserowej⁹. DLW umożliwia tworzenie struktur 3D o dowolnym kształcie w LCE bez utraty wyrównania molekularnego⁶. Istnieje kilka zalet DLW w produkcji mikrosiłowników LCE. Po pierwsze, rozdzielczość może osiągnąć skalę submikronową, a struktury są naprawdę 3D⁶. Wcześniej zgłaszane metody mikrowytwarzania LCE, np. zamaskowana ekspozycja¹⁰ i formowanie replik¹¹, zapewniały rozdzielczość do około 10 μm i miały tylko geometrię 2D. Po drugie, DLW jest bezkontaktowym procesem produkcyjnym. Odpowiedni rozpuszczalnik może wytworzyć wysokiej jakości struktury zachowujące zaprojektowaną konfigurację. Technika formowania replik rzadko daje rozdzielczość submikronową¹², a jakość strukturalna jest trudna do kontrolowania. Po trzecie, pismo laserowe zapewnia wszechstronne możliwości lokalnej orientacji LC w skali mikroskopowej^8,13. Wśród różnych rodzajów technik orientacji LC, tarcie jest najbardziej efektywnym sposobem orientacji cząsteczek LC i jest szeroko stosowane w przygotowywaniu cienkiej warstwy LCE. Na ogół osiąga się to poprzez pocieranie warstw polimeru w celu wytworzenia mikrorowków na wewnętrznych powierzchniach komórki infiltrowanej przez monomery LC. Ze względu na efekt zakotwienia powierzchniowego, takie mikrorowki są w stanie zorientować cząsteczkę LC wzdłuż kierunku rowka. DLW umożliwia bezpośrednie wykonanie tych mikrorowków w wybranym obszarze we wcześniej zaprojektowanym kierunku ze znacznie większą dokładnością. Wszystkie te cechy sprawiają, że DLW jest doskonałą, unikalną techniką wytwarzania i kontroli uruchamiania w skali mikroskopowej.

Na podstawie DLW, mikrostruktury LCE mogą być wzorowane na różnych orientacjach molekularnych. Dzięki złożonemu wyrównaniu w ramach jednej struktury LCE możliwe stają się wielofunkcyjne uruchamianie. Metoda ta może być stosowana do wytwarzania mikrosiłowników LCE z dowolnym rodzajem mieszaniny monomerów LC. Dzięki dalszej inżynierii chemicznej możliwe jest uwrażliwienie siłowników na inne źródła bodźców, np. wilgotność lub oświetlenie o różnej długości fali.

Protokół

Uwaga: Ten protokół zawiera trzy kroki: przygotowanie siatki IP-L do orientacji molekularnej LC, DLW w LCE i charakterystykę aktywacji światła. Schemat systemu bezpośredniego pisma laserowego pokazano na rysunku 1, natomiast system mikromanipulacji pokazano na rysunku 5.

1. Przygotowanie wzoru siatki IP-L

1. Wyjmij jedno szkiełko podstawowe mikroskopu (o średnicy 3 cm) i wyczyść je acetonem za pomocą chusteczek do soczewek.
2. Umieść kilka przekładek (szklanych mikrokulek) za pomocą metalowej końcówki w 3 różnych punktach szkiełka w odległości około 0,5 cm od jego środka.
3. Umieść kolejny preparat mikroskopowy (o średnicy 1 cm) na górze przekładek. Użyj końcówki, aby delikatnie docisnąć górną część górnego szkiełka.
4. Umieść kroplę (około 2 μl) kleju utwardzanego promieniami UV w trzech różnych punktach odpowiednio na granicy górnej szklanki.
5. Zanim klej wniknie zbyt mocno w szczelinę, użyj światła UV, aby zestalić klej. Komórka jest teraz uformowana.
6. Umieść kroplę (około 10 μl) żywicy IP-L na granicy komórki za pomocą pipety. Odczekaj kilka minut, aż płyn przeniknie do całego obszaru komórki.
7. Użyj kleju, aby przymocować celę do uchwytu próbki i umieść ją w bezpośrednim systemie pisania laserowego.
8. Wybierz obiektyw 100X i znajdź interfejs na górnej wewnętrznej powierzchni, a następnie korekcję nachylenia na tej powierzchni.
9. Napisz struktury zaprojektowanych wzorów siatek IP-L z mocą lasera i prędkością skanowania odpowiednio 6 mW i 60 μm/s. Wzory krat są wykonane za pomocą krzywej IP-L lub linii prostych.
10. Powtórz kroki 1.8 i 1.9 na dolnej powierzchni wewnętrznej.
11. Wyjąć celę i zanurzyć próbkę w kąpieli 2-propanolowej bez otwierania kuwety na 12 - 24 godziny.
12. Wyjmij komórkę z rozpuszczalnika i susz ją na płycie grzejnej (50 °C) przez 10 - 20 minut.

2. Wytwarzanie mikrostruktury LCE

1. Odmierz ~300 mg mieszaniny monomerów na wadze. Patrz skład cząsteczkowy w tabeli 1.
2. Przygotowaną mieszaninę umieścić w szklanej butelce i umieścić na płycie grzejnej ustawionej na 70 - 80 °C.
3. Poczekaj, aż cały proszek się rozpuści, dodaj mieszadło magnetyczne i mieszaj mieszaninę przez 1 godzinę (90 - 150 obr./min).
4. Umieść ogniwo na płycie grzejnej w temperaturze 60 °C.
5. Umieść kroplę (około 20 μl) mieszaniny na krawędzi mniejszego szkiełka podstawowego i poczekaj, aż ciecz przeniknie do komórki.
6. Przenieś komórkę do mikroskopu optycznego ze skrzyżowanym polaryzatorem i regulatorem temperatury. Utrzymuj wszystko w ciemności podczas przenoszenia i umieść pomarańczowy filtr przed lampą oświetleniową, aby odfiltrować promieniowanie UV.
7. Zwiększ temperaturę ogniwa powyżej 60 °C za pomocą regulatora temperatury na mikroskopie, a następnie zmniejsz temperaturę (2 - 10 °C na minutę), aby zmierzyć zakres temperatur dla fazy LC. Mieszanina o różnym składzie cząsteczkowym ma inną temperaturę fazy LC. Dobrą jednorodną nematyczną fazę LC można rozpoznać, obserwując odwrócenie kontrastu obrazu podczas obracania próbki co 45° względem osi polaryzatora.
8. Zamocuj celę na uchwycie próbki, umieść ją w systemie DLW i ustaw temperaturę, aby osiągnęła fazę LC (mierzoną w kroku 2.7).
9. Znajdź interfejs na dolnej powierzchni wewnętrznej i wykonaj korekcję nachylenia za pomocą obiektywu 100X lub obiektywu 10X bez znajdowania interfejsu.
10. Zapisz struktury LCE za pomocą DLW z mocą lasera i prędkością skanowania 4 mW i 60 μm/s na dolnym szkiełku podstawowym za pomocą obiektywu 100X. W przeciwnym razie należy używać z mocą lasera i prędkością skanowania 14 mW i 60 μm/s przy użyciu obiektywu 10X (struktura LCE jest wytwarzana na całej grubości próbki).
11. Wyjmij celę i użyj ostrza, aby ją otworzyć, wyjmując górny szklany szkiełko.
12. Zanurz konstrukcje w kąpieli toluenowej na 5 minut.
13. Pobrać próbkę i suszyć na powietrzu przez 10 minut.

3. Charakterystyka lekkiego uruchamiania mikrostruktur LCE

1. Umieść próbkę w mikroskopie optycznym (20X) i skoncentruj wiązkę laserową (CW, 532 nm, 50 - 500 mW) przez obiektyw 10X na strukturach.
2. Obserwuj deformację wywołaną światłem za pomocą kamery CMOS mikroskopu optycznego (liczba klatek na sekundę 25,8 kl./s).
3. Użyj ręcznego sterowania systemem mikromanipulacji (ilustracja 5), aby umieścić szklaną końcówkę w pozycji zbliżonej do mikrostruktur LCE.
4. Włącz laser z małą mocą (~20 mW), aby zwiększyć temperaturę LCE (ze względu na absorpcję światła), a tym samym zmiękczyć strukturę.
5. Użyj szklanej końcówki, aby podnieść jedną mikrostrukturę LCE i przytrzymaj ją w powietrzu. Ten proces jest potrzebny, aby uniknąć przywierania do powierzchni szkła.
6. Dostosuj laser do dużej mocy (>100 mW) i obserwuj deformację struktury LCE.
7. Zapisz deformację wywołaną światłem za pomocą kamery mikroskopu.

Wyniki

Rysunek 1 pokazuje konfigurację optyczną do pisania laserowego. System składa się z lasera światłowodowego o długości fali 780 nm generującego impuls o długości 130 fs z częstotliwością powtarzania 100 MHz. Wiązka laserowa jest odbijana do teleskopu w celu dostosowania profilu wiązki do apertury obiektywu mikroskopu optycznego, gdzie jest skupiana na próbce. Na mikroskopie zainstalowano stolik piezoelektryczny 3D o zakresie przesuwu 300 × 300 × 300^μm3 do translacji próbki z maksymalną prędkością 100 μm/s przy rozdzielczości 2 nm. Liniowo spolaryzowane światło z czerwonej lampy oświetla próbkę od góry, podczas gdy obraz jest zbierany na dole przez ten sam obiektyw i odbijany przez rozdzielacz wiązki do kamery CCD. Przed kamerą używany jest inny polaryzator w celu uzyskania oświetlenia o polaryzacji krzyżowej w celu zwiększenia kontrastu.

Rysunek 2 pokazuje obrazy ze skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) zapisanych laserowo wzorów mikrosiatek IP-L (Krok 1). Rozstaw rowków mieści się w zakresie 400 - 1 200 nm, natomiast wysokość rowków (od góry do doliny) wynosi około 700 nm. Wzory krat o różnych orientacjach mogą powodować różne wyrównania LC, w zależności od pożądanego uruchomienia elementu LCE.

Rysunek 3 pokazuje orientację monomeru LC wywołaną przez wzorce siatki IP-L (Krok 2.7). Po pierwsze, cztery rodzaje wzorów mikrokrat o rozmiarach 100 × 100 μm² każdy zostały wyprodukowane po przeciwnych stronach szklanej komórki (schematycznie pokazanej na rysunku 3a). Ze względu na zakotwienie powierzchniowe, infiltrowane monomery LC zostały zorientowane zgodnie z kierunkiem linii siatki, wykazując w ten sposób odwrócenie kontrastu pod kątem 45° na obrazie spolaryzowanego mikroskopu optycznego (POM) (ryc. 3b).

Rysunek 4 pokazuje obrazy SEM nano kropki/linii LCE wykonanej na sieciach siatek IP-L o różnej orientacji (Krok 2.10). W obrębie sieci kratowej struktury LCE stają się bardziej ograniczone, ze znacznie większą odpornością na rozwój toluenu. Zmierzono minimalną szerokość odłączonego LCE na ~300 nm, co jest zgodne z rozdzielczością DLW bez wzoru siatki. Innym interesującym podejściem do zastosowań fotonicznych może być realizacja wielkoskalowej struktury okresowej. Rysunek 4 (c, d) przedstawia struktury okresowe 2D LCE w sieci mikrosiatek. Wyrównania są dobrze zachowane wewnątrz tych nanostruktur, jak pokazano na wstawionych obrazach POM na rysunku 4 (c, d). Jednak w tych nanostrukturach nie udało się uzyskać deformacji wywołanej światłem. Dzieje się tak dlatego, że w obrębie kraty IP-L elementy nano-LCE zostały mocno ograniczone, a przyczepność zapobiega widocznym deformacjom.

System mikromanipulacji oparty jest na domowym mikroskopie refleksyjnym i jest pokazany schematycznie na rysunku 5. Obiektyw 10X jest zamocowany na tubusie obiektywu umieszczonym na pionowo stojącej płytce stykowej optycznej. Źródło światła LED IR o długości fali 730 nm służy do oświetlenia poprzez niespolaryzowany rozdzielacz wiązki. Odbity obraz jest zbierany przez ten sam obiektyw i wyświetlany w aparacie. Ciągły laser półprzewodnikowy o długości fali 532 nm jest sprzężony z obiektywem za pomocą długoprzepustowego zwierciadła dichroicznego (50% transmisja i odbicie przy 567 nm) pod kątem padania 45°. Miernik mocy mierzy przesyłaną wiązkę za zwierciadłem dichroicznym w celu wykrywania mocy lasera w czasie rzeczywistym. Luźno zogniskowana plamka lasera o średnicy ~150 μm generuje maksymalne natężenie oświetlenia na poziomie ~10 W/^mm2. Intensywność lasera jest kontrolowana przez filtr o zmiennej neutralnej gęstości umieszczony przed laserem. Poniżej celu stosuje się etap ręcznego tłumaczenia 3D do tłumaczenia próbki. Stolik grzewczy zainstalowany na stoliku translacyjnym służy do precyzyjnej kontroli temperatury próbki w zakresie od -20 do 120 °C z dokładnością do 0,5 °C. Dwie szklane końcówki zamontowane na dwóch ręcznych stolikach do tłumaczenia zostały umieszczone po lewej i prawej stronie, w pobliżu pozycji próbki. Mikromanipulacja strukturą może być zrealizowana poprzez ostrożne przesuwanie końcówek za pomocą etapów tłumaczenia.

Aby zademonstrować korelację wyrównania i deformacji, produkujemy cztery cylindryczne struktury LCE o średnicy 60 μm i wysokości 20 μm. Cylindry te są zapisane na czterech różnie zorientowanych obszarach siatki IP-L (okres 1 μm). Pod wpływem wzbudzenia świetlnego barwniki wewnątrz LCE pochłaniają energię świetlną i przenoszą ją do sieci. Struktury LCE są podgrzewane, a następnie przechodzą przemianę fazową (nematyczną do izotropowej). Takiemu przejściu fazowemu sprzyja również izomeryzacja barwnika trans do cis pod wpływem tych samych bodźców świetlnych. W ten sposób konstrukcje kurczą się wzdłuż pierwotnego kierownika wyrównania LC i rozszerzają się w kierunku prostopadłym⁷. W zależności od różnych lokalnych wyrównań indukowanych przez siatki IP-L, struktury te odkształcają się w różnych kierunkach, jak pokazano na rysunku 6 (krok 3.1).

Ta technika umożliwia tworzenie siłowników złożonych, które zawierają więcej niż jeden rodzaj wyrównania w jednej strukturze. Wyprodukowano pas LCE o rozmiarach 400 × 40 × 20 μm³ z dwoma sekcjami wzoru wyrównania, jak schematycznie pokazano na rysunku 7 (a). Te sekcje wyrównujące zawierają każdą orientację skręconą pod kątem 90° w innym kierunku. Powierzchnia z wyrównaniem równoległym kurczy się, podczas gdy ta z wyrównaniem prostopadłym rozszerza się pod wpływem oświetlenia świetlnego. Struktura została wychwycona przez system mikromanipulacji i utrzymana w powietrzu przez szklaną końcówkę. Podwójne zginanie zaobserwowano przy oświetleniu światłem (krok 3.3). Modulowana wiązka laserowa (za pomocą przerywacza optycznego) może wywoływać cykliczne deformacje. LCE może reagować zgodnie z częstotliwością modulacji laserowej (>1k Hz). Jednak amplituda odkształcenia maleje wraz ze wzrostem częstotliwości¹⁴.

Rysunek 1: Konfiguracja optyczna do bezpośredniego zapisu laserowego. Wiązka laserowa o długości fali 780 nm (impuls 130 kl./s, częstotliwość powtarzania 100 MHz) jest sprzężona z mikroskopem i ogniskowana przez obiektyw mikroskopu optycznego w próbce. Stolik piezoelektryczny 3D o zakresie skoku 300 × 300 × 300^μm3 jest używany do translacji próbki podczas naświetlania laserowego. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Obrazy SEM mikrokrat IP-L. a) Jednokierunkowa równoległa struktura liniowa. b) Promieniowy wzór siatki. Podziałka skali: 10 μm. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Mikrokrata IP-L indukuje orientację LC. a) Schemat wzorów mikrokrat zaprojektowanych dla orientacji LC. b) Obraz POM orientacji LC indukowanej przez wzory mikrokrat. Podziałka wynosi 50 μm. Czerwony kolor zawdzięczamy filtrowi, który zapobiega fotopolimeryzacji. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Obrazy SEM nanostruktur LCE osadzonych w sieciach siatkowych IP-L. a) i b) Dwa wzory mikrokrat zostały wytworzone przez DLW wzdłuż różnych kierunków, podczas gdy nanokropki LCE są wytwarzane w sieci siatki. c) i d) Okresowe nanostruktury LCE osadzone w tym samym typie siatek IP-L. Wstawki są obrazem POM konstrukcji. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 5: Schemat konfiguracji mikromanipulacji. Laser półprzewodnikowy CW o długości fali 532 nm jest sprzężony z domowym systemem mikroskopowym. Obiektyw 10X służy do obrazowania i ustawiania ostrości lasera 532 nm w celu wzbudzenia. Dwa ręczne stoliki translacyjne wyposażone w manipulatory ze szklaną końcówką służą do mikromanipulacji próbką. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 6: Lekkie uruchamianie mikrocylindrów LCE na czterech różnych obszarach mikrokrat IP-L o różnych orientacjach. a) Cztery cylindryczne struktury LCE o średnicy 60 μm i wysokości 20 μm, zapisane na czterech różnie zorientowanych obszarach mikrokraty. b) Cylindry LCE odkształcają się wzdłuż różnych osi (w zależności od wyrównania wywołanego siatką) pod wpływem promieniowania laserowego o długości fali 532 nm (10 W ^mm-2). Podziałka skali: 100 μm. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 7: Sterowane światłem odkształcenie mikrostruktur LCE z wieloma dopasowaniami molekularnymi. a) Schemat dwóch sekcji o przeciwnych skręconych pod kątem 90° ustawieniach w jednym pasie LCE. b) oraz c) Obrazy optyczne paska LCE o długości 400 μm wyginającego się w przeciwnych kierunkach przy oświetleniu laserowym 532 nm (3 W ^mm-2)⁸. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Dyskusja

Technika orientacji mikrokrat IP-L została zintegrowana z DLW w celu orientacji monomerów ciekłokrystalicznych. Nanoszone laserowo mikrostruktury LCE mogą być również modelowane za pomocą zaprojektowanego wyrównania w skali mikro. Technika ta pozwala nam na tworzenie złożonych elementów LCE, które mogą obsługiwać wiele funkcjonalności. Spodziewamy się, że dzięki wyjątkowej zdolności do tworzenia dokładnych mikrostruktur 3D i sterowania uruchamianiem, technika ta zostanie wykorzystana do tworzenia mikroskopijnych robotów na bazie elastomerów¹⁴ i otworzy mnóstwo nowych strategii uzyskiwania lekkich urządzeń przestrajalnych¹⁵.

Przygotowania składają się z dwóch kluczowych etapów. Pierwszym z nich jest to, że dwie szklanki komórki powinny być mocno sklejone (kroki 1.4, 1.5). Klej utwardzany promieniami UV zachowuje stabilność geometrii ogniwa podczas opracowywania: ruch szkła ogniwa względem drugiego spowoduje najgorsze wyrównanie LCE. Po drugie, prędkość zapisu laserowego podczas pisania struktury LCE powinna być jak najwyższa, gdy wybrany jest obiektyw 100X. Ze względu na silne pęcznienie LCE podczas procesu pisania laserowego, spęczniała struktura wysunęłaby się z zaprojektowanej pozycji, wpływając w ten sposób na jakość wytwarzanych siłowników.

W niektórych przypadkach obserwuje się, że odkształcalność wywołana światłem pogarsza się w strukturach. Może to być spowodowane wybielaniem barwnika przy dużej intensywności oświetlenia. Po wyłączeniu cząsteczek barwnika struktura LCE zachowuje się jak przezroczyste medium, a absorpcja światła/deformacja wywołana światłem jest tłumiona. Mniejsza moc lasera byłaby bezpieczniejsza dla uruchamiania mikrostruktur LCE.

Istnieją również pewne wady tej metody. Po pierwsze, cały proces trwa stosunkowo długo. W celu utrzymania konfiguracji ogniwa, pierwszy proces wywoływania IP-L (wykonywany przez zanurzenie próbki w kąpieli rozpuszczalnikowej) przeprowadza się w 2-proponalu bez otwierania celi. Czas rozwoju zależy zatem od wielkości komórki i grubości szczeliny i zwykle trwa 12 - 24 godziny. Zastąpienie siatki IP-L innymi wzorami zapisywalnymi laserowo, takimi jak wzór ablacji indukowany laserem i chemicznie modyfikowana powierzchnia indukowana laserem, może spowodować wyrównanie LC i znaczne skrócenie czasu wytwarzania. Po drugie, LCE jest miękką substancją, która zawsze ulega przywieraniu do szklanego podłoża. Deformacja wywołana światłem została stłumiona, gdy mikrostruktury przyklejają się do powierzchni. Po trzecie, wysokość konstrukcji jest ograniczona grubością komórki i obiektywną odległością roboczą. W systemie pisania laserowego maksymalna wysokość wynosi około 100 μm. Niedawno opracowane techniki druku 3D mogą być dobrym kandydatem do tworzenia lekko uruchamianej struktury LCE w skali mezoskopowej do makroskopowej. Jednak utrzymanie orientacji molekularnej podczas polimeryzacji może być głównym problemem budzącym obawy.

Technika ta jest wyjątkowa, ponieważ pozwala na uzyskanie siłowników 3D o dowolnym kształcie w naprawdę mikroskali, co nie jest możliwe przy użyciu innych istniejących technik. Mikrostruktury LCE mogą być wzorowane na różnych orientacjach molekularnych i funkcjach. Implementacja tej techniki przez dalszą inżynierię chemiczną pozwoli na uwrażliwienie siłowników na inne źródła bodźców i otworzy drogę do opracowania wydajnych mikrorobotów i miękkich urządzeń fotonicznych.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Molekularny: monomer LC	SYNTHON Chemicals GmbH & Co. KG	ST03866	~78% mol% w mieszaninie
Molekularny: środek sieciujący LC	SYNTHON Chemicals GmbH & Co. KG	ST03021	20 mol% w mieszaninie
Molekularny: barwnik azowy	Synteza odnosząca się do Ref. 6		1 mol% w mieszaninie. Element wrażliwy na światło, może być wykluczony w produkcji siłowników napędzanych ciepłem.
Molekularny: Inicjator	Sigma	Irgacure 369	1 - 2 mol% w mieszaninie
Spacer	Thermo scientific		Mikrosfera o średnicy od 10 do 100 &mikro;m.
IP-L	Nanoscribe GmbH
Klej utwardzany promieniami UV	Domowy		IP-L z inicjatorem 1 % wag. (Irgacure 369)
Szkiełko podstawowe	mikroskopu MENZEL-GLÄ SER		Średnica: 1 lub 3 mm, Grubość: 0,16 - 0,19 mm
Lampa UV LED	Thorlabs	M385L2-C4	Długość fali: 385 ± Laser 10 nm
532 nm	Shanghai Dream Lasers	SDL-532-500T	500 mW
laser Bezpośredni system pisania laserowego	Nanoscribe GmbH
Płyta grzewcza	Linkam Scientific Instruments Ltd.	PE120	Zakres temperatur: -20 do 120 ° C
Mikroskop	Zeiss	Axio Observer A1	Ze skrzyżowanymi polaryzatorami
Mikromanipulator	Narishige	MHW-3