Fabricação de Microsferas de Polímeros para Resonadores Ópticos e Aplicações Laser

O objetivo geral deste procedimento é produzir microrressonadores ópticos para dispositivos a laser, circuitos ópticos e sensores ópticos químicos e biológicos. Este método pode ajudar a responder a questões-chave na esfera de materiais poliméricos funcionais, como óptica polimérica, optoeletrônica e eletrônica. A principal vantagem desta técnica simples e de baixo consumo de energia é que ela usa polímeros funcionais para fabricar ressonadores ópticos que possuem propriedades ópticas e elétricas.

Demonstrando o procedimento estarão o Sr. Okada, o Sr. Zakarias e o Sr. Oki, alunos de pós-graduação do meu laboratório. Para iniciar o método de difusão de vapor para este procedimento, adicione cinco mililitros de metanol a um frasco de 50 mililitros. Em seguida, dissolva dois miligramas de polímeros conjugados em dois mililitros de clorofórmio em um frasco de cinco mililitros.

Coloque cuidadosamente o frasco de cinco mililitros dentro do frasco de 50 mililitros. Depois disso, tampe o frasco de 50 mililitros. Incube a 25 graus Celsius por três dias para precipitar as microesferas de polímero.

Para iniciar o método de miniemulsão, dissolva cinco miligramas de polímeros conjugados em um mililitro de clorofórmio. Em seguida, dissolva 30 miligramas de SDS em dois mililitros de água deionizada. Adicione 100 microlitros da mistura de polímeros à solução SDS.

Usando um homogeneizador de velocidade ultra-alta, agite por dois minutos a 30.000 RPM. Deixe a emulsão descansar por um dia sem que a tampa evapore o clorofórmio. No dia seguinte, centrifugue a dispersão em um tubo de centrífuga de 1,5 mililitro por cinco minutos a 2.200 vezes g.

Depois de remover o sobrenadante, adicione um mililitro de água deionizada e agite vigorosamente. Repita a centrifugação, a remoção do sobrenadante e a lavagem com água três vezes para remover completamente qualquer SDS residual. Para iniciar o método de precipitação de interface, dissolva 20 miligramas de poliestireno em um miligrama de corante fluorescente em 20 mililitros de tetrahidrofurano.

Adicione um mililitro de água deionizada a um microtubo vazio de 1,5 mililitro. Em seguida, despeje suavemente 0,2 mililitros da solução de THF na camada de água, tomando cuidado para evitar que as camadas se misturem. Deixe o frasco repousar durante seis horas sem que a tampa precipite as microesferas de polímero.

Para começar, dilua uma suspensão de microesferas preparadas em 10 vezes com um solvente pobre, como metanol ou água deionizada. Usando um revestidor de rotação, funda uma gota da suspensão diluída em um substrato de quartzo. Seque ao ar o filme fundido resultante até que os solventes tenham evaporado completamente.

Em seguida, transfira o substrato de quartzo para o estágio de amostra de um microscópio óptico. Identifique uma microesfera isolada e bem definida para medição de microfotoluminescência. Defina as condições do laser conforme descrito no protocolo de texto e use um feixe de laser focalizado para irradiar a microesfera.

Usando um espectrômetro, registre o espectro de fotoluminescência. Em seguida, tire uma imagem fluorescente da microesfera irradiada. Para começar, coloque o substrato de quartzo no estágio de amostra de um microscópio óptico.

Identifique uma única microesfera bem definida. Em seguida, coloque uma microagulha de tungstênio em um aparelho de micromanipulação. Usando um controlador de painel de toque, mova a microagulha e pegue a microesfera.

Conecte a microesfera coletada a outra microesfera única e bem definida. Depois disso, irradie a microesfera com um feixe de laser focalizado. Use um espectrômetro para registrar o espectro de fotoluminescência.

Em seguida, tire uma imagem fluorescente das microesferas irradiadas. Neste estudo, microesferas poliméricas bem definidas são fabricadas usando três métodos diferentes. O método de difusão de vapor, o método de mini-emulsão e o método de precipitação de interface.

A microscopia eletrônica de varredura mostra que os métodos de difusão de vapor e precipitação de interface produzem microesferas com morfologia superficial muito lisa. No entanto, os obtidos pelo método de miniemulsão são ásperos porque o surfactante cobre toda a superfície. A fotoluminescência do modo de galeria sussurrante é então registrada para uma única microesfera de polímero um, polímero dois e sua mistura.

O fator Q foi visto como 2.200 para o polímero um. As microesferas compostas de polímero dois, no entanto, atingiram apenas 300, possivelmente por causa de sua morfologia superficial áspera. As microesferas compostas pela mistura de polímeros mantiveram um alto fator Q de 1.500, provavelmente devido à sua morfologia suave.

Microesferas de poliestireno polimórficas dopadas com corante polaron com cores fotoluminescentes de verde, amarelo, laranja e vermelho foram conectadas formando tetrasferas para investigar a cascata de transferência de energia entre esferas. A transferência de energia luminosa do verde para o amarelo e do amarelo para o laranja é considerada eficiente, enquanto a transferência de energia do laranja para o vermelho não ocorreu devido à pequena sobreposição entre a banda fotoluminescente do doador de energia e a banda de adsorção do aceptor de energia. Portanto, as transferências de energia convertidas para cima, como de vermelho para laranja, amarelo e verde, dificilmente ocorrem.

Ao tentar este procedimento, é importante lembrar de evitar agitar os frascos, o que pode causar uma precipitação rápida levando a agregados mal definidos. Seguindo este procedimento, outros métodos, como polimerização em emulsão e métodos de polimerização por dispersão, podem ser realizados para responder a perguntas adicionais, como como preparar esferas poliméricas monodispersas para aplicação em cristais fotônicos coloidais. Após seu desenvolvimento, essa técnica abriu caminho para pesquisadores no campo da ciência de polímeros explorarem aplicações ópticas e a laser usando polímeros funcionais.

Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como preparar ressonadores microópticos pelo processo de automontagem de baixo para cima. Não se esqueça de que trabalhar com dispositivos a laser deve ter um cuidado especial para proteger dos feixes de laser que prejudicam seus olhos.