Mikroobróbka laserowa do projektowania topografii powierzchni polimerów

Podsumowanie

Przedstawiono metodę nałożenia topografii powierzchniowej pochłaniającej światło materiałów kompozytowych polimerowych, szczególnie magnetoaktywnych elastomerów (MAE), za pomocą mikroobróbki laserowej. Ta metoda umożliwia dużą elastyczność w projektowaniu topograficznym i szybkim prototypowaniu. Przedstawiono przykład strukturyzacji powierzchni MAE, charakteryzacji oraz ich reakcji na zewnętrzne pole magnetyczne.

Streszczenie

Miękkie magnetoaktywne elastomery (MAE) to inteligentne materiały, które reagują na zewnętrzne pola magnetyczne, dynamicznie zmieniając swoje właściwości mechaniczne. Składają się z magnetycznie reagujących mikrocząstek osadzonych w miękkiej matrycy polimerowej, wykazując efektywny moduł ścinania do 100 kPa. W ostatnich dekadach właściwości masowe MAE zostały z powodzeniem wykorzystane w zastosowaniach takich jak dynamiczne tłumienie drgań, wykrywanie drgań oraz aktywacja w robotyce miękkiej. Najnowsze badania skupiły się na ich właściwościach powierzchniowych, ujawniając obiecujące wyniki dotyczące elementów nawierzchni do strojenia, takich jak chropowatość, przyczepność i zwilżanie. Demonstrowano nawet transport małych, stałych i płynnych obiektów. Związane z tym efekty powierzchniowe można znacząco wzmocnić poprzez precyzyjne inżynierię topografii powierzchni. W tym artykule przedstawiono wydajną technikę mikroobróbki laserowej o rozdzielczości 15 μm, która umożliwia szybkie prototypowanie powierzchni MAE. Pozwala na tworzenie różnorodnych, złożonych kształtów i oferuje funkcjonalność wykraczającą poza tradycyjne techniki formowania. Dodatkowo podejście to jest wszechstronne i można je zastosować do każdego polimeru, który wystarczająco pochłania światło laserowe. Na przykład przedstawiono proces mikrowzorowania powierzchni lamelarnej oraz jego charakterystykę za pomocą mikroskopii optycznej i skaningowej elektronowej. Wykazano jej reakcję na pole magnetyczne. Technika ta zapewnia elastyczne i szybkie rozwiązanie do optymalizacji projektowania powierzchni polimerów w szerokim zakresie zastosowań.

Wprowadzenie

Strukturyzacja powierzchni polimerów jest niezbędną metodą w wielu dziedzinach technologicznych. Rozwój i produkcja urządzeń półprzewodnikowych wykorzystują fotolitografię, dobrze ugruntowaną technikę¹, do selektywnej polimeryzacji światłoczułych polimerów w celu stworzenia masek umożliwiających selektywne trawienie lub osadzanie innych materiałów, takich jak metal czy tlenki. W ramach koncepcji laboratorium na chipie², fotowzorowanie, druk 3D lub obróbka fizyczna mogą tworzyć formy, które odciskają gotową topografię dla urządzeń milli- i mikrofluidycznych na bazie polimerów. Opisano tutaj metodę bezmaskową strukturyzacji polimerów, która pozwala uzyskać taki sam zakres kształtów jak formy, z dodatkiem geometrii skośnego wystańca i szybkim czasem realizacji³. Powierzchnie o małych cechach zapewniają doskonałe właściwości materiałowe, takie jak zdolność samoczyszczącości, zmniejszony opór⁴ czy opalizujące kolory konstrukcyjne⁵. Dlatego kluczowe jest rozwijanie technik o nowych lub ulepszonych możliwościach strukturalnych.

Elastomery magnetoaktywne (MAE) od dawna są znane jako materiał, który może zmieniać swoje właściwości mechaniczne w odpowiedzi na zewnętrzne pola magnetyczne ^6,7,8, i zostały już zaimplementowane w technologii motoryzacyjnej i głośnikowej. Obróbka laserowa bezpośrednia umożliwiła wzrost eksperymentalnej eksploracji powierzchni MAE zmodyfikowanych topograficznie. Pola magnetyczne mogą wpływać na magnetycznie reagujące wypustki, zmieniając ich kształt, orientację i właściwości elastyczne. Wykazano, że może to głęboko wpływać na uderzenie i odbicie obiektu ^9,10, odbicie światła^11,12, zwilżanie¹³, a także może być wykorzystywane do transportu obiektów stałych i ciekłych 14,15,16,17,18,19,20 lub generowania przepływu ^21,22. Przedstawiona tutaj mikroobróbka laserowa jest doskonale przystosowana do MAE, ponieważ cząstki magnetyczne pochłaniają promieniowane światło laserowe, nagrzewają się i prowadzą do usuwania materiału. Metoda ta dotyczy kompozytów z cząstek, które wystarczająco pochłaniają światło laserowe i dowolnego polimeru, a także polimerów pochłaniających światło bez cząstek.

Próbki pokazane w tym artykule pochodzą z większych arkuszy MAE. MAE powstaje z matrycy polidimetylosiloksanu (PDMS) wypełnionej cząstkami karbonylowego żelaza. PDMS jest wykonany z indywidualnej mieszanki (patrz Tabela 1 , aby poznać składniki i ich stosunek wagi). Polimery, cząstki żelaza, olej silikonowy oraz modyfikator są łączone i dokładnie mieszane, po czym dodaje się i miesza się krzyżowca, inhibitor i katalizator. Płynna mieszanina MAE jest rozprowadzana na podłożu, w tym przypadku folii polietylentereftalanu (PET) o grubości 0,2 mm, za pomocą aplikatora filmowego wyposażonego w regulowane ostrze ustawione na odległość 0,5 mm. Aplikator przesuwa ostrze nad cieczą ze stałą prędkością 1 mm s⁻¹ , tworząc warstwę MAE o pożądanej grubości. Podłoże z folią MAE przelano następnie na płaską blachę do pieczenia i umieszczano w piekarniku na 1 godzinę w 80 °C, a następnie przez 24 godziny w 60 °C, aby całkowicie się utwardzić. Moduł magazynowania ścinania G₀' zmierzono przy częstotliwości kołowej 10 s⁻¹ i amplitudzie ścinania 0,01% na osobnej próbce o grubości 1 mm. Materiał użyty w eksperymentach miał moduł magazynowania ścinania G₀' ≈ 15 kPa (moduł Younga ≈ 45 kPa). Do tworzenia wzorowania powierzchni stosuje się mikroobróbkę laserową (patrz szkic na Rysunku 1), co charakteryzuje się za pomocą mikroskopu optycznego (Rysunek 2 i Rysunek 3) oraz skaningowego mikroskopu elektronowego (Rysunek 3). Pokazano dwa typy wzorowania: filary na Rysunku 1 oraz lamele na Rysunku 3 i Rysunku 4. Powierzchnia lamelowa jest odchylana na bok w odpowiedzi na zmiany pola magnetycznego (Rysunek 4) generowane przez elektromagnes (Rysunek 2).

Protokół

Do tego badania użyto próbki optycznie absorbującego kompozytu polimerowego o płaskiej powierzchni, który może być wykonany na zamówienie lub dostępny komercyjnie z gumami magnetycznymi. Dlatego nie jest to krytyczny krok do modyfikacji powierzchni polimerów metodą mikroobróbki laserowej (krok 1, rysunek 1). Odczynniki i używany sprzęt są wymienione w Tabeli Materiałów.

1. Mikroobróbka laserowa

UWAGA: Użyj techniki mikroobróbki do prowadzenia skupionej wiązki laserowej na powierzchnię próbki za pomocą głowicy 2D skanującej sterowanej galvo. Stosujemy nanosekundowy system laserów światłowodowych o długości fali 1064 nm, średniej mocy do 20 W, czasie trwania impulsu od 10 ns do 250 ns, częstotliwości od 1 kHz do 1 MHz oraz energii na impuls do 0,6 mJ. Upewnij się, że średnica wiązki w punkcie ogniskowym wynosi 14,1 μm, używając telecentrycznej soczewki f-theta o ogniskowej 56 mm.

1. Włącz system mikroobróbki laserowej i wentylację do usuwania oparów.
2. Utwardzoną próbkę MAE (lub inny polimer pochłaniający światło) umieść na powierzchni roboczej głowicy skanującej w płaszczyźnie ogniskowej i pod wybranym kątem (θ na Rysunku 1).
3. Ustaw parametry przetwarzania i pożądanej struktury (w przykładzie pokazanym w krokach 2-4, struktura lamelowa o szerokości podstawy 70 μm i szerokości 160 μm, bez pochylenia) w oprogramowaniu sterującym laserem, postępując zgodnie z poniższymi krokami:
   1. Projektuj trajektorię skanowania, śledząc obszar, z którego materiał powinien zostać usunięty (tworząc "negatyw" wymaganych struktur).
   2. Ustaw parametry skanowania (powtórzenia – różnią się w zależności od docelowej głębokości³, szybkości skanowania 500 mm ^s-1 oraz odległości wylęgowania 15 μm).
      UWAGA: Kalibruj te parametry dla każdego materiału z testową strukturą.
   3. Ustaw parametry sterowania laserem (moc 20 W, częstotliwość 30 kHz, czas trwania impulsu 12 ns).
      UWAGA: Kalibruj te parametry dla każdego materiału z testową strukturą.
4. Upewnij się, że przestrzegasz protokołów bezpieczeństwa (noszenie okularów ochronnych i wentylacja oparów) i przeprowadź program.
5. (opcjonalnie) W przypadku struktur skośnych kompensuj nachylenie powierzchni próbki poprzez podnoszenie/opuszczanie próbki, aby utrzymać aktualny obszar roboczy zawsze w płanie ogniskowej, wykorzystując śrubowy, specjalnie zbudowany, zmotoryzowany stopień liniowy z silnikiem krokowym i rozdzielczością ±10 μm, sterowany za pomocą oprogramowania do skanowania laserowego.
   UWAGA: Kompensacja wysokości zależy od kąta nachylenia próbki.

Rysunek 1: Szkic konfiguracji obróbki laserowej z głównymi elementami. Zbliżenie kołowe: próbkę można przechylić, tworząc pochylone mikrostruktury powierzchniowe. Opisano możliwe opcje polimerowe i podłożowe. Lewy dolny: Pokazano obraz optyczny prostokątnych filarów. Skala: 500 μm. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figury.

2. Mikroskopia optyczna

UWAGA: Wykonaj wstępną charakterystykę ustrukturyzowanych próbek MAE za pomocą mikroskopu optycznego.

1. Oczyść próbkę za pomocą sprężonego azotu i delikatnie usunąć potencjalny kurz lub zanieczyszczenia z próbki.
   UWAGA: Uważaj, aby nie używać zbyt silnych wybuchów gazu, ponieważ mogą one potencjalnie zniszczyć próbkę.
2. Połóż próbkę na stole mikroskopowym i włącz źródło światła używane w mikroskopii refleksyjnej. Jeśli próbka jest zdeponowana na przezroczystym podłożu, użyj przepuszczalnego źródła światła.
3. Wybierz obiektyw 10x o niskim powiększeniu i zmierz odpowiednie boczne wymiary próbki, na przykład wysokość między lamelami (Rysunek 3A).
   1. Zamontuj kamerę na górze obiektywu i pociągnij dźwignię, aby przekierować światło z próbki na sensor kamery, a nie na okular.
   2. Konfiguruj skalę aparatu, robiąc zdjęcia szklanych slajdów w skali odniesienia. Zmierz znane odległości w pikselach, aby określić rozmiar pikseli każdego obiektywu. Do kalibracji tej skali użyj oprogramowania open source, takiego jak ImageJ.
   3. Zmierz wybrane boczne wymiary próbki w pikselach, a następnie oblicz fizyczne odległości, mnożąc liczbę pikseli przez rozmiar piksela w mikrometrach.
4. Przełącz się na obiektyw o większym powiększeniu 40x, aby uzyskać informacje o wysokości konstrukcji.
   1. Otwórz aperturę pola, aby zmniejszyć głębię ostrości.
   2. Reguluj wysokość mikrometrowego stopnia i skup mikroskop na górze struktur. Zanotuj numer na mikrometru.
   3. Powoli podnieś stopień, obracając mikrometrową, aż fokus spocznie na podłożu próbki. Zanotuj numer na mikrometru.
   4. Oszacuj wysokość konstrukcji, odejmując wartości ze mikrometrowej przed i po regulacji ostrości (rysunek 3A).

3. Skaningowa mikroskopia elektronowa

UWAGA: Uzyskaj dodatkowe informacje o powierzchni MAE, takie jak stężenia cząstek wypełniających lub chropowatość powierzchni, za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM).

1. Podłącz się do oprogramowania SEM i odwietrz komorę ciśnieniową.
   UWAGA: Umieść potencjalne próbki w SEM z dala od kolumny detektora podczas jej odpowietrzania, aby uniknąć skażenia detektora.
2. Podczas wentylacji komory przygotuj próbki do SEM, stosując poniższe kroki:
   1. Noś rękawiczki. Przetnij próbki skalpelem do rozmiaru pinu do uchwytu próbek SEM.
   2. Przyłóż mały kawałek dwustronnej taśmy węglowej na pin, przykrywając go w całości. Przytnij taśmę, wyciągając ją na krawędzie pinów.
   3. Przyklej przycięte próbki do szpilek za pomocą plastikowej pęsety, aby nie uszkodzić próbek.
   4. Oczyść próbki za pomocą sprężonego gazu azotowego i delikatnie usunąć potencjalny kurz lub zanieczyszczenia z próbki.
      UWAGA: Nie używaj zbyt intensywnych wybuchów gazu, ponieważ mogą one potencjalnie zniszczyć miękkie próbki elastomerowe.
   5. (opcjonalnie) Pokrywaj próbki cienką przewodzącą warstwą węgla lub złota, ponieważ zapewnia to mniejsze gromadzenie się ładunku i dryf podczas dłuższych pomiarów.
3. Otwórz komorę próżniową i wyciągnij scenę. Włóż piny wraz z próbkami do sceny, notując ich pozycje. Przywróć stopień do pozycji podstawowej i zamknij komorę próżniową.
4. Wykonaj pomiary elektronów rozproszonych wstecznie.
   UWAGA: Użyj silnego rozpraszania wstecznego elektronów od większych atomów do wygenerowania kontrastu w składzie materiału, jak pokazano na Rysunku 3B, elektrony rozproszone wstecznie. Mierz kształty i rozmiary cząstek, koncentrację oraz zmiany cząstek wywołane laserową ablacją poprzez zbieranie danych rozproszonych wstecznie.
   1. Pompuj powietrze z komory próżniowej, aby uzyskać wysoką próżnię. Wykonaj optyczne zdjęcie nawigacyjne próbek i użyj go jako przewodnika do przesunięcia stoliku, aby umieścić interesującą próbkę w odpowiedniej odległości od krawędzi detektora.
      UWAGA: Podczas jazdy po scenie nieustannie monitoruj jego ruch za pomocą kamery na żywo w podczerwień, aby uniknąć kolizji.
   2. Włącz wiązkę elektronów i pokaż obraz z koncentrycznego detektora rozpraszania wstecznego (CBS). Dostosuj siłę i kształt wiązki, wybierając napięcie przyspieszające 30 kV, rozmiar plamki 4,0 oraz czas zatrzymania 5 μs.
   3. Znajdź ostrość na próbce, używając ręcznych lub automatycznych regulacji. Ustaw właściwą jasność i kontrast podczas oglądania histogramu pobranego obrazu i zmaksymalizuj szerokość histogramu.
   4. Wybierz odpowiedni obszar próbki i pożądane powiększenie, a następnie ewentualnie ponownie dostosuj ostrość.
5. Wykonaj pomiary elektronów wtórnych.
   UWAGA: Należy zauważyć, że elektrony wtórne są generowane wzdłuż ścieżki elektronowej przez próbkę, jednak tylko elektrony wtórne z najwyższych warstw powierzchni wydostają się z próbki i są wykrywane. Poprzez zbieranie danych o elektronach wtórnych przy bardzo niskich napięciach przyspieszających, na Rysunku 3B dla elektronów wtórnych obserwuje się topografię powierzchni, gdzie kontrast wynika z nachyleń powierzchniowych.
   1. Wyłącz wiązkę elektronów. Przesuń uchwyt próbki od detektora w bezpieczne miejsce. Ustaw niską próżnię w komorze 0,70 mbar. Ustaw polaryzację detektora na 68%.
   2. Przenieś próbki na odległość roboczą około 3,5 mm. Ustaw niewielkie napięcie przyspieszające 2,0 kV i bardziej wyraźny rozmiar punktu 7. Zwiększ czas zatrzymania do 100 μs.
   3. Włącz wiązkę i pokaż wykryty obraz z detektora elektronów wtórnych w niskiej próżni (LVD). Znajdź ostrość oraz właściwą jasność i kontrast.
   4. Wybierz odpowiedni obszar próbki i pożądane powiększenie, a następnie ewentualnie ponownie dostosuj ostrość.
6. Po pomiarach umieść uchwyt w bezpiecznej pozycji i odwietrz komorę próżniową.
7. Nosząc rękawiczki, otwórz drzwi komory, wyjmij szpilki z próbkami i za pomocą pęsety zdejmij taśmę węglową z szpilki.
8. Zachowaj próbki na ewentualne ponowne pomiary. Zamknij drzwi komory i zostaw SEM w wysokiej próżni.

4. Manipulacja magnetyczna

UWAGA: Zastosuj układ pokazany na Rysunku 2, używając elektromagnesu o powierzchni bieguna 20 mm do deformowania powierzchni lamelarnych. Napędz elektromagnes zasilaczem stałym i obserwuj powstałe odkształcenia za pomocą kamery połączonej z obiektywem 10x.

1. Umieść niemagnetyczny uchwyt między biegunami magnesu. Powyżej zbuduj mikroskop, łącząc obiektyw z rurką 200 mm, która skupia światło na detektorze kamery. Projektuj system detektora obiektów tak, aby umożliwiał translacje w kierunkach XYZ (Rysunek 2).
2. Oczyść próbkę za pomocą sprężonego azotu i delikatnie usunąć potencjalny kurz lub zanieczyszczenia z próbki. Nie używaj zbyt intensywnych wybuchów gazu, ponieważ mogą one potencjalnie zniszczyć miękką próbkę elastomerową.
3. Przyklej kawałek dwustronnej taśmy klejącej do uchwytu na próbkę i umieść próbkę na środku między słupkami.
   UWAGA: Dla łatwiejszego kontaktu z próbkami użyj kleju rozpuszczalnego w wodzie z alkoholem poliwinylowym (PVA) do przyklejania próbek do szkiełek mikroskopowych (szkło lepiej przylega do taśmy niż elastomer).
4. Podłącz kable zasilające elektromagnesu do zasilacza i podłącz do aparatu za pomocą odpowiedniego przewodu podłączającego.
5. Podczas wykonywania zdjęć należy przyłożyć prąd stały 3,2 A do elektromagnesu, który wytwarza jednorodne pole magnetyczne o mocy około 340 mT w centrum 20 mm przerwy biegunowej. Pole magnetyczne deformuje struktury MAE.
6. Zbadaj odkształcenia poprzez badanie różnych struktur, orientacji linii próbk-magnetycznych, sił pola magnetycznego oraz dynamicznego przełączania pola (Rysunek 4).

Rysunek 2: Fotografia układu manipulacji magnetycznej z głównymi elementami oznaczonymi. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Wyniki

Po ustrukturyzowaniu powierzchni MAE jest ona badana mikroskopią optyczną. Zazwyczaj wystarcza to, aby potwierdzić, że wzór powierzchni jest wolny od wad oraz sprawdzić, czy zarówno wymiary boczne, jak i pionowe są zgodne z oczekiwaniami (Rysunek 3A). SEM wybiera się, jeśli interesują się dalsze szczegóły, takie jak rozkład cząstek w matrycy polimerowej lub wpływ obróbki laserowej na chropowatość powierzchni polimeru (rysunek 3B).

Rysunek 3: Obrazy optyczne powierzchni MAE o strukturze. (A) Za pomocą obiektywu o dużym powiększeniu można wykonać wstępną charakterystykę struktury w kierunkach bocznych i podłużnych poprzez zmianę ostrości. Skala na głównym obrazie wynosi 500 μm, a skala na powiększonych obrazach to 100 μm. Dodatkowe charakterystyki powierzchni wykonuje się za pomocą SEM (B), gdzie można wykryć różne typy elektronów i zmierzyć różne właściwości powierzchni. Elektrony rozproszone wstecznie ujawniają kontrast składowy, natomiast elektrony wtórne dają wgląd w topograficzne zmiany powierzchni. Wszystkie paski skali mają 50 μm. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figury.

Orientację wystańca można manipulować za pomocą zmiennych w czasie pól magnetycznych, które można tworzyć na różne sposoby. Cewki mogą wytwarzać elektronicznie przełączalne pola lub magnesy trwałe, które są mechanicznie przesuwane. Zazwyczaj pola magnetyczne są niejednorodne, ale jeśli potrzebne są jednorodne pola magnetyczne, można wykorzystać wnętrze elektromagnesów lub cewek w konfiguracji Helmholtza^.

Rysunek 4: Przykład sterowania deformacją struktury przez pole magnetyczne. Za pomocą elektromagnesu można wygenerować jednorodne pole magnetyczne w płaszczyźnie próbki, wywołując sprężyste odkształcenia struktur powierzchniowych. Te odkształcenia z kolei wywołują zmiany makroskopowych właściwości powierzchni materiałów MAE. Pokazane paski skali dotyczą wszystkich obrazów i mają 200 μm. Prosimy kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego wykresu.

Składnik	Procent masy
Polimer kontra 100000	7.07
Modyfikator 715	0.03
Polymer MV 2000	1.26
Olej silikonowy	16.62
Cząstki karbonylowego żelaza	74.79
Crosslinker 210	0.12
Inhibitor DVS	0.03
Catalyst 510	0.08
SUMA	100

Tabela 1: Stosunek substancji chemicznych w formulacji materiału MAE podany przez procent masowy.

Dyskusja

Obróbka fizyczna form jest optymalna do produkcji na dużą skalę, gdy geometria cech powierzchni jest już wcześniej ustalona. Natomiast szybkie prototypowanie jest pożądane na etapie rozwoju i optymalizacji nowego urządzenia. Zarówno druk 3D form i bezpośrednia fotolitografia laserowa mają szybki czas realizacji, ale mają swoje ograniczenia. Jedną z wad struktur drukowanych w 3D jest chropowata jakość form, która utrudnia rozdzielenie odlewanego polimeru bez pęknięć i uszkodzeń. Bezpośrednia fotolitografia laserowa ogranicza się do ortogonalnych wzorów do powierzchni. Nadaje się także tylko do polimerów, które nie rozpraszają padającego światła i są wystarczająco przezroczyste, by umożliwić fotopolimeryzację na całej grubości warstwy polimerowej. Możliwe jest użycie polimeru fotoczułego do stworzenia formy dla innego typu polimeru, ale to wydłuża czas produkcji i wydłuża rozwój prototypu. Natomiast obróbka laserowa to metoda bez formy, która umożliwia bezpośrednie konstrukcjonowanie polimerów pochłaniających optyki. Czyni ją to doskonale odpowiednią do tworzenia cech topograficznych na polimerach, takich jak elastomery magnetoaktywne (MAE), które pobierają absorpcję dzięki dużemu skupisku magnetycznie reagujących mikrocząstek. Bardzo charakterystyczne, umożliwia także tworzenie nieortogonalnych cech, takich jak skośne lub pochylone ściany³.

Mikroobróbka laserowa
Technika mikroobróbki laserowej opisana w kroku 1 jest bardzo solidna, ale szczególną uwagę należy poświęcić ustawieniu próbki MAE. Odległość od soczewki powinna być precyzyjnie określona, dokładnie znajdując płaszczyznę ogniskową na powierzchni próbki, jednocześnie będąc równoległą do płaszczyzny soczewki skupiącej ze względu na krótką odległość Rayleigha zapewnianą przez system laserowy. Przy tworzeniu struktur skośnych stosuje się inne podejście, kompensując nachylenie powierzchni próbki poprzez podnoszenie/opuszczanie próbki, aby utrzymać bieżący obszar roboczy zawsze w płanie ogniskowej. Jeśli nagromadzenie ciepła w próbce jest zbyt duże (oceniane offline, po mikroobróbki, poprzez wizualne sprawdzenie struktur) i powoduje erozję struktur, należy zastosować odpowiednie zarządzanie ciepłem.

Ograniczenia podejścia wiążą się z rozmiarem cząstek wypełniającego materiału, który definiuje rozdzielczość boczną procesu, oraz z właściwościami optycznymi próbki, czyli absorpcją przy zastosowanej długości fali. Eksperymentalnie odkryliśmy, że minimalna szerokość struktury, która nadal wytrzymuje mikroobróbkę laserową, jest około pięciokrotnie większa od średniej wielkości cząstek wypełniających³. Jeśli struktury docelowe są mniejsze, laser usunie cały materiał, co skutkuje niestrukturalną powierzchnią (choć jej chropowata będzie większa). Dla materiału przedstawionego tutaj długość fali światła lasera jest głównie pochłaniana przez mikrocząstki żelaza podczas przejścia przez polimer. Zmiana długości fali lasera oraz cząstek lub materiału polimerowego może znacząco zmienić wyniki. Struktura testów jest zatem kluczowym punktem do uzyskania parametrów przetwarzania dla nowego materiału.

Opisana metoda zapewnia elastyczność w zakresie rozmiaru konstrukcji oraz możliwość wytwarzania konstrukcji pochylonych bez potrzeby stosowania specjalistycznych form. Ponadto problem aglutynacji MAE podczas usuwania formy jest nieobecny przy stosowaniu tej metody mikroobróbki. W porównaniu do powłoki natryskowej oddolnej pod polem magnetycznym, ta metoda zapewnia wyższą rozdzielczość przestrzenną i możliwość tworzenia uporządkowanych układów powierzchniowych. Metoda mikroobróbki jest stosowana w obszarach badawczych, gdzie do opracowania nowych urządzeń do opracowywania nowych urządzeń nanoszących mikrometry są aktywne struktury, np. do kontroli zwilżania powierzchni, mikrofluidyki lub transportu cząstek lub kropelek stałych wielkości milimetrów.

Mikroskopia optyczna
Mikrocząstki żelaza w MAE pochłaniają dużo światła, podczas gdy polimer bazowy, polidimetylosiloksan, jest optycznie przezroczysty. Obserwowanie chropowatości powierzchni MAE optycznie jest trudne, ponieważ wymagane jest obrazowanie polimeru. Do takich pomiarów lepszym wyborem sprzętu jest SEM. Z kolei obecność mikrocząstek żelaza w MAE oznacza, że do obserwacji materiału potrzebne jest dużo światła. Powszechnym obejściem jest robienie zdjęć z długim czasem naświetlania i pozwolenie detektorowi na zebranie wystarczającej ilości światła.

Mikroskopia optyczna to szybka metoda analizy jakościowej i ilościowej próbek. Zmiana ostrości obrazu nie jest najdokładniejszą metodą, ale jest porównywalna z dokładnością metody obróbki laserowej. Przy powiększeniu 40x rozdzielczość osiowa jest bardzo dobra (1 μm). Ze względu na chropowatość powierzchni próbki, wysokość próbki nie jest dobrze określona na tych skalach długości, dlatego mierzy się średnią wysokość z szacunkowymi niepewnościami około 5 μm. Wysokość względem liczby przejść lasera jest przedstawiona w Kravanja i ^in.3, gdzie najmniejszy pasek błędu wynosi ±4 μm. Jeśli potrzebna jest większa precyzja, na przykład badanie chropowatości powierzchni wystającej, doskonałą alternatywą jest skaningowa mikroskopia konfokalna.

Obserwowanie magnetycznie indukowanych zmian in vivo pod mikroskopem nie jest zalecane, ponieważ silne pola magnetyczne mogą magnetyzować komponenty mikroskopu i zakłócać inne pomiary wrażliwe na magnes. W związku z tym stosuje się tutaj specjalnie zbudowany zestaw do obserwacji manipulacji magnetycznej.

Skaningowa mikroskopia elektronowa
SEM to bardzo wszechstronna technika pomiarowa do obserwacji powierzchni materiału. Wybierając różne detektory, możliwe jest zebranie danych topograficznych i składowych, co ujawnia chropowatość i strukturę kompozytową MAE wywołaną ablacją powierzchniową. Ważne jest, aby zauważyć, że MAE zazwyczaj nie przewodzą elektrycznie, dlatego należy podjąć konkretne środki, aby zapobiec gromadzeniu się elektronów na powierzchni próbki. Możliwe jest pokrycie próbek natryskiem węglowym lub złotym prysknięciem, które sprawia, że powierzchnia przewodzą. Korzystne jest także stosowanie małego rozmiaru plamki i krótkiego czasu zatrzymania lub niskiej próżni, gdzie para wodna filtruje ładunki na powierzchniach próbek. Duże rozmiary plamki i długie czasy pobytu w wysokiej próżni mogą uszkodzić próbki.

Stężenie cząstek żelaza jest zbyt duże (bliskie progowi perkolacji), aby jakakolwiek obecnie dostępna metoda nieinwazyjna mogła przeniknąć głęboko w próbkę bez powstawania zbyt wielu artefaktów, rozpraszania i szumu podczas pomiaru. Jedynym wyjątkiem są eksperymenty z rozpraszaniem neutronów, choć wymagają one specjalistycznych zapleczy, które nie są łatwo dostępne. Jednak SEM nadal może być używany do obrazowania rozkładu cząstek w całej próbce za pomocą pomiarów elektronów rozproszonych wstecznie dla próbek przeciętych ostrzem²⁴. Okazało się, że rozkład cząstek jest jednolity, z wyjątkiem warstwy wyczerpania, która prawdopodobnie jest powiązana z osadzaniem podczas utwardzania. SEM jest ograniczony przez brak pomiarów indukowanych polem magnetycznym, które są szczególnie interesujące z punktu widzenia zastosowania.

Manipulacja magnetyczna
Magnetyczna manipulacja strukturami MAE może być wykonywana zarówno w pobliżu magnesu trwałego, jak i między biegunami elektromagnesu. W niniejszej pracy eksperymenty przeprowadzono z użyciem elektromagnesu, co ułatwia kontrolę wartości pola magnetycznego. Zastosowano soczewkę obiektu dalekiego zasięgu do obserwacji próbek, aby uniknąć niepożądanej magnetyzacji części mikroskopu. Obiektyw miał długość roboczą 34 mm, co pozwalało ustawić go wystarczająco daleko od biegunów magnetycznych, gdzie siła pola znikała.

Należy pamiętać, że próbki wykonane z pojedynczego kawałka MAE, częściowo ustrukturyzowanego na powierzchni, są również wydłużone w jednorodnym polu magnetycznym. Deformacje mikrostruktur zostały nałożone na rozciąganie próbki. Aby prawidłowo zmierzyć deformacje struktury, należy odejmować całkowite wkłady rozciągania.

Elektromagnes nie miał natychmiastowej odpowiedzi pola magnetycznego na zmieniające się napięcie źródła, ale stała czasowa obwodu elektrycznego ograniczała odpowiedź przejściową. ¹¹ Prąd wyjściowy zasilacza DC musi być zsynchronizowany z przechwytywaniem obrazu kamery dla eksperymentów dynamicznych. Możliwe jest zarówno zmierzenie prądu elektrycznego przez elektromagnes i obliczenie wygenerowanego pola magnetycznego, jak i bezpośrednie pomiary za pomocą teslametru. Jednak w tym drugim przypadku należy również wziąć pod uwagę szerokość pasma teslametru.

Po ustawieniu mikroskopu w pobliżu elektromagnesu, można było zmierzyć parametry geometryczne powierzchni ustrukturyzowanej MAE oraz ich zmiany dynamiczne. Możliwe było także przeprowadzenie charakterystyki istotnej dla pożądanego zastosowania, na przykład kątów styku kropelek na takich powierzchniach oraz ich dynamicznej zmiany.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
10x Plan Apochromat Obiektyw	Mitutoyo	MY10X-803	stosowany w metodzie 4
10x Cel	Nikon	nie można określić	Stosowany w Metodzie 2, cel powietrzny
40x Cel	Nikon	nie można określić	Stosowany w Metodzie 2, cel powietrzny
Rozszerzacz wiązki	SPI Lasers UK	PT-P00554
Kamera	Kanon	EOS M200	stosowane w Metodzie 2
Kamera	FLIR	BFS-U3-17S7M-C	stosowany w metodzie 4
Cząstki karbonylowego żelaza	BASF SE	SQ	średnia średnica D50 wynosi 3,9-5,0 i mikro; m
Catalyst 510	Evonik Operations GmbH, dodatki specjalistyczne	Catalyst 510
Crosslinker 210	Evonik Operations GmbH, dodatki specjalistyczne	Crosslinker 210
Zasilacz prądu stałego	GW Instek	GPD-3303S
Elektromagnes	GMW	3470
Inhibitor DVS	Evonik Operations GmbH, dodatki specjalistyczne	Inhibitor DVS
Źródło laserowe	SPI Lasers UK	SP-020P-A-HS-S-A-N
Mikroskop	Nikon	OPTIPHOT2-POL
Modyfikator 715	Evonik Operations GmbH, dodatki specjalistyczne	Modyfikator 715
Polymer MV 2000	Evonik Operations GmbH, dodatki specjalistyczne	Polymer MV 2000
Polimer kontra 100000	Evonik Operations GmbH, dodatki specjalistyczne	Polimer kontra 100000
Skaningowy mikroskop elektronowy	ThermoFisher	AXIA-CHEMISEM
Głowica skanująca	Raylase	SSIIE-10
Olej silikonowy	Wacker Chemie AG	AK 10
Mikrometr sceny 1 mm	Nikon	MBM11100	Rozmiar referencyjny szkiełek szklany
Silnik krokowy	Isert-elektroniczny	Seria P Nema 24 Bipolar 1,8° 3,5 Nm	Silnik krokowy 2-fazowy, 1,8 stopnia; Kąt kroku
Soczewka telecentryczna	Ronar-Smith	TSL-1064-18-56-V1