المحركات الخفيفة ذات شكل حر - تصنيع ومراقبة يشتغل في مقياس المجهري
Summary
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.
Abstract
اللدائن البلورية السائلة (LCEs) هي مواد ذكية قادرة على عكسها تغير شكل استجابة للمؤثرات الخارجية، واجتذبت اهتمام الباحثين في العديد من المجالات. ركزت معظم الدراسات على هياكل LCE العيانية (أفلام، البروتين)، والتصغير من لا يزال في مراحله الأولى. وضعت مؤخرا تقنيات الطباعة، على سبيل المثال، تعرض قناع وصب طبق الأصل، يسمح فقط لإنشاء هياكل 2D على LCE الأغشية الرقيقة. الليزر الكتابة المباشرة (DLW) بفتح الوصول إلى تلفيق 3D حقا في نطاق والمجهرية. ومع ذلك، والسيطرة على طوبولوجيا يشتغل وديناميكية في نفس مقياس طول ما زال يمثل تحديا.
في هذا البحث يقدم تقريرا عن طريقة للسيطرة على الكريستال السائل (LC) محاذاة الجزيئية في المجهرية LCE من التعسفي شكل ثلاثي الأبعاد. وقد أصبح هذا ممكنا من خلال مزيج من كتابة الليزر مباشرة لكل من الهياكل LCE فضلا عن أنماط micrograting حملمحاذاة LC المحلية. استخدمت عدة أنواع من أنماط صريف لتقديم التحالفات LC مختلفة، والتي يمكن نمط لاحقا في الهياكل LCE. هذا البروتوكول يسمح احد للحصول على المجهرية LCE مع التحالفات المهندسة قادرة على أداء متعددة يشتغل البصريات الميكانيكية، بحيث تكون قادرة على وظائف متعددة. تطبيقات يمكن التنبؤ في مجال الضوئيات الانضباطي، الروبوتات الدقيقة والتكنولوجيا مختبر على رقاقة وغيرها.
Introduction
المشغلات والبنى المجهرية التي يمكن أن تنقل الطاقة الخارجية لتشغيل آلية أو نظام آخر. ويرجع ذلك إلى الحجم الصغير والقدرة على التحكم عن بعد، كانت قد استخدمت على نطاق واسع في مختبر على رقاقة أنظمة 1، الاستشعار الدقيقة 2، والروبوتات الدقيقة 3. المحركات المتاحة حتى الآن يمكن أن تؤدي إجراءات بسيطة فقط، مثل تورم / انهيار في مصفوفة هيدروجيل 4، تقلص / الانحناء 5 في اتجاه واحد مع حقل خارجي. على الرغم من أن التقنيات التي تم تطويرها مؤخرا مكنت لتصنيع الهياكل التي تحرك نطاق والمجهرية 6، فإنه لا يزال يشكل تحديا كبيرا للسيطرة على هذه اكتواتيونس في نفس مقياس طول. يقدم هذا البحث طريقة لإعداد 3D ضوء تفعيل المجهرية ذات خصائص يشتغل السيطرة عليها. وتستند هذه التقنية على الكتابة الليزر مباشرة (DLW)، ويتجلى ذلك في اللدائن البلورية السائلة (LCEs).
LCEs هي البرمجر البوليمرات تمشيط الملكية من المطاط الصناعي والتوجه البلورية السائلة. هذه المواد هي قادرة على تشويه كبير (20-400٪) تحت أنواع مختلفة من المحفزات الخارجية 7. وميزة استخدام LCEs عن المشغلات هي الراحة الهندسة أجل الجزيئي في الهياكل، والذي يسمح للسيطرة على يشتغل في نطاق والمجهرية 8. تم تجميعها أحادية LC مع شاردة أكريليت، تمكن من خطوة واحدة الصور البلمرة. هذه الخاصية يعطي الوصول إلى أنواع مختلفة من تقنيات الطباعة الحجرية لتصنيع المجهرية 3D. وترتبط نيتروجينية، صبغ بما أن صورة جزيئات تستجيب لشبكة البوليمر عملية المشارك البلمرة. هذه الجزيئات الجمع بين قدرة قوية استجابة ضوءها (المتحولة إلى المماكبة رابطة الدول المستقلة) مع التدفئة ضوء يسببها للنظام منح الضوء تسيطر عليها تشوه.
DLW هو أسلوب للحصول على الهياكل البوليمر في العتاد حساسالقاعدة الذي السيطرة المكانية من تركيز شعاع الليزر 9. DLW تمكن من خلق هياكل ذات شكل حر 3D في LCE دون أن تفقد محاذاة الجزيئية 6. وهناك العديد من المزايا من DLW في تصنيع المشغلات LCE. أولا، يمكن للقرار أن تصل إلى نطاق submicron، والهياكل و3D حقا 6. ذكرت سابقا أساليب التصنيع LCE الصغيرة، على سبيل المثال، تعرض ملثمين 10 و نسخة صب 11، شريطة قرار إلى حوالي 10 ميكرون وإلا يكون الهندسة 2D. ثانيا، DLW هو عملية تلفيق عدم الاتصال. ومذيب مناسب يمكن أن تتطور هياكل عالية الجودة الحفاظ على التكوين تصميم. طبق الاصل تقنية صب نادرا ما يعطي قرار ميكرون الفرعي 12 ونوعية الهيكلية من الصعب السيطرة عليها. ثالثا، تقدم كتابة ليزر خيارات متعددة لتوجيه LC المحلي على المستوى المجهري 8،13. ومن بين أنواع مختلفة من أساليب التوجه LC، فرك هو موسر سيلة فعالة لتوجيه جزيئات LC، واستخدمت على نطاق واسع في إعداد من LCE رقيقة. وقد تحقق ذلك عادة عن طريق فرك على طبقات البوليمر لتوليد microgrooves على الأسطح الداخلية للخلية مخترقة من قبل أحادية LC. ويرجع ذلك إلى تأثير رسو السطح، هذه microgrooves قادرة على توجيه جزيء LC على طول اتجاه الأخدود. DLW تمكن من تصنيع المباشر لتلك microgrooves على المنطقة المحددة في الاتجاه مصمم مسبقا مع أعلى بكثير من الدقة. كل هذه الميزات تجعل DLW الكمال، تقنية فريدة من نوعها لتصنيع ومراقبة يشتغل في نطاق والمجهرية.
وبناء على DLW، قد يكون نمط المجهرية LCE مع توجهات الجزيئية المختلفة. مع محاذاة المجمع ضمن هيكل LCE واحد، اكتواتيونس متعددة الوظائف تصبح ممكنة. ويمكن استخدام طريقة لتصنيع المشغلات LCE مع أي نوع من خليط LC مونومر. بمزيد من الهندسة الكيميائية، فمن الممكن لجعلالمحركات حساسة للمصادر التحفيز الأخرى، على سبيل المثال. والرطوبة أو الإضاءة في طول موجي مختلف.
Protocol
Representative Results
Discussion
تم دمج IP-L تقنية توجيه صريف الصغيرة مع DLW لتوجيه أحادية البلورية السائلة. ويمكن أيضا أن LCE الهياكل الدقيقة في وقت لاحق، وقد كتب ليزر يكون نمط مع محاذاة مصممة على النطاق الصغير. هذا الأسلوب يسمح لنا لخلق عناصر مجمع LCE التي يمكن أن تدعم وظائف متعددة. مع قدرة بارزة على خلق المجهرية 3D دقيقة والتحكم في التشغيل، فإننا نتوقع هذه التقنية لاستخدامها لخلق المطاط الصناعي القائم الروبوتات المجهرية 14، وتفتح مجموعة كبيرة من استراتيجيات جديدة لحصولهم الأجهزة الانضباطي الخفيفة 15.
هناك نوعان من الخطوات الحاسمة في إعداد. أول واحد هو أن النظارات اثنين من خلية وينبغي لاصق باحكام (الخطوة 1.4، 1.5). الغراء الأشعة فوق البنفسجية علاج يحافظ على الاستقرار في هندسة الخلايا خلال التنمية: سوف حركة كوب من الخلية فيما يتعلق الآخر يؤدي إلى أسوأ محاذاةوLCE. ثانيا، وسرعة الكتابة الليزر خلال LCE بنية الكتابة يجب أن تكون على أعلى مستوى ممكن في حين يتم اختيار الهدف 100X. ويرجع ذلك إلى تورم القوي للLCE أثناء عملية الكتابة ليزر، فإن هيكل متورم من الخروج من المكان المخصص، مما يؤثر على نوعية المحركات ملفقة.
في بعض الحالات، لوحظ ضوء الناجم عن التشوه في التدهور في البنى. هذا قد يكون عائدا لتبيض صبغ تحت كثافة عالية الإضاءة. مرة واحدة وقد تحولت جزيئات الصبغة حالا، يتصرف بنية LCE كوسيلة شفافة، ويتم قمع خفيفة امتصاص / الضوء الناجم عن التشوه. ومن شأن قوة الليزر أقل يكون أكثر أمانا ليشتغل من المجهرية LCE.
وهناك أيضا بعض مساوئ هذا الأسلوب. أولا، العملية كلها تستغرق وقتا طويلا نسبيا. من أجل الحفاظ على تكوين الخلايا، وعملية التنمية الأول IP-L (مصنوعة بغمر عصيدةويتم جنيه في حمام مذيب) في 2-proponal دون فتح الخلية. الساعة تطوير بالتالي يعتمد على حجم الخلية وسمك من هذه الفجوة، وعادة ما يستغرق 12 – 24 ساعة. استبدال-L IP صريف مع أنماط للكتابة الليزر الأخرى، مثل الليزر التي يسببها نمط الاجتثاث والليزر التي يسببها سطح معدلة كيميائيا، يمكن أن يؤدي إلى محاذاة LC وفي انخفاض كبير في ذلك الوقت تلفيق. ثانيا، LCE مسألة الناعمة التي تعاني دائما الالتصاق على الركيزة الزجاج. وقد تم قمعها الضوء الناجم عن تشوه عندما عصا المجهرية على سطح. ثالثا، ارتفاع الهيكل محدودة بسبب سمك الخلية والمسافة العمل الموضوعية. في نظام الكتابة بالليزر، أقصى ارتفاع حوالي 100 ميكرون. تقنيات الطباعة 3D وضعت مؤخرا قد يكون مرشحا جيدا لخلق ضوء دفعتها هيكل LCE من mesoscopic لتوسيع نطاق العيانية. ومع ذلك، والحفاظ على التوجه الجزيئية خلال البلمرة يمكنتكون القضية الرئيسية للقلق.
هذه التقنية هي فريدة من نوعها لأنه يسمح احد للحصول على 3D ذات شكل حر المحركات في الميكروسكيل حقا، وهو أمر غير ممكن مع غيرها من التقنيات الحالية. قد يكون نمط المجهرية LCE مع توجهات وظائف الجزيئية المختلفة. تنفيذ هذه التقنية من قبل المزيد من الهندسة الكيميائية، وسيمكن لجعل المحركات حساسة للمصادر التحفيز الأخرى، وسوف تفتح لتطوير microrobots كفاءة والأجهزة الضوئية لينة.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تلقت البحوث المؤدية إلى هذه النتائج بتمويل من مجلس البحوث الأوروبي في إطار البرنامج الإطاري السابع للاتحاد الأوروبي (FP7 / 2007-2013) / ERC اتفاقية منحة ن س [291349] على الروبوتات الصغيرة الضوئية ومن مشروع SEED IIT Microswim. ونحن نعترف أيضا الدعم من قبل التر كاسا دي Risparmio دي فلورنسا. نشكر بصريات كاملة من مجموعة النظم المعقدة في عدسة لردود الفعل والمناقشات.
Materials
| 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 |
References
- Tanaka, Y., et al. Biological cells on microchips: New technologies and applications. Biosens. Bioelectron. 23, 449-458 (2007).
- Hierold, C., Jungen, A., Stampfer, C., Helbling, T. Nano electromechanical sensors based on carbon nanotubes. Sensor. Actuator. A-Phys. 136 (1), 51-61 (2007).
- van Oosten, C. L., Bastiaansen, C. W. M., Broer, D. J. Printed artificial cilia from liquid-crystal network actuators modularly driven by light. Nat. Mater. 8, 677-682 (2009).
- Ulijn, R. V., et al. Bioresponsive hydrogels. Mater. today. 10 (4), 40-48 (2007).
- Roy, D., Cambre, J. N., Sumerlin, B. S. Future perspectives and recent advances in stimuli-responsive materials. Prog. Polym. Sci. 35 (1-2), 278-301 (2010).
- Zeng, H., et al. High-Resolution 3D Direct Laser Writing for Liquid-Crystalline Elastomer Microstructures. Adv.Mater. 26 (15), 2319-2322 (2014).
- Ohm, C., Brehmer, M., Zentel, R. Liquid Crystalline Elastomers as Actuators and Sensors. Adv. Mater. 22 (31), 3366-3387 (2010).
- Zeng, H., et al. Alignment engineering in liquid crystalline elastomers: Free-form microstructures with multiple functionalities. Appl. Phys. Lett. 106 (11), 111902 (2015).
- Malinauskas, M., Farsari, M., Piskarskas, A., Juodkazis, S. Ultrafast laser nanostructuring of photopolymers: A decade of advances. Phys. Rep. 533 (1), 1-31 (2013).
- Liu, D., Bastiaansen, C. W. M., den Toonder, J. M. J., Broer, D. J. Photo-switchable surface topologies in chiral nematic coatings. Angew. Chem. Int. Edit. 51 (4), 892-896 (2012).
- Yang, H., et al. Micron-sized main-chain liquid crystalline elastomer actuators with ultralarge amplitude contractions. J. Am. Chem. Soc. 131 (41), 15000-15004 (2009).
- Yan, Z., et al. Light-switchable behavior of a microarray of azobenzene liquid crystal polymer induced by photodeformation. Macromol. Rapid Commun. 33 (16), 1362-1367 (2012).
- Liao, Y., et al. Alignment of liquid crystal molecules in a micro-cell fabricated by femtosecond laser. Chem. Phys. Lett. 498, 188-191 (2010).
- Zeng, H., et al. Light-fueled microscopic walkers. Adv. Mater. 27, 3883-3887 (2015).
- Flatae, A. M., et al. Optically controlled elastic microcavities. Light: Science & Applications. 4, 282 (2015).
