Подготовка жидких кристаллов сетей для макроскопических колебательного движения, вызванные света

Общая цель данного экспериментального протокола заключается в подготовке жидкокристаллических сеток, которые демонстрируют механические колебания при непрерывном облучении светом. Этот метод может помочь ответить на ключевые вопросы материаловедения, такие как способы достижения непрерывного микроскопического движения с потенциальным применением в мягкой робототехнике и автоматизированных системах. Основным преимуществом данной методики является то, что ее использование и методы широко применяются в промышленности по производству жидкокристаллических дисплеев с использованием коммерчески доступных химикатов.

Сначала тщательно очистите стеклянные пластинки размером 3 на 3 сантиметра с помощью мыла и горячей воды для удаления загрязнений. Поместите стеклянные пластинки в стакан с этанолом. Затем поместите стакан в ультразвуковую баню примерно на 10 минут.

После этого осторожно просушите стеклянные пластины с помощью салфетки и обдувочного устройства. Убедитесь, что на пластинах не осталось следов растворителя, пыли или каких-либо других загрязнений. Поместите стеклянные пластины в УФ-озоновый фотореактор на 20 минут для удаления органических остатков.

После обработки озоном обдуйте одну из стеклянных пластин струей воздуха и поместите её на центрифугу для нанесения покрытий. Затем нанесите примерно 0,5 мл раствора полиамида на стеклянную пластину так, чтобы покрыть всю поверхность. Выполните центрифугирование для нанесения ориентирующего слоя в соответствии со следующими условиями.

После центрифугирования на стороне стеклянных пластин, не покрытой слоем, нанесите отличительные метки, чтобы различать слои с гомеотропным и планарным ориентированием. Поместите покрытую стеклянную пластину на нагревательную плитку при 110 °C на 10 минут, чтобы удалить большую часть растворителя, присутствующего в смеси для ориентирующего слоя. Когда все стеклянные пластины будут покрыты, поместите их в печь при 180 °C на один час для отверждения полиамидного слоя.

Для создания микроканалов на покрытых стеклянных пластинах поместите каждую пластину покрытой стороной вниз на бархатную ткань. Равномерно и мягко надавите двумя пальцами. Осторожно протяните стеклянную пластину по поверхности бархатной ткани в прямом направлении.

Затем обдуйте стеклянную пластину воздухом. Далее приготовьте адгезив, смешав УФ-отверждаемый клей со стеклянными микросферами с точно определенным диаметром 20 micrometers. Нанесите две крошечные капли клея на два соседних угла стеклянной пластины, покрытой планарным ориентирующим слоем.

Затем нанесите еще две капли клея примерно в пяти миллиметрах от двух других углов. Поместите стеклянную пластину, покрытую гомеотропным ориентирующим слоем, поверх первой стеклянной пластины, оставив зазор около четырех миллиметров между краями пластин, чтобы обеспечить достаточное пространство для ЖК-смеси. Затем зафиксируйте клей, поместив две стеклянные пластины или ячейку под УФ-излучение на две минуты.

Поместите кювету на нагревательную плитку гомеотропной стороной вверх. Установите температуру на 110 °C, чтобы облегчить заполнение кюветы, так как вязкость жидкости в этом состоянии ниже, чем в нематической фазе. Затем нанесите часть ЖК-смеси на край кюветы, чтобы твердое вещество расплавилось, а жидкая смесь затекла в кювету за счет капиллярного эффекта.

Добавьте смесь по краям, пока кювета не будет заполнена. Как только кювета будет заполнена, медленно охладите ее до 90 °C, чтобы смесь перешла в нематическую фазу. Как только пленка достигнет 90 °C, полимеризуйте смесь, поместив кювету под УФ-излучение при этой температуре на 30 минут.

После полимеризации поместите кювету на нагревательную плитку при 130 °C примерно на 10 минут. Дав кювете остыть до комнатной температуры, откройте ее, поместив лезвие бритвы у одного края и просунув его между двумя стеклянными пластинами. Чтобы отделить пленку, приподнимите ее углы с помощью лезвия бритвы.

Осторожно отделите пленку от стеклянной пластины. Затем вырежьте полоску вдоль молекулярного директора пленки. После этого закрепите образец пленки с помощью самозажимного пинцета таким образом, чтобы 1.7 сантиметров пленки оставались свободными.

Удерживайте образец вертикально и направьте луч светоизлучающего диода перпендикулярно образцу для наблюдения самоколебаний. В представленном протоколе демонстрируется наблюдаемое колебательное движение пленки под воздействием светового излучения; при этом качество радиального выравнивания имеет важное значение для устойчивого самопроизвольного срабатывания. Пленка должна быть прозрачной.

Для проверки правильности радиального (splay) выравнивания пленку, закрепленную на стеклянной подложке, наблюдают между скрещенными поляризаторами над источником диффузного белого света. Если пленка представлена в виде полосок, она имеет естественный изгиб с центром кривизны со стороны гомеотропного выравнивания, что обусловлено остаточным напряжением, возникающим в процессе полимеризации. Механические и термические колебания, зафиксированные высокоскоростной камерой, подтверждают эффективность протокола.

При закреплении пленка разгибается в сторону плоского состояния по направлению к источнику света. Затем пленка начинает непрерывно двигаться с механическими и термическими осцилляциями. Ключевыми факторами при наблюдении этого явления являются фототермический эффект и самозатенение пленки, которые контролируются интенсивностью и положением света.

Слишком низкая интенсивность света не вызывает значительного изгиба, так как температура в области шарнира оказывается недостаточной, в то время как слишком высокая интенсивность света на шарнире приведет к чрезмерному отклонению. При должном исполнении и освоении данной техники процедура может быть выполнена за четыре часа. При проведении данной процедуры важно проверить выравнивание жидкокристаллической фазы перед полимеризацией, чтобы обеспечить получение стабильных колебаний.

Преимущество данного протокола заключается в возможности варьировать частоту и амплитуду осцилляции путем изменения размеров пленки и интенсивности света. После разработки этот метод открыл исследователям в области материаловедения путь к изучению других видов равновесного движения в мягкой материи. После просмотра этого видео вы должны получить четкое представление о том, как подготовить ориентированную жидкокристаллическую сетку для получения фоточувствительной пленки.

Не забывайте, что работа со светом может быть крайне опасной, поэтому при проведении этих экспериментов необходимо всегда использовать защитные очки от УФ-излучения.