Przygotowanie sieci ciekłokrystalicznych do makroskopowych ruchów oscylacyjnych indukowanych światłem
20 września 2017
Celem protokołu jest stworzenie ciekłokrystalicznych warstw polimerowych, które mogą mechanicznie oscylować pod wpływem ciągłego promieniowania światłem. Szczegółowo opisujemy koncepcję folii wolnostojących, od metody wyrównywania ciekłokrystalicznego po fotoaktywację. Protokół eksperymentalny zastosowany do przygotowania tego materiału ma szerokie zastosowanie.
Ogólnym celem niniejszego protokołu eksperymentalnego jest przygotowanie sieci kryształów ciekłych wykazujących oscylacje mechaniczne pod wpływem ciągłego naświetlania. Metoda ta może pomóc w odpowiedzi na kluczowe pytania z zakresu inżynierii materiałowej, takie jak uzyskanie ciągłego ruchu mikroskopowego z potencjalnymi zastosowaniami w miękkiej robotyce i systemach zautomatyzowanych. Główną zaletą tej techniki jest fakt, że jej zastosowania i metody są powszechnie wykorzystywane w przemyśle produkcji splay przy użyciu dostępnych komercyjnie odczynników chemicznych.
W pierwszej kolejności należy dokładnie umyć szklane płytki o wymiarach 3x3 cm, używając mydła i gorącej wody, aby usunąć zanieczyszczenia. Płytki szklane należy umieścić w zlewce z etanolem. Następnie zlewkę należy włożyć do kąpieli ultradźwiękowej na około 10 minut.
Następnie ostrożnie osusz płytki szklane za pomocą chusteczki i gruszki do przedmuchiwania. Upewnij się, że na płytkach nie pozostały żadne ślady rozpuszczalnika, kurzu ani żadnego innego rodzaju zanieczyszczeń. Umieść płytki szklane w fotoreaktorze UV-ozonowym na 20 minut w celu usunięcia pozostałości organicznych.
Po obróbce ozonem przedmuchać jedną z płytek szklanych powietrzem i umieścić ją w wirówce do nanoszenia warstw. Następnie nanieść około 0,5 ml roztworu poliamidu na płytkę szklaną, aby pokryć całą jej powierzchnię. Nanieść warstwę orientującą metodą spin-coatingu zgodnie z poniższymi warunkami.
Po nanoszeniu warstwy metodą spin coatingu, oznakuj szklane płytki po niepowlekanej stronie charakterystycznymi znakami, aby odróżnić warstwy orientacji homeotropowej od planarnej. Umieść powleczoną płytkę szklaną na płycie grzejnej w temperaturze 110 °C przez 10 minut, aby usunąć większość rozpuszczalnika obecnego w mieszaninie warstwy orientacyjnej. Po powleczeniu wszystkich płytek szklanych umieść je w piekarniku w temperaturze 180 °C na jedną godzinę w celu utwardzenia warstwy poliamidowej.
Aby utworzyć mikrokanały na powlekanych szklanych płytkach, należy położyć każdą z nich stroną z powłoką do dołu na welurowej tkaninie. Przykładając dwoma palcami równomierny i lekki nacisk, należy ostrożnie przeciągnąć szklaną płytkę po powierzchni tkaniny w linii prostej.
Następnie przedmuchaj płytkę szklaną powietrzem. Kolejnie przygotuj spoiwo, mieszając klej utwardzany promieniami UV z kuleczkami szklanymi o ściśle określonej średnicy 20 micrometers. Nanieś dwie niewielkie krople kleju w dwóch sąsiednich narożnikach płytki szklanej pokrytej planarną warstwą orientującą.
Następnie nanieś dwie kolejne krople kleju w odległości około pięciu milimetrów od pozostałych dwóch narożników. Połóż płytkę szklaną pokrytą warstwą orientującą homeotropowo na pierwszej płytce szklanej, pozostawiając przerwę około czterech milimetrów między krawędziami płytek, aby zapewnić wystarczającą przestrzeń dla mieszaniny LC. Następnie utwardź klej, wystawiając dwie płytki szklane lub ogniwo na działanie światła UV przez dwie minuty.
Umieść celę na płycie grzejnej stroną homeotropową do góry. Ustaw temperaturę na 110 stopni Celsjusza, aby ułatwić napełnianie celi, ponieważ ciecz jest mniej lepka niż w fazie nematycznej. Następnie nanieś część mieszaniny LC na krawędź celi, tak aby ciało stałe uległo stopieniu, a ciekła mieszanina wpłynęła do celi drogą kapilarną.
Dodaj więcej mieszaniny na krawędzi, aż komórka zostanie wypełniona. Po wypełnieniu komórki powoli schłodź ją do 90 °C, aby uzyskać fazę nematyczną. Gdy tylko film osiągnie 90 °C, spolimeryzuj mieszaninę, umieszczając komórkę pod światłem UV w tej temperaturze przez 30 minut.
Po polimeryzacji umieść ogniwo na płycie grzejnej w temperaturze 130 °C na około 10 minut. Po ostygnięciu ogniwa do temperatury pokojowej otwórz je, przykładając ostrze żyletki do jednej z krawędzi i wsuwając je pomiędzy dwie szklane płytki. Aby odkleić film, unieś jego rogi za pomocą żyletki.
Delikatnie odklej folię od szklanej płytki. Następnie wytnij pasek wzdłuż dyrektora molekularnego folii. W dalszej kolejności przymocuj próbkę folii za pomocą pęsety samozamykającej w taki sposób, aby 1,7 centymetra folii pozostało wolne.
Próbkę należy trzymać pionowo i skierować wiązkę diody emitującej światło prostopadle do próbki w celu obserwacji samooscylacji. Obserwowany oscylacyjny ruch filmu pod wpływem napromieniowania światłem został zademonstrowany w przedstawionym protokole, a jakość wyrównania splay jest istotna dla samopodtrzymującego się aktuowania. Film powinien być przezroczysty.
Aby zweryfikować poprawność wyrównania splay, folię przytwierdzoną do szklanego podłoża obserwuje się pomiędzy skrzyżowanymi polaryzatorami nad rozproszonym białym źródłem światła. Gdy folia występuje w postaci pasków, wykazuje ona naturalną krzywiznę z centrum łuku po stronie homeotropowej, co wynika z naprężeń resztkowych powstałych w procesie polimeryzacji. Oscylacje mechaniczne i termiczne zarejestrowane przez kamerę wysokich prędkości potwierdzają skuteczność protokołu.
Po zaciśnięciu filmu, prostuje się on w kierunku światła, dążąc do stanu płaskiego. Następnie film zaczyna poruszać się w sposób ciągły, wykazując oscylacje mechaniczne i termiczne. Kluczowymi czynnikami w obserwacji tego zjawiska są efekt fototermiczny oraz samycienie filmu, kontrolowane przez natężenie i położenie źródła światła.
Zbyt niska intensywność światła nie powoduje znacznego wygięcia, ponieważ temperatura w miejscu przegięcia jest niewystarczająca, natomiast zbyt wysoka intensywność światła w tym obszarze doprowadzi do nadmiernego wychylenia. Po opanowaniu tej techniki, przy prawidłowym wykonaniu, procedura ta może zostać zrealizowana w ciągu czterech godzin. Podczas przeprowadzania tej procedury ważne jest zweryfikowanie orientacji fazy ciekłokrystalicznej przed polimeryzacją, aby zapewnić uzyskanie stabilnych oscylacji.
Zaletą tego protokołu jest możliwość zmiany częstotliwości i amplitudy oscylacji poprzez modyfikację wymiarów filmu oraz natężenia światła. Po opracowaniu ta metoda utorowała drogę badaczom w dziedzinie nauki o materiałach do badania innych ruchów równowagowych w materii miękkiej. Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać dokładną wiedzę na temat tego, jak przygotować uporządkowaną sieć kryształów ciekłych w celu otrzymania filmu fotoreaktywnego.
Pamiętaj, że praca ze światłem może być niezwykle niebezpieczna i podczas przeprowadzania tych eksperymentów należy zawsze nosić okulary z ochroną UV.
Przegląd
Niniejszy protokół opisuje przygotowanie filmów z polimerów ciekłokrystalicznych zdolnych do oscylacji mechanicznych pod wpływem ciągłego światła. Szczegółowo przedstawia proces od orientacji ciekłych kryształów po fotoaktywację, dostarczając szeroko stosowanej metody eksperymentalnej.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Inżynieria materiałowa
- Miękka robotyka
- Materiały fotoreaktywne
Wprowadzenie
- Sieci kryształów ciekłych mogą wykazywać ciągły ruch mikroskopowy.
- Technika ta znajduje zastosowanie w miękkiej robotyce oraz systemach zautomatyzowanych.
- W procesie produkcji wykorzystuje się odczynniki chemiczne dostępne w handlu.
- Zrozumienie orientacji jest kluczowe dla uzyskania stabilnych oscylacji.
Cel badania
- Stworzenie folii, które oscylują mechanicznie pod wpływem światła.
- Zbadanie potencjału materiałów ciekłokrystalicznych w różnych zastosowaniach.
- Opracowanie szczegółowego protokołu dla badaczy z dziedziny nauki o materiałach.
Zastosowane metody
- Czyszczenie płytek szklanych i przygotowanie warstw orientacyjnych.
- Tworzenie mikrokanałów i wypełnianie ich mieszaninami kryształów ciekłych.
- Polimeryzacja mieszaniny pod wpływem światła UV.
- Obserwacja ruchu oscylacyjnego pod wpływem naświetlania.
Główne wyniki
- Pomyślne przygotowanie przezroczystych filmów ciekłokrystalicznych.
- Wykazanie ciągłych oscylacji mechanicznych pod wpływem światła.
- Weryfikacja jakości uporządkowania przy użyciu skrzyżowanych polaryzatorów.
- Zidentyfikowanie kluczowych czynników wpływających na charakter oscylacji.
Wnioski
- Metoda ta umożliwia manipulowanie częstotliwością i amplitudą oscylacji.
- Otwiera ona możliwości dla dalszych badań nad dynamiką materii miękkiej.
- Podczas pracy z promieniowaniem UV niezbędne jest przestrzeganie środków ostrożności.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Niniejszy protokół umożliwia stworzenie napędzanych światłem oscylatorów mechanicznych z sieci kryształów ciekłych, oferując strategię ciągłego sterowania bez zewnętrznego cyklowania zasilania. Taki samopodtrzymujący się ruch wspiera minimalizację ryzyka we wczesnych etapach rozwoju siłowników miękkiej robotyki, dostarczając strojonej, responsywnej platformy materiałowej. Podejście to jest zgodne z działaniami na etapie odkrywczym, mającymi na celu ustanowienie przewidywalności systemów fotoreaktywnych dla zautomatyzowanych mechanizmów w mikro-skali.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie sprzężenia fototermiczno-mechanicznego w materiałach responsywnych na bodźce w celu weryfikacji hipotez w układach materii miękkiej.
- Wartość operacyjna: Zapewnia ustandaryzowaną metodę generowania zachowań oscylacyjnych pod wpływem kontrolowanego naświetlania w celu uzyskania powtarzalnych wyników referencyjnych.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Generuje mierzalne wyniki mechaniczne (częstotliwość, amplituda), które można regulować poprzez wymiary błony oraz natężenie światła, co umożliwia odczyty zbliżone do testów analitycznych.
- Wartość operacyjna: Wspiera szybkie obrazowanie i procesy analizy obrazu w celu obiektywnej, opartej na danych oceny odpowiedzi materiałowej.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Oferuje analog systemu istotny dla chorób, służący do badania zasad konwersji energii w miękkich aktuatorach stosowalnych w biomedycznych mikro urządzeniach.
- Wartość operacyjna: Umożliwia przejście od odkrycia materiału do demonstracji funkcjonalnej poprzez mierzalny ruch oscylacyjny pod wpływem bodźców istotnych fizjologicznie.
Integracja potoków i przepływów pracy
Metoda ta pozycjonuje przygotowanie sieci kryształów ciekłych jako kluczową możliwość w kontinuum odkryć, łącząc syntezę materiałów z walidacją funkcjonalną miękkich systemów aktuacyjnych.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez dotyczących zachowania fotoreaktywnego oraz mitygację ryzyka mechanistycznego w odniesieniu do ruchu indukowanego światłem w sieciach polimerowych.
- Przesiewanie: Dostarcza gotowe do analizy filmy o ustandaryzowanym wyrównaniu i grubości, co pozwala na spójną ocenę odpowiedzi oscylacyjnej.
- Analityka: Umożliwia ilościowy pomiar parametrów oscylacji za pomocą obrazowania wysokiej rozdzielczości i analizy obrazu w celu porównawczej oceny warunków.
- Badania translacyjne: Łączy właściwości materiałowe z funkcjonalnym rezultatem w kontekście miękkiej robotyki, wspierając decyzje o rozwoju projektów w oparciu o analizę ryzyka.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Tworzy platformę wielokrotnego użytku do generowania siłowników fotomechanicznych w wielu iteracjach projektowych i formulacjach materiałowych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Przewidywalność pewności w zakresie aktywacji fotoreaktywnej, redukcja niejednoznaczności mechanistycznej w dynamice materii miękkiej.
- Wartość operacyjna: Standaryzacja, powtarzalność i skalowalność przygotowania filmu oraz monitorowania oscylacji.
- Wartość strategiczna: Lepsze decyzje typu go/no-go dotyczące kandydatów materiałowych, efektywność kapitałowa w rozwoju aktuatorów, zmniejszone ryzyko wydajności na późnych etapach.
- Wpływ na portfolio: Optymalizacja priorytetów systemów materiałowych sterowanych światłem w oparciu o skorygowane ryzykiem charakterystyki oscylacji z możliwością strojenia.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wiedza specjalistyczna w zakresie orientacji ciekłych kryształów, fotopolimeryzacji i mikroskopii optycznej.
- Instrumentacja do ekspozycji na promieniowanie UV, kontroli temperatury, obrazowania wysokiej rozdzielczości czasowej i analizy obrazu.
- Standaryzacja przygotowania warstwy orientującej i grubości filmu w różnych partiach materiału.
- Uwzględnienie adaptacji do zmiennej geometrii filmu i konfiguracji źródeł światła.
- Ograniczenia praktyczne obejmują wrażliwość na natężenie światła oraz jakość orientacji niezbędną dla stabilnych oscylacji.
