प्रोटोकॉल के लक्ष्य के लिए तरल क्रिस्टलीय बहुलक फिल्मों है कि यांत्रिक सतत प्रकाश विकिरण के तहत दोलन कर सकते है बनाने के लिए है । हम महान विस्तार में वर्णन मुक्त खड़े फिल्मों के गर्भाधान, तरल क्रिस्टल संरेखण विधि से फोटो-एक्च्यूएशन के लिए । इस सामग्री को तैयार करने के लिए लागू प्रायोगिक प्रोटोकॉल मोटे तौर पर लागू है ।
एक मैगनीज तरल क्रिस्टलीय नेटवर्क पर आधारित रणनीति सतत प्रकाश विकिरण के तहत प्लास्टिक की फिल्मों के यांत्रिक आत्म निरंतर दोलनों बनाने के लिए वर्णन किया गया है । फोटो-dopants की उत्तेजना है कि जल्दी से गर्मी में प्रकाश नष्ट कर सकते हैं, अनिसोट्रोपिक थर्मल विस्तार और स्वयं फिल्म की छाया के साथ युग्मित, आत्म निरंतर विकृति को जंम देता है । देखा दोलनों आयामों और फिल्म के मापांक से प्रभावित हैं, और दिशात्मकता और प्रकाश की तीव्रता से । प्रणाली विकसित ऊर्जा रूपांतरण और नरम-रोबोटिक्स और स्वचालित प्रणालियों के लिए कटाई में आवेदन प्रदान करता है ।
सामान्य विधि यहाँ वर्णित मुक्त खड़े तरल क्रिस्टलीय फिल्मों बनाने और यांत्रिक और थर्मल प्रभाव मनाया निस्र्पक के होते हैं । आणविक संरेखण संरेखण परतों का उपयोग कर हासिल की है (मला polyimide), आमतौर पर प्रदर्शन विनिर्माण उद्योग में इस्तेमाल किया । बड़े विरूपण के साथ प्रेरक प्राप्त करने के लिए, mesogens एक splay/मोड़ विन्यास में गठबंधन और बहुलक कर रहे हैं, यानी, तरल क्रिस्टल (एलसी) के निदेशक के साथ planar से homeotropic करने के लिए धीरे से जा रहा फिल्म मोटाई के माध्यम से. विकिरण पर, यांत्रिक और थर्मल दोलनों प्राप्त एक उच्च गति कैमरे के साथ निगरानी कर रहे हैं । परिणाम एक छवि प्रसंस्करण कार्यक्रम का उपयोग कर छवि विश्लेषण द्वारा आगे मात्रा हैं ।
टिकाऊ ऊर्जा की ओर खोज जीवाश्म ऊर्जा और जलवायु परिवर्तन की कमी के जवाब में बढ़ती रुचि का एक क्षेत्र है । तरीकों को यांत्रिक काम में प्रकाश ऊर्जा को बदलने के लिए वर्तमान में जांच की जा रही है, जैसे photovoltaics बिजली पैदा करने के लिए, बायोमास ईंधन का उत्पादन करने के लिए, सौर जल बंटवारे के लिए ऑक्सीजन और हाइड्रोजन का उत्पादन । हालांकि, इन सभी प्रक्रियाओं प्रकाश द्वारा ईंधन से पहले अपनी ऊर्जा उत्पादन मशीनों है कि काम प्रदर्शन चला सकते है कई कदम की आवश्यकता है । हालांकि इन तरीकों आवेदनों की एक बड़ी पैनल की पेशकश, वे उत्पादन, भंडारण और मध्यवर्ती के परिवहन की आवश्यकता है (उदा., विद्युत क्षमता, रासायनिक ईंधन) । इसलिए, उपकरणों सरलीकरण के macroscopic गति वर्तमान लाभ में सीधे सूरज की रोशनी बदलने में सक्षम ।
पिछले दशकों में, फोटो के कई उदाहरण-प्रेरक विकसित किया गया है, जहां पॉलिमर विकिरण1,2,3पर आकार बदल जाते हैं । हालांकि, इन उदाहरणों के बड़े बहुमत में, सतत एक्च्यूएशन एक राज्य से दूसरे करने के लिए स्विच करने के लिए प्रकाश चालू/ अब तक, केवल एक सीमित संख्या में फोटो उत्तरदायी सामग्री के संतुलन का काम कर4,5,6,7बताया गया है । लिक्विड क्रिस्टल नेटवर्क पर आधारित सिस्टंस (LCNs)8,9,10,11,12,13 की भी जांच कर रहे है क्योंकि उनके आंतरिक anisotropy कि एक नियंत्रित फैशन14में विकृति प्रोग्रामिंग के लिए अनुमति देता है । हाल ही में, यह फोटो थर्मल LCN में शामिल फोटो-स्थिरता के उत्तेजना द्वारा प्रेरित प्रभाव थरथरानवाला गति15उत्पन्न कर सकते हैं कि बताया गया था.
यहाँ, LCN फिल्में बनाने की विधि है कि निरंतर प्रकाश विकिरण के तहत दोलन यांत्रिक वर्णन किया गया है । फिल्मों के गर्भाधान के लक्षण वर्णन करने के लिए कोशिकाओं की तैयारी और नियंत्रण रेखा के मिश्रण के बहुलकीकरण से विस्तृत है । LCN फिल्मों के फोटो-एक्च्यूएशन और प्रमोशन के विश्लेषण की भी खबरें हैं । LCNs अणुओं है कि जल्दी से नेटवर्क है, जो अनिसोट्रोपिक थर्मल विस्तार और बाद में फिल्म के macroscopic विकृति लाती है भीतर गर्मी में प्रकाश नष्ट कर सकते है के साथ मैगनीज रहे हैं । आत्म-छाया, तापमान भिन्नता और सामग्री के संकुचन/बढ़ाव के बीच एक नाटक थरथरानवाला गति15को जन्म देता है । इस प्रभाव को प्राप्त करने के लिए प्रकाश और नमूना का ओरिएंटेशन सहित सटीक सेटअप, प्रोटोकॉल में हाइलाइट किया गया है । दोलन इसकी आवृत्ति और LCN के गुणों द्वारा नियंत्रित की विशेषता है । हमारे ज्ञान के लिए, यह LCN फिल्मों के निर्माण के लिए एक विधि का पहला वर्णन है कि स्व-दोलन कर सकते हैं, एक सरल तंत्र द्वारा dopants की एक विस्तृत श्रृंखला के साथ काम कर रहा है ।
नोट: समग्र प्रक्रिया चित्रा 1 .
1. कोशिकाओं की तैयारी कांच की प्लेटों की सफाई ध्यान से साफ 3 सेमी x 3 cm ग्लास प्लेट्स साबुन और गर्म पानी का उपयोग कर दूषणों को दूर करने के लिए ( चित्र 1a ). एक चोंच में ग्लास प्लेट्स प्लेस और इथेनॉल ९९.५% के साथ कवर ( चित्रा 1b ). के बारे में 10 मिनट के लिए एक अल्ट्रासोनिक स्नान में चोंच जगह ध्यान से एक ऊतक और उड़ा हवा के साथ कांच प्लेटें सूखी । सुनिश्चित करें कि वहां विलायक, धूल, या संदूषण के किसी भी प्रकार का कोई निशान प्लेटों पर छोड़ दिया है । नोट: ग्लास प्लेटें अब साफ कर रहे है और दस्ताने के साथ हेरफेर किया जाना चाहिए । किसी भी कार्बनिक अवशेषों को दूर करने के लिए 20 मिनट के लिए एक यूवी ओजोन photoreactor में ग्लास प्लेटें जगह है । ओजोन उपचार के बाद, प्लेट कोटिंग कदम के लिए तैयार कर रहे हैं ( चित्रा 1C ). ग्लास प्लेट्स के कोटिंग नोट: लेपित प्लेटों के दो सेट तैयार कर रहे हैं: एक planar संरेखण परत के साथ एक सेट और एक homeotropic संरेखण के साथ दूसरे । बाद के चरण में, सेल एक planar ग्लास प्लेट और एक homeotropic ग्लास प्लेट ( चित्रा 1 डी ) की रचना की जाएगी । एयर एक ग्लास प्लेट उड़ा और यह स्पिन कोट पर जगह है । ग्लास प्लेट पर polyimide समाधान जमा करने के लिए पूरी सतह को कवर (समाधान के बारे में ०.५ मिलीलीटर) । स्पिन कोट निंनलिखित शर्तों के अनुसार संरेखण परत: कार्यक्रम 1:5 एस 17 x जी और त्वरण 11 x g/ कार्यक्रम 2:40 एस ४२० x जी और त्वरण 17 x g/s. संरेखण परतों का इलाज एक हॉट प्लेट पर लेपित ग्लास प्लेट्स को ११० & #176 पर रखें; सी 10 मिनट के लिए संरेखण परत मिश्रण में विलायक वर्तमान के बहुमत को दूर करने के लिए ( चित्रा 1E ). मार्क ग्लास प्लेटें (गैर पर लेपित पक्ष) विशिष्ट संकेत के साथ homeotropic और planar संरेखण परतों को पहचाना । एक छोटा सा तीर आम तौर पर planar ग्लास प्लेट के लिए उपयोगी है क्योंकि यह भी एक बाद की अवस्था में वर्णित मलाई दिशा इंगित करता है ( चित्रा 1F ). एक बार सभी गिलास प्लेटें लेपित हैं, और विलायक हटा दिया जाता है, एक ओवन में ग्लास प्लेटों जगह १८० & #176; ग 1 ज के लिए इलाज polyimide परत ( चित्रा 1G ). चेतावनी: यह कदम अत्यंत गर्म तापमान शामिल है; दस्ताने, चश्मा और उचित व्यक्तिगत संरक्षण पहनें । के बाद गिलास प्लेटें बेकिंग करें, उन्हें कमरे के तापमान पर ठंडा होने दें । नोट: हर कदम के बीच किसी भी संदूषण को रोकने के लिए, यह ग्लास प्लेटों पर एक सुरक्षात्मक पंनी जगह की सिफारिश की है । मलाई planar संरेखण परत रगड़ ग्लास planar संरेखण परत के साथ लेपित प्लेटों में आदेश (उप) परत है कि एक दिशा में नियंत्रण रेखा का मार्गदर्शन करेंगे में microchannels बनाने के लिए । ऐसा करने के लिए, एक मखमली कपड़े पर लेपित पक्ष नीचे की ओर के साथ कांच की प्लेटें रखें । दो उंगलियों के साथ एक समान और नरम दबाव लागू करें । सावधानी से एक सीधी दिशा में मखमली कपड़े की सतह के साथ कांच की थाली खींचें । कांच की प्लेट उठा लें और उसी ऑपरेशन को तीन बार दोहराएं ( चित्रा ज ). नोट: यह एक ही दिशा में थाली रगड़ और केवल जबकि आगे जा रहा महत्वपूर्ण है । आगे और पीछे एक सीधी दिशा में जा रहे एक गरीब संरेखण में परिणाम होगा । Gluing कोशिकाओं हवा का उपयोग कर ग्लास प्लेटें उड़ाने हवा ब्लोअर । के साथ एक यूवी इलाज गोंद मिश्रण से चिपकने तैयार (ग्लास मोती) 20 के एक सुपरिभाषित व्यास होने & #181; m. एक ग्लास प्लेट एक planar संरेखण परत और एक ग्लास प्लेट एक homeotropic संरेखण परत के साथ लेपित के साथ लेपित ले लो । planar ग्लास के दो आसंन कोनों पर गोंद के दो छोटे बूंदें रखें । फिर दो आखरी कोनों से लगभग 5 मिमी पर गोंद की दो अन्य बूँदें जगह ( फिगर 1I ). homeotropic ग्लास प्लेट लें और उसे टॉप पर लगाएं । नियंत्रण रेखा के मिश्रण के लिए पर्याप्त स्थान प्रदान करने के लिए ग्लास प्लेटों के किनारों के बीच के बारे में 4 मिमी के अंतर को छोड़ दें । सुनिश्चित करें कि लेपित पक्षों एक दूसरे का सामना कर रहे हैं । यूवी प्रकाश के तहत 2 मिनट के लिए सेल रखकर गोंद का इलाज । चेतावनी: यूवी प्रकाश खतरनाक है; दस्ताने, चश्मा और उचित व्यक्तिगत संरक्षण पहनें ।
2. lc मिश्रण तैयारी और लक्षण वर्णन अवयव वजन ९७.५ के नियंत्रण रेखा diacrylate के मिलीग्राम 1, २.५ मिलीग्राम फोटो-स्थिरता और एक भूरे रंग की कांच की शीशी में photoinitiator के 1 मिलीग्राम ( चित्रा 2 ). क्योंकि सर्जक की संवेदनशीलता की, मिश्रण करने के लिए यूवी प्रकाश जोखिम को रोकने के रूप में सबसे अच्छा संभव के रूप में । समरूप चूर्ण का मिश्रण नोट: यह चरण एक रासायनिक हुड में किया जाता है । उपरोक्त घटकों को dichloromethane (डीसीएम) के 3 मिलीलीटर जोड़ें और ठोस पूरी तरह से भंग होने तक हिला । 30 मिनट के लिए एक गर्म थाली पर एक शीशी स्थान पर रखें और डीसीएम के त्वरित वाष्पीकरण को बढ़ावा देने के लिए आर्गन का एक प्रवाह जोड़ें । नोट: यह डीसीएम के किसी भी अवशिष्ट ट्रेस को दूर करने के लिए वैक्यूम में शीशी जगह की सिफारिश की है । अवलोकन के तहत ध्रुवीकरण ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप (पोम) चरण संक्रमण निर्धारण के लिए एक बार मिश्रण पूरी तरह से सूखा है, एक छोटी राशि जगह (& #177; 10 मिलीग्राम) दो ग्लास planar संरेखण परत के साथ लेपित प्लेटों के बीच. नोट: आदेश में ठीक से चरणों की विशेषता के लिए, यह unplanar ग्लास प्लेट्स का उपयोग करने के लिए सिफारिश की है. एक गर्म अवस्था से सुसज्जित पोम में स्लाइड प्लेस । जब तक छवि काले बदल जाता है (पार ध्रुवों का उपयोग) आइसोट्रोपिक चरण का संकेत है जब तक सेल गर्मी । धीरे गर्म थाली नीचे ठंडा और संक्रमण तापमान ध्यान दें । ऊपर वर्णित मिश्रण के लिए, आइसोट्रोपिक nematic संक्रमण के लिए १०३ & #176 पर है; c और nematic smectic संक्रमण होता है पर ८६ & #176; c ( चित्र 3 ए ).
3. फिल्म वडा कोशिकाओं की फिलिंग ( फिगर 1J ) सेल को एक हॉट प्लेट पर homeotropic ओर ऊपर की तरफ रखें । तापमान सेट करने के लिए ११० & #176; ग (आइसोट्रोपिक चरण) कोशिका के भरने की सुविधा के लिए क्योंकि द्रव nematic चरण की तुलना में कम चिपचिपा है. सेल के किनारे पर ठोस मिश्रण का हिस्सा जगह है. ठोस पिघला देता है और तरल मिश्रण कोशिका में केशिकाओं द्वारा बहती है । जब तक सेल भर न जाए तब तक किनारे पर अधिक मिश्रण डालें । ठंडा करने के लिए nematic चरण और बहुलकीकरण ( चित्रा १-५ ) एक बार कोशिका भर जाती है, धीरे से इसे ठंडा कर नीचे (5 & #176; c/min) तक ९० & #176; ग को nematic चरण म. जैसे ही फिल्म सही तापमान पर होती है, polymerize को यूवी लाइट के नीचे रखकर मिश्रण को ९० & #176; ग के लिए 30 min. चेतावनी: यूवी प्रकाश खतरनाक है, यह एक संरक्षित वातावरण में बहुलकीकरण प्रदर्शन करने की सलाह दी है । एक पोस्ट-पाक कदम नेटवर्क की पूरी बहुलकीकरण सुनिश्चित करने के लिए सिफारिश की है । सेल को एक हॉट प्लेट पर १३० & #176 पर रखें; सी के बारे में 10 मिनट के लिए और इसे धीरे से कमरे के तापमान के लिए नीचे ठंडा । सेल के खोलने और नमूना के काटने के लिए सेल खोलने के लिए, एक पर एक उस्तरा ब्लेड डाल एज और यह दो गिलास प्लेटों के बीच में धक्का । कक्ष एक बार में खुलता है ( चित्रा 1L ). से फिल्म छील, एक उस्तरा ब्लेड के साथ एक छोटा सा कोना उठा । अगर जरूरत हो तो इस फिल्म को हटाने की सुविधा के लिए ग्लास प्लेट को गर्म पानी में रखा जा सकता है ( फिगर 1m ). पानी से फिल्म निकालें और धीरे से इसे छील । आणविक निदेशक (planar पक्ष के मलाई दिशा) के साथ एक पट्टी काट निंनलिखित आयाम होने फिल्म के: 4 मिमी x २.५ सेमी ( चित्रा 1N ).
4. स्व-दोलन अवलोकन लैब में सेटअप एक आत्म बंद नोचना का उपयोग कर नमूना दबाना ऐसे में कि इस फिल्म के १.७ cm को ले जाने की आज़ादी है. नमूना खड़ी पकड़ और प्रकाश उत्सर्जक डायोड (एलईडी) बीम (४०० मेगावाट/सेमी 2 ) सीधा नमूना करने के लिए । आमतौर पर, प्रकाश नमूना से लगभग 20 सेमी दूर है । रोशनी को फिल्म के ऊपर पहुंचना चाहिए, नीचे नोचना ( चित्रा 4 ) । प्राप्त दोलनों एक उच्च गति कैमरे के साथ दर्ज कर रहे है (१५० फ्रेम/एस) और एक छवि प्रसंस्करण कार्यक्रम के साथ विश्लेषण किया । सेटअप प्रत्यक्ष सूर्यप्रकाश आगे के रूप में कदम शुू में वर्णित है लेकिन एलईडी लाइट का उपयोग करने के बजाय, एक लेंस के साथ फिल्म के शीर्ष पर सूरज की रोशनी ध्यान केंद्रित । ताप प्रभाव का माप एक थर्मल कैमरा का उपयोग कर दोलन नमूना में तापमान भिन्नता को मापने १५ (४० फ्रेंस/
परिणाम यहां वर्णित पिछले अध्ययन के साथ तुलना कर रहे है15 एक नियंत्रण रेखा diacrylate पर 6 कार्बन की एक स्पेसर के साथ । यह पता चलता है कि दोलन प्राप्त करने के लिए विधि अलग यांत्रिक गुणों के साथ फिल्मों के लिए लागू किया जा सकता16.
एक फोटो थर्मल उत्तरदायी LCN की तैयारी की सूचना दी है । वहां वर्णित प्रोटोकॉल में कुछ कदम है कि महत्वपूर्ण हैं, जैसे planar संरेखण परतों के रगड़ और सेल की तैयारी कर रहे हैं । दरअसल, प्रोटोकॉल की सफलता नियंत्रण रेखा splay संरेखण है, जो भी पतली फिल्मों के लिए आवेदन सीमा की उच्च गुणवत्ता पर निर्भर करता है ।
पहले, फोटो-स्विचेस की एक बड़ी मात्रा में होते हैं जो LCNs पर आधारित फोटो-स्विच के कई उदाहरण11,12,13,19रिपोर्ट किया गया है । यहां विकसित विधि का मुख्य लाभ एक्च्यूएशन का निरीक्षण करने के लिए आवश्यक dopants की सीमित मात्रा (& #60; 5 wt%) और dopants के व्यापक विकल्प उपलब्ध हैं । 15 ये परिणाम संभावित अनुप्रयोगों की श्रेणी का विस्तार करते हैं । इसके अलावा, इस प्रोटोकॉल की शक्ति एक अलग मैट्रिक्स संरचना, धारी के आयामों और प्रकाश की तीव्रता के साथ फिल्म के मापांक को बदलकर आवृत्ति और दोलन के आयाम अलग करने की क्षमता है ।
इस पद्धति को आसानी से स्वचालित प्रणाली के लिए नियंत्रण रेखा की सामग्री का एक व्यापक रेंज बनाना बढ़ाया जा सकता है । यहां वर्णित प्रोटोकॉल नरम-रोबोटिक्स और स्वचालित सामग्री के लिए गैर-संतुलन प्रणालियों के विकास के लिए मार्ग प्रशस्त करती है ।
The authors have nothing to disclose.
यह काम आर्थिक रूप से नीदरलैंड के वैज्ञानिक अनुसंधान के लिए संगठन द्वारा समर्थित (NWO-शीर्ष बाज़ी अनुदान: १००१८९४४) और यूरोपीय अनुसंधान परिषद (कंपन ईआरसी, अनुदान ६६९९९१) था । ए. एच. जी. पीपुल्स प्रोग्राम (मैरी क्यूरी क्रियाएं) से यूरोपीय संघ के सातवें ढांचे के कार्यक्रम FP7-2013, अनुदान सं ६०७६०२ से धन स्वीकार करता है ।
Material | |||
LC diacrylate ( compound 1: Figure 2) | Syncom | custom synthesis | |
photo-stabilizer | Ciba | tinuvin 328 | |
photoinitiator | Ciba | Irgacure 819 | |
Alignment layer planar | JSR micro | optimer Al1051 | |
Alignment layer homeotropic | Nissan chemical industry | Sunever grade 5300 | |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Equipment | |||
UV-ozone photoreactor | Ultra Violet Products, PR-100 | Not available | |
spin coater | Karl-SUSS | SUSS RC spin coater CT62 V098 | |
UV light | Gentec | EXFO-Omnicure S2000 | |
micropearl | Sekisui Chemicals | SP220-20um | |
Glue | Gentec | UVS91 | |
LED 365 nm | Thorlabs | M365LP1 | |
light collimator | Thorlabs | SM2F32-A | |
high speed camera | PCO. | PCO 5.5 sCMOS camera | |
thermal camera | Xenics Infrared solution | Gobi-640-GigE | used with Xeneth software |
Differential Scanning Calorimeter | TA instruments | Q1000 | |
Dynamic Mechanical Analyzer | TA instruments | Q800 | |
Polarized Optical Microscope | Leica | DM6000M |