Here, we fabricate 3D polymeric micro/nano structures in which both the shape and the molecular alignment can be engineered with nanometer scale accuracy by the use of direct laser writing. Light induced deformation of several types of liquid crystalline elastomer microstructures can be controlled in the microscopic scale.
Sıvı kristal elastomerler (LCEs) dış uyaranlara tepki olarak geri dönüşümlü şekil değişikliği yapabilen akıllı malzemeler ve birçok alanda araştırmacıların ilgisini çekmiştir. Çalışmaların çoğu makroskopik LCE yapılarda (film, lifler) odaklanmış ve minyatür henüz emekleme aşamasında olduğunu. Son zamanlarda, litografi teknikleri geliştirilmiştir, örneğin., Maske maruz kalma ve çoğaltma kalıp, sadece LCE ince filmler üzerinde 2B yapılar oluşturmak için izin verir. Doğrudan lazer yazma (DLW) mikroskopik ölçekte gerçekten 3D imalat erişimi açar. Ancak, aynı uzunlukta ölçekte harekete topoloji ve dinamiklerini kontrol eden bir sorun olmaya devam etmektedir.
Bu yazıda keyfi üç boyutlu şeklin LCE mikroyapısında sıvı kristal (LC) moleküler hizalama kontrol etmek için bir yöntem rapor. Bu LCE yapıları hem de doğrudan lazer yazılı bir kombinasyonu ile de indükleyici micrograting kalıpları için mümkün olduYerel LC hizalama. Izgara desen çeşitli tipleri, daha sonra LCE yapılarına desenli farklı LC saflaşma tanıtmak için kullanılmıştır. Bu protokol, böylece birden fazla işlevleri yeteneğine sahip olmanın, bir çoklu opto-mekanik tahriki gerçekleştirmek mümkün tasarlanmış hizalanmalar ile LCE mikro elde etmesini sağlar. Uygulamalar ayarlanabilir fotonik, mikro-robotik, laboratuvar-on-chip teknolojisi ve diğerleri alanlarında öngörülebilir.
Mikrouyarıcılar başka bir mekanizma veya sistemin işletimi için harici enerji iletimi mikroskobik yapılardır. Kompakt boyutu ve uzaktan kumanda yeteneği, yaygın laboratuar-on-chip sistemleri 1, 2 mikro-algılama ve mikro robotik 3 kullanılmaktadır. Bugüne kadar mevcut aktüatörler gibi dış alanı ile tek yönde 5 bükme bir hidrojel matriks 4 şişlik / çöküşü, daralma / sadece basit eylemleri gerçekleştirebilirsiniz. Son zamanlarda geliştirilen teknikler mikroskopik ölçekli tahrik yapıları 6 imal etmek için etkin olmasına rağmen, aynı uzunlukta ölçekte bu actuations kontrol etmek için büyük bir meydan okuma hala. Bu yazıda 3D ışık kontrol tahrik özelliklere sahip mikro aktive hazırlamak için bir yöntem bildirir. teknik, doğrudan lazer yazı (DLW) temel alan ve sıvı kristalin elastomerleri (LCEs) 'de gösterilmiştir.
LCEs sof vardırelastomer ve sıvı kristal yönelimi özelliğini penye t polimerleri. Dış stimuli 7 çeşitli altında – (% 400 20), bu malzemeler, büyük deformasyon yeteneğine sahiptir. Mikro aktuatörler için LCEs kullanmanın avantajı mikroskopik ölçekte 8 geçirilmesini kontrol etmek için izin verir yapılarda mühendislik moleküler düzen kolaylık olduğunu. LC monomerler tek adımlı foto-polimerizasyonu sağlayan akrilat kısımla sentezlenir. Bu özellik 3D mikro yapıların imalatı için litografik teknikler farklı türde erişim sağlar. verilmedi yanıt moleküller olarak azo boyalar ko-polimerizasyon işleminde, polimer ağına bağlanır. Bu tür moleküller ışık kontrollü deformasyon karşılayabilme sistemin ışık kaynaklı ısıtma ile (sis izomerleştirme trans) güçlü ışık tepki yeteneği birleştirir.
DLW ışığa Materi polimer yapıları elde etmek için kullanılan bir tekniktirodaklanmış bir lazer ışın demeti 9 uzamsal kontrolü ile diğ. DLW moleküler uyum 6 kaybetmeden LCE 3D serbest form yapıları oluşturulmasını sağlar. LCE mikro aktuatörler imalatında DLW çeşitli avantajları vardır. İlk olarak, çözünürlük mikron altı ölçek ulaşabilir ve yapılar 6 gerçekten 3D bulunmaktadır. Önceden bildirilen LCE mikro üretim yöntemleri, örneğin., Yaklaşık 10 mikron ve sadece aşağı çözünürlüğü sağlanan maskeli maruz kalma 10 ve 11 kalıplama çoğaltma, 2D geometriye sahiptir. İkinci olarak, DLW temassız bir üretim sürecidir. Uygun bir çözücü tasarlanmış yapılandırmayı sürdürmek yüksek kaliteli yapılar gelişebilir. Replika döküm tekniği nadiren alt mikron çözünürlüğü 12 verir ve yapısal kalite kontrol etmek zordur. Üçüncü olarak, lazer yazma mikroskobik ölçekte 8,13 yerel LC yönlendirme için çok yönlü seçenekler sunar. LC oryantasyon teknikleri çeşitli türleri arasında, sürtünme mos olduğunuLC molekülleri yönlendirmek için etkili bir yol t yaygın LCE ince filmin hazırlanmasında kullanılmıştır. Bu genellikle LC monomer infiltre bir hücrenin iç yüzeyleri üzerinde Mikroyivlerin oluşturmak için polimer tabakaları sürtünme ile elde edilmiştir. Nedeniyle yüzey demirleme etkisi, bu tür microgrooves oluk yönünde LC molekülünü yönlendirmek mümkün. DLW çok daha yüksek doğruluk ile önceden tasarlanmış yönde seçilen bölgeye bu mikro oluklarda doğrudan fabrikasyon sağlar. Tüm bu özellikler, DLW imalat ve mikroskopik ölçekte harekete kontrolü için mükemmel bir özgün tekniği tercih.
DLW dayanarak, LCE mikroyapılar farklı moleküler yönelimleri ile desenli olabilir. Tek bir LCE yapısı içinde bileşik hizalama, çok fonksiyonlu actuations mümkün olmaktadır. yöntem, LC monomer karışımının her türlü LCE mikro aktuatörler imalatı için de kullanılabilir. başka kimyasal ürünler olarak, bunu yapmak mümkündürdiğer uyarıcı kaynaklarına duyarlı aktüatörler, örneğin., nem ya da farklı dalga boyunda aydınlatma.
IP-L mikro ızgara yönlendirme tekniği sıvı kristal monomerlerin yönlendirmek için DLW ile entegre edilmiştir. Daha sonra lazer yazılı LCE mikro yapılar da mikro ölçekte tasarlanmış uyum desenli olabilir. Bu teknik bize birden fazla işlevleri destekler bileşik LCE öğeleri oluşturmanıza olanak sağlar. Doğru 3D mikro ve çalıştırma kontrolünü oluşturmak için olağanüstü yeteneği ile, bu teknik elastomer esaslı mikroskobik robotlar 14 oluşturmak için kullanılacak ve ışık ayarlanabilir cihazların 15 elde edilmesi için yeni stratejiler bir bolluk açmak için bekliyoruz.
hazırlık iki kritik adım vardır. İlk bir hücrenin iki bardak sıkı (adım 1.4, 1.5) yapıştırılmış olmasıdır. UV yapıştırıcı gelişimi esnasında hücre geometrisi stabilitesini korur: diğerine göre hücrenin cam hareketinin bir kötü uyum ile sonuçlanırLCE. İkincisi, LCE yapısı yazma sırasında lazer yazma hızı 100X amacı seçilmiş ise mümkün olduğunca yüksek olmalıdır. Nedeniyle lazer yazma işlemi sırasında LCE güçlü şişlik, kabartılmış yapı böylece fabrikasyon aktüatör kalitesini etkileyen, tasarlanmış konumu dışında hareket olacaktır.
Bazı durumlarda, ışık kaynaklı şekil değiştirebilirlik yapılarında bozulmaya görülmektedir. Bu yüksek aydınlatma yoğunluğu altında boya ağartma nedeniyle olabilir. Boya molekülleri kapatıldıktan sonra, LCE yapı, saydam ortam olarak davranan ve ışık emme / ışığın neden olduğu deformasyon bastırılır. Daha düşük lazer gücü LCE mikro yapıların çalıştırılması için daha güvenli olacaktır.
Bu yöntemin bazı dezavantajları da vardır. İlk olarak, tüm işlem, nispeten uzun bir zaman alır. samp daldırarak yapılan hücre yapılandırması, ilk IP-L gelişim sürecini (sürdürülebilmesi içinBir solvent banyosuna le) hücre açmadan 2-proponal içinde gerçekleştirilmektedir. Gelişmekte olan zamanı ve böylece hücre boyutu ve boşluğun kalınlığına bağlıdır ve genellikle 12 – 24 saat. lazer kaynaklı ablasyon desen ve lazer kaynaklı kimyasal olarak modifiye edilmiş bir yüzey gibi diğer lazer yazılabilir desenleri ile ızgara IP L değiştirilmesi LC hizada ve üretim zaman büyük azalma ile sonuçlanabilir. İkincisi, LCE daima cam yüzeye yapışmayı uğrar yumuşak bir konudur. mikroyapıları yüzeye sopa ışık kaynaklı deformasyon bastırıldı. Üçüncü olarak, yapı yüksekliği hücre kalınlığı ve objektif bir çalışma mesafesi ile sınırlıdır. Lazer yazı sisteminde, maksimum yükseklik yaklaşık 100 mm. Son zamanlarda geliştirilen 3D baskı teknikleri makroskobik ölçekte mezoskopik ışık çalıştırılan LCE yapısını oluşturmak için iyi bir aday olabilir. Bununla birlikte, polimerizasyon sırasındaki moleküler oryantasyon muhafaza olabilirendişe ana konu olarak.
bir diğer mevcut tekniklerle mümkün olmadığı, gerçekten mikro 3D serbest form aktüatörler elde etmek için izin verir, çünkü bu yöntem tektir. LCE mikroyapılar farklı moleküler yönelimleri ve işlevleri ile desenli olabilir. Daha fazla kimya mühendisliği ile bu tekniğin uygulanması, diğer uyarıcı kaynaklarına aktüatörler duyarlı hale sağlayacak ve verimli mikro robotlar ve yumuşak fotonik aygıtların geliştirilmesi için açılacaktır.
The authors have nothing to disclose.
Bu sonuçlara önde gelen araştırma Avrupa Birliği'nin Yedinci Çerçeve Programı (/ 2007-2013 FP7) kapsamında, Avrupa Araştırma Konseyi fon aldı / fotonik mikro robotik ve İİT TOHUM projesi Microswim gelen ERC hibe anlaşması n o [291349]. Biz de Ente Cassa di risparmio di Firenze destek için minnettarım. Biz geribildirim ve tartışmalar için LENS de Karmaşık Sistemler grubunun tüm Optics teşekkür ederim.
LC monomer | SYNTHON Chemicals GmbH & Co. KG | ST03866 | 78 mol % in the mixture |
LC crosslinker | SYNTHON Chemicals GmbH & Co. KG | ST03021 | 20 mol % in the mixture |
Azo dye | Synthesis referring to Ref.6 | 1 mol % in the mixture. Light sensitive component, can be excluded in the fabrication for heat driven actuators. | |
Initiator | Sigma | Irgacure 369 | 1-2 mol % in the mixture |
Spacer | Thermo scientific | Microsphere with diameter from 10 to 100 µm. | |
IP-L | Nanoscribe GmbH | ||
UV curing glue | IP-L with 1 wt% initiator (Irgacure 369) | ||
Microscope cover slide | MENZEL-GLÄSER | Diameter: 1 or 3 mm | |
Thickness: 0,16-0,19 mm | |||
UV LED lamp | Thorlabs | M385L2-C4 | |
532 nm laser | Shanghai Dream Lasers | SDL-532-500T | 500 mW laser |
Direct Laser Writing system | Nanoscribe GmbH | ||
Hot plate | Linkam Scientific Instruments Ltd. | PE120 | |
Microscope | Zeiss | Axio Observer A1 | |
Micro-manipulator | Narishige | MHW-3 |