Microusinagem a laser para projeto de topografia de superfície polimérica

Resumo

Um método para impor topografia superficial de materiais poliméricos compósitos absorventes de luz, particularmente elastômeros magnetoativos (MAEs), usando microusinagem a laser é apresentado. Este método permite grande flexibilidade em projetos topográficos e prototipagem rápida. Um exemplo de estruturação de superfícies MAE, caracterização e sua resposta ao campo magnético externo é demonstrado.

Resumo

Elastômeros magnetoativos macios (MAEs) são materiais inteligentes que respondem a campos magnéticos externos alterando dinamicamente suas propriedades mecânicas. Eles são compostos de micropartículas magneticamente responsivas embutidas em uma matriz polimérica macia, exibindo um módulo de cisalhamento efetivo de até 100 kPa. Nas últimas décadas, as propriedades em massa dos MAEs foram exploradas com sucesso para aplicações como amortecimento dinâmico de vibrações, detecção de vibrações e atuação em robótica suave. Pesquisas recentes mudaram para suas propriedades de superfície, revelando resultados promissores em características de superfície ajustáveis, como rugosidade, adesão e umedecimento. Até mesmo o transporte de pequenos objetos sólidos e fluidos foi demonstrado. Os efeitos de superfície associados podem ser significativamente aprimorados por meio da engenharia precisa da topografia de superfície. Neste artigo, é apresentada uma técnica eficiente de microusinagem a laser, com resolução de 15 μm, que permite a prototipagem rápida de superfícies MAE. Ele permite a criação de várias formas complexas e oferece funcionalidade além do que pode ser alcançado com as técnicas tradicionais de moldagem. Além disso, a abordagem é versátil e pode ser aplicada a qualquer polímero que absorva suficientemente a luz do laser. Como exemplo, mostra-se um processo de fabricação de micropadrão de superfície lamelar e sua caracterização por microscopia óptica e eletrônica de varredura. Sua resposta a um campo magnético é demonstrada. A técnica fornece uma solução flexível e rápida para otimizar o design da superfície do polímero em uma ampla gama de aplicações.

Introdução

A estruturação de superfícies poliméricas é um método essencial em muitos campos tecnológicos. O desenvolvimento e a produção de dispositivos semicondutores utilizam fotolitografia, uma técnica bem estabelecida¹, para polimerização seletiva de polímeros sensíveis à luz para criar máscaras que permitem a corrosão seletiva ou a deposição de outros materiais, como metal ou óxidos. Dentro do conceito lab-on-a-chip², fotopadronização, impressão 3D ou usinagem física podem criar moldes que imprimem uma topografia pré-projetada para dispositivos mili e microfluídicos baseados em polímeros. Aqui, é descrito um método sem máscara para estruturar polímeros que pode produzir a mesma gama de formas alcançadas por moldes com a adição de geometria de saliência inclinada e um tempo de resposta rápido³. Superfícies com características pequenas levam a excelentes propriedades do material, como capacidade de autolimpeza, menor arrasto⁴ ou cores estruturais iridescentes⁵. Portanto, o desenvolvimento de técnicas com capacidades de estruturação novas ou aprimoradas é fundamental.

Os elastômeros magnetoativos (MAEs) são conhecidos há muito tempo como um material que pode alterar suas propriedades mecânicas em resposta a campos magnéticos externos ^6,7,8, e já foram implementados na tecnologia automotiva e de alto-falantes. A usinagem direta a laser permitiu um aumento na exploração experimental de superfícies MAE topograficamente modificadas. Os campos magnéticos podem influenciar as saliências magneticamente responsivas para mudar sua forma, orientação e propriedades elásticas. Foi demonstrado que isso pode afetar profundamente o impacto e o rebote do objeto ^9,10, a reflexão da luz^11,12, o umedecimento¹³ e pode ser utilizado para transportar objetos sólidos e líquidos 14,15,16,17,18,19,20 ou gerar fluxo ^21,22. A microusinagem a laser apresentada aqui é adequada para MAE porque as partículas magnéticas absorvem a luz laser irradiada, aquecem e levam à remoção do material. O método se aplica a compostos de partículas que absorvem suficientemente a luz do laser e qualquer polímero, bem como polímeros absorventes de luz sem partículas.

As amostras mostradas neste artigo são retiradas de folhas MAE maiores. O MAE é feito de uma matriz de polidimetilsiloxano (PDMS) preenchida com partículas de ferro carbonílico. O PDMS é feito a partir de uma mistura personalizada (consulte a Tabela 1 para os ingredientes e sua relação de peso). Os polímeros, partículas de ferro, óleo de silicone e modificador são combinados e misturados completamente, após o que o reticulador, o inibidor e o catalisador são adicionados e remisturados. A mistura líquida de MAE é espalhada sobre um substrato, neste caso, folha de polietileno tereftalato (PET) de 0,2 mm de espessura, usando um aplicador de filme equipado com uma lâmina ajustável ajustada para a distância de 0,5 mm. O aplicador move a lâmina sobre o líquido a uma taxa constante de 1 mm s⁻¹ para formar um filme MAE da espessura desejada. O substrato com o filme MAE foi então transferido para uma assadeira plana e colocado em um forno por 1 h a 80 ° C, seguido de 24 h a 60 ° C para curar completamente. O módulo de armazenamento de cisalhamento G₀' foi medido a uma frequência circular de 10 s⁻¹ e uma amplitude de cisalhamento de 0,01% em uma amostra separada de 1 mm de espessura. O material utilizado nos experimentos apresentou um módulo de armazenamento de cisalhamento de G₀' ≈ 15 kPa (módulo de Young ≈ 45 kPa). A microusinagem a laser (veja o esboço na Figura 1) é empregada para criar padrões de superfície, que são caracterizados usando um microscópio óptico (Figura 2 e Figura 3) e um microscópio eletrônico de varredura (Figura 3). Dois tipos de padronização são mostrados: pilares na Figura 1 e lamelas na Figura 3 e Figura 4. A superfície lamelar é desviada para o lado em resposta às mudanças do campo magnético (Figura 4) geradas por um eletroímã (Figura 2).

Protocolo

Uma amostra de um compósito polimérico opticamente absorvente com superfície plana, que pode ser borrachas magnéticas feitas sob medida ou disponíveis comercialmente, foi utilizada para este estudo. Portanto, esta não é uma etapa crítica para a modificação da superfície do polímero usando o método de microusinagem a laser (etapa 1, Figura 1). Os reagentes e os equipamentos utilizados estão listados na Tabela de Materiais.

1. Microusinagem a laser

NOTA: Use uma técnica de microusinagem para guiar o feixe de laser focalizado na superfície da amostra com um cabeçote de varredura 2D acionado por galvo. Empregue um sistema de laser de fibra de nanossegundos com comprimento de onda de 1064 nm, potência média de até 20 W, duração de pulso entre 10 ns e 250 ns, frequência de 1 kHz a 1 MHz e energia por pulso de até 0,6 mJ. Certifique-se de que o diâmetro do feixe no ponto focal seja de 14.1 μm usando uma lente f-theta telecêntrica com uma distância focal de 56 mm.

1. Ligue o sistema de microusinagem a laser e ventilação para remoção de fumaça.
2. Posicione a amostra MAE curada (ou outro polímero absorvente de luz) na área de trabalho do cabeçote de varredura no plano focal e na inclinação pré-selecionada (θ na Figura 1).
3. Defina os parâmetros de processamento e estrutura desejados (em um example mostrado nas etapas 2-4, uma estrutura lamelar com uma largura de base de 70 μm e largura de espaçamento de 160 μm, sem inclinação) no software de controle do laser seguindo as etapas abaixo:
   1. Projete a trajetória de digitalização traçando a área onde o material deve ser removido (criando um "negativo" das estruturas necessárias).
   2. Defina os parâmetros de varredura (repetições - variando dependendo da profundidade desejada³, velocidade de varredura 500 mm ^s-1 e distância de hachura 15 μm).
      NOTA: Calibre esses parâmetros para cada material com uma estrutura de teste.
   3. Defina os parâmetros de controle do laser (potência 20 W, frequência 30 kHz, duração do pulso 12 ns).
      NOTA: Calibre esses parâmetros para cada material com uma estrutura de teste.
4. Certifique-se de que os protocolos de segurança sejam atendidos (uso de óculos de proteção e ventilação de remoção de fumaça) e execute o programa.
5. (opcional) Para estruturas inclinadas, compense a inclinação da superfície da amostra levantando/abaixando a amostra para manter a área de trabalho atual sempre no plano focal, utilizando uma platina linear motorizada personalizada acionada por parafuso com um motor de passo e uma resolução de ±10 μm, controlada usando o software de varredura a laser.
   NOTA: A compensação de altura depende do ângulo de inclinação da amostra.

Figura 1: Um esboço da configuração de usinagem a laser com os elementos principais. Zoom circular: a amostra pode ser inclinada para criar microestruturas de superfície inclinadas. Possíveis opções de polímero e substrato são descritas. Parte inferior esquerda: Uma imagem óptica de pilares retangulares é mostrada. Barra de escala: 500 μm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

2. Microscopia óptica

NOTA: Faça uma caracterização preliminar de amostras MAE estruturadas usando um microscópio óptico.

1. Limpe a amostra usando gás nitrogênio pressurizado e sopre suavemente as possíveis partículas de poeira ou detritos da amostra.
   NOTA: Tenha cuidado para não usar rajadas de gás muito fortes, pois isso pode destruir a amostra.
2. Coloque a amostra na mesa do microscópio e ligue a fonte de luz usada na microscopia reflexiva. Se a amostra for depositada em um substrato transparente, use uma fonte de luz transmissiva.
3. Escolha a objetiva de baixa ampliação de 10x e meça as dimensões laterais relevantes da amostra, por exemplo, o passo entre as lamelas (Figura 3A).
   1. Monte uma câmera na parte superior da objetiva e puxe a alavanca para redirecionar a luz da amostra para o sensor da câmera em vez da ocular.
   2. Configure a escala da câmera capturando imagens de lâminas de vidro da escala de referência. Meça as distâncias conhecidas em pixels para determinar o tamanho do pixel de cada objetiva. Use software de código aberto como o ImageJ para realizar essa calibração de escala.
   3. Meça as dimensões laterais escolhidas da amostra em pixels e, em seguida, calcule as distâncias físicas multiplicando o número de pixels pelo tamanho do pixel em micrômetros.
4. Mude para uma objetiva de 40x de maior ampliação para adquirir informações sobre a altura da estrutura.
   1. Abra a abertura do campo para diminuir a profundidade do campo.
   2. Ajuste a altura do estágio do micrômetro e focalize o microscópio no topo das estruturas. Anote o número no parafuso do micrômetro.
   3. Levante lentamente o stage girando o parafuso do micrômetro até que o foco esteja no sample substrato. Anote o número no parafuso do micrômetro.
   4. Estime a altura da estrutura subtraindo os valores no parafuso do micrômetro antes e depois de ajustar o foco (Figura 3A).

3. Microscopia eletrônica de varredura

NOTA: Adquira informações adicionais sobre a superfície do MAE, como concentrações de partículas de enchimento ou rugosidade da superfície, com um microscópio eletrônico de varredura (SEM).

1. Conecte-se ao software SEM e ventile a câmara de pressão.
   NOTA: Posicione o potencial samples no SEM longe da coluna do detector à medida que ela é ventilada, para evitar a contaminação do detector.
2. Enquanto a câmara está ventilando, prepare as amostras para SEM seguindo as etapas abaixo:
   1. Use luvas. Corte as amostras com um bisturi no tamanho do pino do suporte de amostra SEM.
   2. Coloque um pequeno pedaço de fita de carbono dupla face no pino, cobrindo-o inteiro. Apare a fita estendendo-a sobre as bordas dos pinos.
   3. Cole as amostras aparadas nos pinos usando uma pinça de plástico para evitar danificar as amostras.
   4. Limpe as amostras usando gás nitrogênio pressurizado e sopre suavemente as possíveis partículas de poeira ou detritos da amostra.
      NOTA: Não use rajadas de gás muito intensas, pois isso pode destruir o elastomérico macio samples.
   5. (opcional) Cubra as amostras com uma fina camada condutora de carbono ou ouro, pois garante menos acúmulo de carga e desvio durante medições mais longas.
3. Abra a câmara de vácuo e puxe o stage. Insira os pinos com as amostras no palco enquanto observa suas posições. Retorne o stage à sua posição primária e feche a câmara de vácuo.
4. Realize as medições de elétrons retroespalhados.
   NOTA: Use o forte retroespalhamento de elétrons de átomos maiores para gerar contraste na composição do material, conforme mostrado na Figura 3B, elétrons retroespalhados. Meça formas e tamanhos de partículas, concentração e alterações de partículas induzidas por ablação a laser coletando dados retroespalhados.
   1. Bombeie o ar da câmara de vácuo para obter um alto vácuo. Tire uma foto de navegação óptica das amostras e use-a como guia para mover a platina para colocar a amostra de interesse na distância correta da borda do detector.
      NOTA: Ao dirigir o stage, monitore constantemente seu movimento usando a câmera infravermelha ao vivo para evitar colisões.
   2. Ligue o feixe de elétrons e exiba a imagem do detector de retroespalhamento concêntrico (CBS). Ajuste a força e a forma do feixe escolhendo uma tensão de aceleração de 30 kV, tamanho de ponto de 4,0 e tempo de permanência de 5 μs.
   3. Encontre o foco na amostra usando ajustes manuais ou automáticos. Defina o brilho e o contraste corretos ao visualizar o histograma da imagem adquirida e maximize a largura do histograma.
   4. Escolha a região adequada da amostra e a ampliação desejada e, potencialmente, reajuste o foco.
5. Realize as medições de elétrons secundários.
   NOTA: Observe que os elétrons secundários são gerados ao longo do caminho do elétron através da amostra, no entanto, apenas os elétrons secundários das camadas superficiais superiores escapam da amostra e são detectados. Ao coletar dados de elétrons secundários com tensões de aceleração muito baixas, a topografia da superfície, onde o contraste decorre das inclinações da superfície, é observada na Figura 3B dos elétrons secundários.
   1. Desligue o feixe de elétrons. Afaste o porta-amostras do detector para uma posição segura. Defina um vácuo baixo na câmara de 0,70 mbar. Defina o viés do detector para 68%.
   2. Mova as amostras para uma distância de trabalho de cerca de 3,5 mm. Defina uma pequena tensão de aceleração de 2,0 kV e um tamanho de ponto mais proeminente 7. Aumente o tempo de permanência para 100 μs.
   3. Ligue o feixe e exiba a imagem detectada do detector de elétrons secundário de baixo vácuo (LVD). Encontre o foco e o brilho e contraste corretos.
   4. Escolha a região adequada da amostra e a ampliação desejada e, potencialmente, reajuste o foco.
6. Após as medições, coloque o suporte na posição segura e ventile a câmara de vácuo.
7. Usando luvas, abra as portas da câmara, remova os pinos com as amostras e, usando uma pinça, retire a fita de carbono do pino.
8. Guarde as amostras para possíveis remedições. Feche as portas da câmara e deixe o MEV em alto vácuo.

4. Manipulação magnética

NOTA: Empregue a configuração mostrada na Figura 2, usando um eletroímã com uma face de pólo de 20 mm para deformar as superfícies lamelares. Acione o eletroímã com uma fonte de alimentação CC e observe as deformações resultantes usando uma câmera emparelhada com uma objetiva de 10x.

1. Coloque um suporte não magnético entre os pólos magnéticos. Acima, construa um microscópio acoplando a objetiva a uma lente de tubo de 200 mm que focaliza a luz no detector da câmera. Projete o sistema detector-objetivo para permitir translações nas direções XYZ (Figura 2).
2. Limpe a amostra usando gás nitrogênio pressurizado e sopre suavemente as possíveis partículas de poeira ou detritos da amostra. Não use rajadas de gás muito intensas, pois isso pode destruir a amostra elastomérica macia.
3. Prenda um pedaço de fita adesiva dupla face ao porta-amostras e coloque a amostra em cima dele no centro entre os postes.
   NOTA: Para facilitar o manuseio da amostra, use uma cola solúvel em água com álcool polivinílico (PVA) para colar as amostras nas lâminas de vidro do microscópio (o vidro também adere melhor à fita adesiva do que o elastômero).
4. Conecte os cabos de alimentação do eletroímã à fonte de alimentação e conecte à câmera usando um cabo de conexão apropriado.
5. Durante a captura de imagens, aplique uma corrente contínua de 3,2 A ao eletroímã, que produz um campo magnético homogêneo de cerca de 340 mT no centro do espaço do pólo de 20 mm. O campo magnético deforma as estruturas do MAE.
6. Estude as deformações testando diferentes estruturas, orientações de linha magnética da amostra, intensidades do campo magnético e comutação de campo dinâmico (Figura 4).

Figura 2: Uma fotografia da configuração de manipulação magnética com os principais componentes indicados. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Resultados

Uma vez estruturada a superfície do MAE, ela é inspecionada com microscopia óptica. Isso geralmente é suficiente para confirmar que o padrão da superfície está livre de defeitos e para verificar se as dimensões laterais e verticais são as esperadas (Figura 3A). O MEV é escolhido se houver interesse em mais detalhes, como a distribuição de partículas dentro da matriz polimérica ou o efeito da usinagem a laser na rugosidade da superfície do polímero (Figura 3B).

Figura 3: Imagens ópticas de uma superfície MAE estruturada. (A) Usando uma objetiva de alta ampliação, uma caracterização preliminar da estrutura pode ser realizada nas direções lateral e longitudinal, variando o foco. A barra de escala da imagem principal é de 500 μm e as barras de escala nas imagens ampliadas são de 100 μm. Caracterizações de superfície adicionais são feitas com SEM (B), onde diferentes tipos de elétrons podem ser detectados e diferentes propriedades de superfície medidas. Os elétrons retroespalhados revelam contraste composicional, enquanto os elétrons secundários oferecem informações sobre a variação topográfica da superfície. Todas as barras de escala são de 50 μm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

A orientação da protrusão pode ser manipulada com campos magnéticos variáveis no tempo, que podem ser criados de várias maneiras. As bobinas podem produzir campos comutáveis eletronicamente ou ímãs permanentes que são movidos mecanicamente. Normalmente, os campos magnéticos não são uniformes, mas se forem necessários campos magnéticos uniformes, o interior dos solenóides ou bobinas na configuração de Helmholtz pode ser utilizado²³.

Figura 4: Um exemplo do controle de deformação da estrutura por um campo magnético. Usando um eletroímã, um campo magnético homogêneo no plano da amostra pode ser gerado, induzindo deformações elásticas das estruturas da superfície. Essas deformações, por sua vez, induzem mudanças nas propriedades macroscópicas da superfície dos materiais MAE. As barras de escala mostradas se aplicam a todas as imagens e têm 200 μm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Ingrediente	Porcentagem de peso
Polímero VS 100000	7.07
Modificador 715	0.03
Polímero MV 2000	1.26
Óleo de silicone	16.62
Partículas de ferro carbonílico	74.79
Reticulador 210	0.12
Inibidor DVS	0.03
Catalisador 510	0.08
SOMA	100

Tabela 1: A proporção de produtos químicos na formulação do material MAE dada por porcentagem em peso.

Discussão

A usinagem física dos moldes é ideal para produção em larga escala quando a geometria das características da superfície já está pré-definida. Em contraste, a prototipagem rápida é desejável no estágio de desenvolvimento e otimização de um novo dispositivo. Tanto a impressão 3D de moldes quanto a fotolitografia direta a laser têm um tempo de resposta rápido, mas têm limitações. Uma desvantagem das estruturas impressas em 3D é que a rugosidade dos moldes leva a dificuldades de separação do polímero fundido sem ruptura e danos. A fotolitografia direta a laser é limitada a padrões ortogonais à superfície. Também é adequado apenas para polímeros que não dispersam a luz recebida e são suficientemente transparentes para permitir a fotopolimerização em toda a espessura da camada de polímero. É possível usar um polímero fotossensível para criar um molde para outro tipo de polímero, mas isso aumenta o tempo de fabricação e prolonga o desenvolvimento do protótipo. Em contraste, a usinagem a laser é um método sem molde que permite a estruturação direta de polímeros opticamente absorventes. Isso o torna perfeitamente adequado para criar características topográficas em polímeros como elastômeros magnetoativos (MAEs), que ganham absorção de uma grande concentração de micropartículas magneticamente responsivas. Muito distintamente, também permite a produção de características não ortogonais, como paredes inclinadas ou inclinadas³.

Microusinagem a laser
A técnica de microusinagem a laser descrita na etapa 1 é muito robusta, mas atenção especial deve ser dada à configuração da amostra MAE. A distância da lente deve ser cuidadosamente definida encontrando com precisão o plano focal na superfície da amostra, ao mesmo tempo em que é paralela ao plano da lente de foco devido à curta distância de Rayleigh fornecida pela configuração do sistema a laser. Uma abordagem diferente é adotada ao fabricar estruturas inclinadas, compensando a inclinação da superfície da amostra levantando/abaixando a amostra para manter a área de trabalho atual sempre no plano focal. Se o acúmulo de calor na amostra for muito grande (avaliado offline, após a microusinagem, verificando visualmente as estruturas) e erodir as estruturas, deve-se empregar um gerenciamento de calor adequado.

As limitações da abordagem estão ligadas ao tamanho da partícula de enchimento do material, que define a resolução lateral do processo, e às propriedades ópticas da amostra, ou seja, absorbância no comprimento de onda empregado. Experimentalmente, descobrimos que a largura mínima da estrutura que ainda suporta a microusinagem a laser é cerca de cinco vezes o tamanho médio das partículas de enchimento³. Se as estruturas alvo forem menores que isso, o laser removerá todo o material, resultando em uma superfície não estruturada (embora sua rugosidade seja maior). Para o material aqui apresentado, o comprimento de onda específico da luz laser é predominantemente absorvido por micropartículas de ferro enquanto passa pelo polímero. Alterar o comprimento de onda do laser e a partícula ou material polimérico pode alterar significativamente os resultados. A estruturação de testes é, portanto, um ponto crítico para a obtenção dos parâmetros de processamento de novos materiais.

O método descrito proporciona flexibilidade quanto ao tamanho da estrutura e a possibilidade de fabricação de estruturas inclinadas sem a necessidade de moldes especializados. Além disso, o problema da aglutinação MAE na remoção do molde está ausente ao empregar este método de microusinagem. Comparado ao revestimento por pulverização de baixo para cima sob um campo magnético, este método fornece maior resolução espacial e a possibilidade de fabricar matrizes de estrutura de superfície ordenadas. O método de microusinagem é usado em áreas de pesquisa onde estruturas ativas de tamanho micrométrico são necessárias para desenvolver novos dispositivos para, ou seja, controle de umedecimento de superfície, microfluídica ou transporte de partículas sólidas ou gotículas de tamanho mm.

Microscopia óptica
As micropartículas de ferro no MAE absorvem muita luz, enquanto o polímero base, polidimetilsiloxano, é opticamente transparente. Observar a rugosidade da superfície do MAE opticamente é um desafio porque é necessária a aquisição de imagens do polímero. Para esses tipos de medições, um SEM é a melhor escolha de equipamento. Por outro lado, a presença de micropartículas de ferro no MAE significa que muita luz é necessária para observar o material. Uma solução comum é capturar imagens com um longo tempo de exposição e permitir que o detector colete luz suficiente.

A microscopia óptica é um método rápido para análise qualitativa e quantitativa de amostras. Alterar o foco da imagem não é o método mais preciso, mas é comparável à precisão do método de usinagem a laser. Com ampliação de 40x, a resolução axial é muito boa (1 μm). Devido à rugosidade da superfície da amostra, a altura da amostra não é bem definida nessas escalas de comprimento, portanto, uma altura média é medida com incertezas estimadas em torno de 5 μm. A altura versus o número de passagens de laser é encontrada em Kravanja et ^al.3, onde a menor barra de erro é de ±4 μm. Se for necessária maior precisão, por exemplo, examinando a rugosidade da superfície de protrusão, uma excelente alternativa é a microscopia confocal de varredura.

Observar mudanças induzidas magneticamente in vivo sob o microscópio não é aconselhável, pois os fortes campos magnéticos podem magnetizar os componentes do microscópio e interferir em outras medições sensíveis ao magnetismo. Consequentemente, uma configuração personalizada é usada aqui para observação de manipulação magnética.

Microscopia eletrônica de varredura
O MEV é uma técnica de medição muito versátil para observar superfícies de materiais. Ao escolher diferentes detectores, é possível reunir dados topográficos e composicionais, revelando a rugosidade induzida pela ablação da superfície e a estrutura composta dos MAEs. É importante observar que os MAEs geralmente não são eletricamente condutores, portanto, medidas específicas devem ser tomadas para evitar o acúmulo de elétrons na superfície da amostra. É possível revestir as amostras com um spray de carbono ou pulverização catódica de ouro que torna a superfície condutora. Também é benéfico empregar um tamanho de ponto pequeno e tempos de permanência curtos ou um baixo vácuo onde o vapor de água filtra as cargas nas superfícies da amostra. O tamanho do ponto grande e os longos tempos de permanência em alto vácuo podem danificar as amostras.

Este material tem uma concentração de partículas de ferro muito grande (perto do limite de percolação) para que qualquer método não invasivo atualmente disponível penetre profundamente na amostra sem produzir muitos artefatos, dispersão e ruído na medição. A única exceção são os experimentos de espalhamento de nêutrons, embora exijam instalações especializadas que não são facilmente acessíveis. No entanto, o SEM ainda pode ser empregado para obter imagens da distribuição de partículas em toda a amostra usando medições de elétrons retroespalhados para amostras cortadas por uma lâmina²⁴. Foi revelado que a distribuição de partículas é uniforme, exceto pela camada de depleção, que se acredita estar ligada à sedimentação durante a cura. O MEV é limitado pela ausência de medições induzidas por campo magnético, que são mais interessantes do ponto de vista da aplicação.

Manipulação magnética
A manipulação magnética de estruturas MAE pode ser alcançada nas proximidades de um ímã permanente ou entre as sapatas de pólo de um eletroímã. No presente trabalho, os experimentos foram realizados com um eletroímã devido ao controle mais fácil dos valores do campo magnético. Uma lente de objeto de longa distância para observação de amostras foi empregada para evitar a magnetização indesejada das peças do microscópio. A lente tinha uma distância de trabalho de 34 mm, o que permitia posicioná-la suficientemente longe das sapatas do pólo magnético, onde a intensidade do campo desaparecia.

É essencial reconhecer que as amostras feitas de uma única peça MAE, parcialmente estruturada na superfície, também são alongadas em um campo magnético homogêneo. Assim, as deformações das microestruturas foram sobrepostas ao alongamento da amostra. Para medir corretamente as deformações da estrutura, as contribuições gerais de alongamento devem ser subtraídas.

Um eletroímã não tinha uma resposta instantânea do campo magnético à mudança da tensão da fonte, mas a constante de tempo do circuito elétrico limitava a resposta transitória. ¹¹ A saída de corrente da fonte de alimentação CC deve ser sincronizada com a captura de imagem da câmera para experimentos dinâmicos. É possível medir a corrente elétrica através do eletroímã e calcular o campo magnético gerado ou medi-lo diretamente usando um teslametro. No entanto, neste último caso, a largura de banda do teslômetro também deve ser considerada.

Tendo instalado um microscópio próximo a um eletroímã, os parâmetros geométricos da superfície estruturada do MAE puderam ser medidos, bem como suas mudanças dinâmicas. Também foi possível realizar caracterizações relevantes para a aplicação desejada, por exemplo, os ângulos de contato das gotículas em tais superfícies e como elas mudam dinamicamente.

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Objetivo 10x Plano Apocromático	Mitutoyo	MY10X-803	usado no Método 4
Objetivo 10x	Nikon	Não pode ser determinado	usado no Método 2, objetivo aéreo
Objetivo 40x	Nikon	Não pode ser determinado	usado no Método 2, objetivo aéreo
Expansor de feixe	SPI Lasers Reino Unido	PT-P00554
Câmera	Cônego	EOS M200	usado no Método 2
Câmera	FLIR	BFS-U3-17S7M-C	usado no Método 4
Partículas de ferro carbonila	BASF SE	CIP SQ	diâmetro médio D50 de 3,9-5,0 & micro; m
Catalisador 510	Evonik Operations GmbH, Aditivos Especiais	Catalisador 510
Reticulador 210	Evonik Operations GmbH, Aditivos Especiais	Reticulador 210
Fonte de alimentação DC	GW Instek	GPD-3303S
Eletroímã	GMW	3470
SVD inibidor	Evonik Operations GmbH, Aditivos Especiais	SVD inibidor
Fonte laser	SPI Lasers Reino Unido	SP-020P-A-HS-S-A-N
Microscópio	Nikon	OPTIPHOT2-POL
Modificador 715	Evonik Operations GmbH, Aditivos Especiais	Modificador 715
Polímero MV 2000	Evonik Operations GmbH, Aditivos Especiais	Polímero MV 2000
Polímero VS 100000	Evonik Operations GmbH, Aditivos Especiais	Polímero VS 100000
Microscópio eletrônico de varredura	ThermoFisher	AXIA-CHEMISEM
Cabeça de varredura	Raylase	SSIIE-10
Óleo de silicone	Wacker Chemie AG	AK 10
Mitrômetro de estágio 1mm	Nikon	MBM11100	Slide de referência de tamanho
Motor de passo	Isert-eletrônico	Série P Nema 24 Bipolar 1,8º 3,5Nm	Motor de passo bifásico, 1,8&º; Ângulo do passo
Lente telecêntrica	Ronar-Smith	TSL-1064-18-56-V1