Atuadores de luz de forma livre - Fabricação e Controle de atuação em escala microscópica

O objetivo geral deste procedimento de escrita a laser em duas etapas é obter estruturas de acionamento de luz de tamanho micrométrico baseadas em elastômero. O método pode ajudar a responder a questões-chave nos campos da microbiótica e microfluídica. Por exemplo, como criar uma única microestrutura com movimento complexo.

A principal vantagem desta técnica é que a orientação molecular pode ser padronizada manualmente em microescala. Assim, a forma específica de atuação pode ser controlada pela abertura. Alguns desses métodos podem fornecer microbióticos internos, mas também podem ser aplicados a diferentes sistemas, como ajuste em dispositivos fotônicos ou materiais responsivos a diferentes estímulos.

Demonstrando parte do procedimento estará Daniele Martella, uma pós-doutoranda do meu laboratório. Para começar, limpe uma tampa de vidro de 3 cm de diâmetro, deslize com acetona e lenço de lente. Em seguida, usando uma pinça ou pinça, coloque algumas microesferas de vidro na lâmina a cerca de meio centímetro do ponto central.

Estes funcionam como espaçadores. Coloque uma lâmina de microscópio de 1 cm de diâmetro nos espaçadores e pressione-a suavemente na posição. Em seguida, adicione cerca de dois microlitros de cola de cura UV no espaço entre as lâminas nos três pontos diferentes onde os espaçadores estão localizados.

Antes que a cola penetre muito na lacuna, use luz ultravioleta para curar a cola. Isso forma a célula para o experimento. Agora, ao longo da borda da célula, solte cerca de 10 microlitros de resina IPL.

Aguarde alguns minutos até que o líquido se infiltre em toda a área da célula. Em seguida, usando cola de goma fixa, fixe a célula no porta-amostras. Coloque o conjunto no sistema Direct Laser Writing e, usando uma objetiva de 100X, encontre a interface na superfície interna superior.

Em seguida, faça uma correção de inclinação, pois o slide não é perfeitamente horizontal. Agora escreva as estruturas dos padrões de classificação IPL projetados usando 6 miliwatts de potência do laser a 60 mícrons por segundo. Os padrões de classificação são feitos com curvas ou linhas retas.

Em seguida, encontre a interface e incline corretamente para a superfície interna inferior. Escreva o padrão lá também. Agora transfira a célula para um banho de isopropanol por 12 a 24 horas.

Não abra a cela ainda. No dia seguinte, seque a célula em uma placa de aquecimento a 50 graus Celsius por 10 a 20 minutos. Inicie este procedimento medindo cerca de 300 mg de mistura de monômeros.

Coloque a mistura em uma garrafa de vidro e coloque-a em uma placa de aquecimento ajustada entre 70 e 80 graus Celsius para derreter o pó. Depois de derretido, mexa por uma hora, entre 90 e 150 RPM. Quando a mistura estiver homogênea, coloque a célula preparada na placa de aquecimento a 60 graus Celsius e coloque 20 microlitros da mistura ao longo da borda da lâmina de vidro menor.

Deixe o líquido entrar na célula. Em seguida, proteja a lâmina da luz e transfira-a para o microscópio com um polarizador cruzado e um controlador de temperatura. Antes de iluminar a célula, coloque um filtro laranja na lâmpada para filtrar os raios UV. Em seguida, usando o estágio aquecido, aqueça a célula acima de 60 graus Celsius.

Agora diminua a temperatura a uma taxa de dois a 10 graus Celsius por minuto para medir a faixa de temperatura da fase de cristal líquido. Observe a amostra com inversão de contraste de imagem, enquanto a gira 45 graus em relação ao eixo do polarizador. Eventualmente, uma boa fase de cristal líquido nemático homogêneo deve ser observada.

Em seguida, fixe a célula em um suporte de amostra para o sistema DLW. Carregue a amostra e defina a temperatura para chegar à fase de cristal líquido. Em seguida, encontre a interface da superfície interna inferior e execute a correção de inclinação usando uma objetiva de 100X.

Em seguida, escreva as estruturas LCE com a potência do laser de quatro miliwatts e a 60 mícrons por segundo. Se uma objetiva 10X estiver em uso, ajuste o laser para 14 miliwatts e não se preocupe em encontrar a interface. Nesse caso, a estrutura é fabricada em toda a espessura da amostra.

Em seguida, descarregue a célula e use uma lâmina para remover a lâmina de vidro superior. Com a lâmina superior removida, mergulhe as estruturas em um banho de tolueno por cinco minutos e depois seque-as ao ar por 10 minutos. Para caracterizar as microestruturas LCE, coloque a amostra no microscópio caseiro e concentre um laser nas estruturas usando uma objetiva de 10X.

Agora, usando uma câmera CMOS, observe a deformação induzida pela luz. Usando o controle manual do sistema de micromanipulação, coloque as micropontas de vidro que estão nos braços do manipulador próximas às microestruturas LCE. Agora ligue o laser para baixa potência, cerca de 20 miliwatts para aumentar a temperatura do LCE e, assim, suavizar a estrutura.

Em seguida, use as pontas de vidro para pegar uma microestrutura LCE e mantê-la no ar. Este processo é necessário para evitar a adesão da superfície do vidro. Em seguida, aumente a potência do laser em mais de 100 miliwatts.

Em seguida, registre a deformação induzida pela luz da estrutura LCE para análise. Quatro estruturas cilíndricas LCE, com 60 mícrons de diâmetro e 20 mícrons de altura, foram fabricadas em quatro regiões de classificação IPL orientadas de forma diferente com um período de um mícron. Sob excitação leve, os corantes no LCE absorveram energia e a transferiram para a rede.

As estruturas passaram da fase nemática para a isotrópica, contraindo-se ao longo do diretor de alinhamento LC original e expandindo-se na direção perpendicular. Essa técnica permite a criação de atuadores compostos que contêm mais de um tipo de alinhamento em uma única estrutura. Por exemplo, uma faixa LCE de 400 por 40 por 20 mícrons foi fabricada com duas seções de padrões de alinhamento que continham uma torção de 90 graus.

Sob iluminação leve, a superfície com alinhamento paralelo se contraiu, enquanto a com alinhamento perpendicular se expandiu. Assim, a estrutura é dobrada em duas direções diferentes. Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como alinhar elastômeros cristalinos líquidos usando uma configuração de escrita a laser direta e como fazer com que os microatuadores se movam usando luz.