JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
עברית

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engineering

מתנעים אור בצורה חופשית - ייצור ובקרה של Actuation ב בקנה מידה מיקרוסקופי

Published: May 25, 2016
doi:
10.3791/53744
, , , ,
1European Labratory for Non-Linear Spectroscopy,University of Florence, 2Institute of Experimental Physics, Faculty of Physics,University of Warsaw, 3CNR-INO, 4Chemistry Department,University of Florence

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

אלסטומרים גבישי נוזלי (LCEs) הם חכמים חומרים המסוגלים-שינוי צורה הפיכה בתגובה לגירויים חיצוניים, אשר משכו את תשומת לבם של חוקרים בתחומים רבים. רוב המחקרים התמקדו מבני LCE מקרוסקופית (סרטים, סיבים) ו המזעור שלהם הוא עדיין בחיתוליו. לאחרונה פיתחה טכניקות ליתוגרפיה, למשל., חשיפה מסכה העתק דפוס, רק לאפשר יצירת מבנים 2D על סרטים דקים LCE. בכתב לייזר ישיר (DLW) פותח גישה ייצור 3D באמת ב בקנה מידה מיקרוסקופי. עם זאת, שליטה על טופולוגיה actuation ודינמיקה באותו סולם אורך עדיין מהווה אתגר.

במאמר זה אנו מדווחים על שיטה לשלוט גביש הנוזלי (LC) יישור מולקולרי microstructures LCE של צורה תלת-ממדית שרירותית. דבר זה התאפשר על ידי שילוב של כתיבה לייזר ישיר לשני המבנים LCE וכן דפוסים micrograting התרמהיישור LC מקומי. ישנם מספר סוגים של תבניות צורמות שמשו להציג מערכי LC שונים, אשר יכול להיות בדוגמת מכן לתוך מבני LCE. פרוטוקול זה מאפשר לאדם כדי לקבל microstructures LCE עם מערכים מהונדסים מסוגלים לבצע actuation אופטו-מכנים מרובים, ובכך להיות מסוגלים פונקציות מרובות. פניות ניתן לחזות בתחומי פוטוניקס מתכונן,-רובוטיקה מיקרו, מעבדה-על-שבב טכנולוגיה ועוד.

Introduction

Microactuators הם מבנים מיקרוסקופיים שיכולים לשדר אנרגיה חיצוני להפעלת מנגנון או מערכת אחרת. בשל גודלו הקומפקטי ויכולת שליטה מרחוק, הם היו בשימוש נרחב במערכות מעבדה על שבב 1, מיקרו-חישה 2, ורובוטיקה מיקרו 3. המפעילים הזמינים עד כה יכולים לבצע פעולות פשוטות בלבד, כגון נפיחות / כווץ במטריצה ​​הידרוג'ל 4, התכווצות / כיפוף 5 בכיוון אחד עם השדה החיצוני. למרות טכניקות שפותחו לאחרונה אפשרו לפברק מבנים actuating בקנה מידה מיקרוסקופי 6, זה עדיין אתגר גדול לשלוט actuations אלה בהיקף באותו אורך. מאמר זה מדווח על שיטה להכין אור 3D להפעיל microstructures עם תכונות actuation לשליטה. הטכניקה מבוססת על כתיבת ליזר ישירה (DLW), וזה בא לידי ביטוי ב אלסטומרים גבישי נוזלי (LCEs).

LCEs הם sofפולימרי t סירוק רכושם של אלסטומר וכיוון גבישי נוזלי. חומרים אלו מסוגלים עיוות גדולה (20 – 400%) תחת סוגים שונים של גירויים חיצוניים 7. היתרון של שימוש LCEs עבור microactuators הוא הנוחות של הסדר המולקולרי הנדסה במבנים, אשר מאפשר שליטה על actuation ב בקנה מידה מיקרוסקופי 8. מונומרים LC מסונתזים עם מחצית acrylate, המאפשר פילמור-photo בשלב יחיד. מאפיין זה נותן גישה לסוגים שונים של טכניקות ליתוגרפיות עבור ייצור של microstructures 3D. אזו צבעים כמולקולות תגובת תמונה מקושרים לרשת הפולימר ידי תהליך שיתוף פילמור. מולקולות כאלה משלבות יכולת תגובת אור החזקה שלהם (טרנס isomerization cis) עם חימום מושרה לאור המערכת ונותן עיוות מבוקר אור.

DLW היא טכניקה כדי להשיג מבני פולימר בתוך materi רגישאל על ידי שליטה מרחבית של קרן לייזר ממוקדת 9. DLW מאפשר יצירת מבנים בצורה חופשית 3D ב LCE מבלי לאבד את היישור המולקולרי 6. ישנם מספר יתרונות של DLW בייצור של microactuators LCE. ראשית, ההחלטה יכולה להגיע סולם submicron, ואת המבנים הם באמת 3D 6. דיווח בעבר LCE שיטות ייצור מיקרו, למשל., חשיפה רעולי פנים 10 העתק קריצה 11, סיפק רזולוצייה עד כ -10 מיקרומטר ויש לי רק גיאומטריה 2D. שנית, DLW הוא תהליך ייצור ללא מגע. בממיס מתאים יכול לפתח מבנים באיכות גבוהה שמירה על תצורה תוכנן. טכניקת דפוס העתק כמעט ולא נותנת ברזולוצית משנת מיקרון 12 ואת האיכות המבנית קשה לשלוט. שלישית, בכתב ליזר מספק אפשרויות צדדיות להתמצאות LC מקומית בקנה המידה המיקרוסקופי 8,13. בין סוגים שונים של טכניקות אוריינטציה LC, שפשוף הוא most דרך יעילה להתמצא מולקולות LC ויש בו נעשה שימוש נרחב בהכנה של סרט דק LCE. זו הושגה בדרך כלל על ידי שפשוף על שכבות פולימר ליצור microgrooves על המשטחים הפנימיים של תא הסתנן מונומרים LC. בשל השפעת עיגון השטח, microgrooves כאלה מסוגלים להתמצא מולקולת LC לאורך כיוון החריץ. DLW מאפשרת ייצור הישיר של אלה microgrooves על האזור הנבחר בכיוון תוכנן מראש עם דיוק גבוה הרבה יותר. כל התכונות הללו להפוך DLW טכניקה מושלמת, ייחודית עבור ייצור ובקרת actuation ב בקנה מידה מיקרוסקופי.

בהתבסס על DLW, microstructures LCE ניתן בדוגמת עם אוריינטציות מולקולריים שונים. עם יישור המתחם בתוך מבנה LCE יחיד, actuations רב תכליתי להיות אפשרי. השיטה יכולה לשמש עבור ייצור של microactuators LCE עם כל סוג של תערובת מונומר LC. על ידי הנדסה כימית נוספת, אפשר להפוך אתומפעילים רגישים מקורות גירוי אחרים, למשל., לחות או תאורה באורך גל שונה.

Protocol

הערה: פרוטוקול זה מכיל שלושה שלבים: IP-L צורמת כהכנה אוריינטציה מולקולרית LC, DLW באפיון actuation LCE ואור. סכמטית של מערכת הכתב לייזר ישירה מוצג באיור 1, בעוד מערכת מיקרו-מניפולציה מוצג באיור 5. 1. IP-L פומפיה תבנית הכנה להוציא שקופית אחת מיקרוסקופ כיסוי (3 ס"מ קוטר), ולנקות אותו עם רקמות העדשה באמצעות אצטון. מקום קצת מפרידים (microspheres זכוכית) בעזרת טיפ מתכת ב -3 נקודות שונות של שקופיות הזכוכית במרחק של כ 0.5 סנטימטרים ממרכזו. מניחים עוד שקופיות מיקרוסקופ (1 ס"מ קוטר) על החלק העליון של מפרידי. השתמש טיפ ללחוץ בעדינות על גבי שקופית הזכוכית העליונה. מניח ירידה (כ 2 μl) של דבק ריפוי UV על שלוש נקודות שונות בהתאמה בגבול של הזכוכית העליונה. לפני הדבק חודר יותר מדי into הפער, להשתמש באור UV כדי לחזק את הדבק. התא נוצר עכשיו. מניחים ירידה (כ -10 μl) של שרף IP-L על הגבול של התא בעזרת פיפטה. מתן מספר דקות עד שהנוזלים הסתננו לתוך השטח של התא. להשתמש בדבק כדי לתקן את הסלולרי על בעל המדגם ולמקם אותו לתוך מערכת כתב ליזר הישירה. בחר מטרת 100x, ולמצוא את הממשק על פני השטח הפנימיים העליונים, ואחריו תיקון הטיה על המשטח הזה. כתוב המבנים של דפוסי צורמת IP-L נועד עם כוח לייזר ומהירות סריקה של 6 מילי-ואט ו -60 מיקרומטר / sec, בהתאמה. דפוסי הצורמת מבוצעים על ידי עקומת IP-L או קווים ישרים. חזור על שלבים 1.8 & 1.9 על המשטח הפנימי התחתון. קח את התא, לטבול המדגם באמבט 2-propanol מבלי לפתוח את התא, במשך 12 – 24 שעות. קח את התא מן הממס, ולייבש אותו על הצלחת החמה (50 מעלות צלזיוס) במשך 10 – 20 דקות. 2. ייצור מיקרו LCE מדוד ~ 300 תערובת מונומר מ"ג על כף המאזניים. ראה את ההרכב המולקולרי בטבלה 1. מכניסים את התערובת מוכנה בתוך בקבוק זכוכית, והניח אותו על סט צלחת חמה ב 70 – 80 מעלות צלזיוס. חכו עד שכל נמס אבקת, להוסיף בוחש מגנטי, ומערבבים את התערובת במשך שעה 1 (90 – 150 סל"ד). מניחים את התא על צלחת חמה ב 60 מעלות צלזיוס. מניח ירידה (כ -20 μl) של תערובת על קצה שקופיות הזכוכית הקטנות ולחכות עד שהנוזלים מחלחלים אל תוך התא. מעבירים את תא אל מיקרוסקופ אופטי עם מקטב חצה לבין בקר טמפרטורה. שמור הכל בחושך במהלך ההעברה, ולשים מסנן כתום לפני מנורת תאורה לסנן את UV. העלו את הטמפרטורה של התא מעל 60 מעלות צלזיוס באמצעות בקר טמפרטורה על המיקרוסקופ, ואז להקטין את הטמפרטורה (2 – 10 ° C לדקה), כדי למדוד את טווח הטמפרטורות עבור שלב LC. תערובת עם הרכב מולקולרי שונה יש טמפרטורת שלב LC שונה. שלב LC Nematic הומוגנית וניכר ידי התבוננות היפוך ניגודיות תמונה תוך כדי סיבוב המדגם כל 45 ° ביחס לצייר מקטב. תקן את התא על בעל מדגם, ולמקם אותו לתוך מערכת DLW, ולהגדיר את הטמפרטורה להגיע בשלב LC (נמדד צעד 2.7). מצא את הממשק על המשטח הפנימי התחתון ולבצע תיקון ההטיה באמצעות מטרת 100X, או מטרת 10X בלי למצוא את הממשק. כתוב מבני LCE ידי השימוש DLW עם כוח ליזר ומהירות סריקה של 4 מילים-ואט ו -60 מיקרומטר / sec בשקופית הזכוכית הנמוכה באמצעות מטרת 100x. אחרת, להשתמש עם כוח לייזר ומהירות סריקה של 14 mW ו -60 מיקרומטר / sec באמצעות מטרה 10X (מבנה LCE הוא מפוברק ברחבי עובי המדגם). קח את התא, ולהשתמש להבלפתוח את תא הסרת שקופיות הזכוכית העליונה. לטבול את המבנים באמבט טולואן למשך 5 דקות. קח את המדגם, ויבש באוויר במשך 10 דקות. אפיון 3. Actuation אור של Microstructures LCE הנח את הדוגמה מיקרוסקופ אופטי (20X) ולהתמקד קרן לייזר (CW, 532 ננומטר, 50 – 500 מגה וואט) על ידי מטרה 10X על מבנים. שימו עיוות האור הנגרמת על ידי מצלמת CMOS מיקרוסקופ אופטי (קצב הפריימים 25.8 fps). השתמש שליטה ידנית של מערכת מיקרו-מניפולציה (איור 5) לשים את קצה של כוס במיקום קרוב microstructures LCE. הפעילו את לייזר בהספק נמוך (~ 20 mW), כדי להעלות את הטמפרטורה של LCE (עקב ספיגת האור), ובכך לרכך את המבנה. השתמש קצה של כוס להרים מיקרו LCE אחד, והחזק אותו באוויר. תהליך זה נחוץ כדי למנוע את ההידבקות מ משטח זכוכית. חָבִית גְדוֹלָהדואר הלייזר אל הספק גבוה (> 100 mW), ולבחון את שלה מעוות מבנה LCE. רשום את עיוות אור מושרה עם מצלמת מיקרוסקופ.

Representative Results

איור 1 מציג את ההגדרה האופטית לכתיבת ליזר. המערכת כוללת של סיב לייזר 780 ננומטר שהניבו 130 הדופק fsec בשיעור החזרה של 100 מגה-הרץ. קרן הלייזר משתקפת לטלסקופ כדי להתאים את פרופיל קרן הצמצם המטרה מיקרוסקופ אופטי שבו היא ממוקדת לתוך המדגם. על המיקרוסקופ, בשלב piezo 3D מותקן עם מגוון נסיעה 300 × 300 × 300 מיקרומטר 3 לתרגום מדגם עם מהירות מקסימלית של 100 מיקרומטר / sec ברזולוציה 2 ננומטר. באופן ליניארי אור מקוטב ממנורת אדום מאיר מדגם מלמעלה, ואילו התמונה נאספה בתחתית ידי אותו אובייקטיבי שמשתקפת מפצל קרן לתוך מצלמת CCD. לפני המצלמה, מקטב אחר משמש להשגת תאורת צלב מקוטבת עבור ניגודיות משופרת. איור 2 מציג את ELEC הסריקה תמונות מיקרוסקופ טרון (SEM) של לייזר נכתב דפוסי micrograting IP-L (שלב 1). המרווח הגרוב הוא בטווח של 400 – 1,200 ננומטר, בעוד גובה החריצים (מלמעלה כלפי עמק) הוא סביב 700 ננומטר. דפוסי פומפייה עם נטיות שונות יכולים לגרום מערכי LC שונים, תלוי actuation הרצויה של אלמנט LCE. איור 3 מראה את הכיוון מונומר LC המושרה על ידי דפוסי IP-L צורמת (שלב 2.7). ראשית, ארבעה סוגים של דפוס צורם-מייקרו עם 100 × 100 מיקרומטר בגודל 2 כל היו מפוברקים משני צדי מתרס של תא זכוכית (סכמטי המוצג באיור 3 א). בשל עיגון השטח, המונומרים LC הסתננו כבר אורינטציה יחד עם כיוון קווים הצורמים, ובכך מפגינים היפוך לעומת 45 ° במיקרוסקופ האופטי המקוטב (POM) תמונה (איור 3 ב). <p class="jove_content" fo:keep-together.within-pגיל = "1"> איור 4 מראה את תמונות SEM של נקודת ננו LCE / קו המפוברק ברשתות צורמות IP-L עם כיוון שונה (שלב 2.10). בתוך הרשת הצורמת, מבני LCE להיות מצומצמים יותר, עם עמידות גבוהה בהרבה להתפתחות טולואן. רוחב מינימאלי של LCE המנותק כבר נמדד להיות ~ 300 ננומטר, אשר עולה בקנה אחד עם ההחלטה של ​​DLW ללא דפוס הצורם. גישה מעניינת נוספת ליישום פוטוניים יכול להיות מימוש של מבנה תקופתי בקנה מידה גדול. איור 4 (ג, ד) מראה 2D LCE מבנים מחזוריים בתוך רשת מיקרו-צורמת. המערכים נשמרים היטב בתוך ננו אלה, כפי שניתן לראות בתמונות POM המוכנסות של איור 4 (ג, ד). עם זאת, מושרה אור עיוות יכולה שלא להיות מושגים ננו אלה. הסיבה לכך היא כי בתוך סורג IP-L, אלמנטי ננו-LCE כבר מרותקים מאוד הידבקות מונעת כל עיוותים נראות לעין. </p> מערכת המניפולציה מיקרו מבוססת על מיקרוסקופ תוצרת בית שקף מוצגת באופן סכמטי באיור 5. מטרת 10X הוא קבועה על צינור עדשה מונח על קרש חיתוך אופטי עומד בהמאון. 730 ננומטר IR LED מקור אור משמש לתאורת דרך מפצל קרן שאינו מקוטב. בתמונה לידי נאספה על ידי אותה המטרה מוקרנת על המצלמה. ליזר רציף מוצק מדינת 532 ננומטר מצמיד אל המטרה על ידי הראה dichroic מסירה ארוכה (50% הולכת השתקפות ב 567 ננומטר) בזווית שכיחות של 45 מעלות. מד הכוח מודד את הקורה משודר לאחר המראה dichroic לגילוי בזמן אמת של כוח לייזר. נקודה לייזר ממוקדת רופף של ~ 150 מיקרומטר בקוטר מייצר עוצמת התאורה המקסימלית של ~ 10 W / 2 מ"מ. עוצמת הלייזר נשלטת על ידי מסנן צפיפות ניטרלי משתנה להציב מול הלייזר. מתחת המטרה, TR 3D הידניבשלב anslation משמש לתרגום מדגם. שלב א 'חימום המותקן על במת התרגום משמש לשליטה מדויקת של הטמפרטורה מדגם בטווח מ -20 עד 120 ° C עם 0.5 ° C דיוק. שני טיפי זכוכית רכובים על שני שלבי תרגום ידניים הונחו בצד השמאל ובצד ימין, ליד עמדת המדגם. מבנה מניפולציה מיקרו יכול להתממש על ידי הזזת טיפים בזהירות בעזרת בשלבים התרגום. כדי להדגים את יישור וקורלציה דפורמציה, שאנחנו ממציאים לעצמנו ארבעה מבנים גליליים LCE עם 60 מיקרומטר בקוטר 20 מיקרומטר גובה. צילינדרים אלה נכתבים על ארבעה שונים צורמי אזורי IP-L אורינטציה (1 מיקרומטר תקופה). תחת עירור אור, הצבעים בתוך LCE יספגו את האור ולהעביר אותו לתוך הרשת. מבני LCE הם מתחממים, ולאחר מכן לעבור שלב מעבר (Nematic כדי איזוטרופיים). המעבר לשלב כזה הוא גם עזרעל ידי טרנס isomerization cis של צבע באותם גירויים אור. לפיכך, חוזה המבנים לאורך מנהל יישור LC המקורי ולהרחיב בכיוון ניצב 7. בהתאם מערכים מקומיים שונים המושרה על ידי שבכות IP-L, מבנים אלה לעוות לאורך כיוונים שונים, כפי שמוצג באיור 6 (שלב 3.1). טכניקה זו מאפשרת יצירה ומפעילי מתחם, אשר מכילים יותר מסוג אחד של יישור במבנה אחד. פס LCE 400 × 40 × 20 מיקרומטר 3 גודל עם שני חלקי התבנית יישור היה מפוברק, כמו סכמטי שמוצג באיור 7 (א). אלה סעיפים יישור מכילים כל אוריינטציה 90 ° מעוות בכיוון אחר. המשטח עם חוזי יישור במקביל, בעוד אחד עם יישור בניצב מרחיבה תחת תאורת אור. המבנה כבר picked על ידי מערכת המיקרומניפולציה, וכלאו אותו באוויר על ידי קצה של כוס. כיפוף זוגי נצפה תחת תאורת אור (שלב 3.3). קרן לייזר מווסתת (באמצעות המסוק אופטי) יכול לגרום דפורמציות מחזורית. LCE יכול להגיב בעקבות אפנון תדר לייזר (> הרץ 1k). עם זאת, את המשרעת העיוות יורדת עם הגדלת תדר 14. איור 1: אופטי הגדרת עבור כתיבה לייזר לכוון אלומת לייזר 780 ננומטר (130 הדופק fsec, שיעור החזרה של 100 מגה-הרץ) מצמידים לתוך מיקרוסקופ וממוקד על ידי אובייקטיבי מיקרוסקופ אופטי לתוך המדגם.. שלב א 'פייזו 3D עם 300 × 300 × 300 מיקרומטר 3 טווח נסיעה משמש לתרגום המדגם במהלך חשיפת ליזר. אנא לחץ כאן כדי להציג לה גרסת rger של נתון זה. איור 2:. תמונות SEM של IP-L מיקרו-לגדרות א) מבנה קו מקביל חד-כיווני. ב) דפוס רדיאלי צורם. סרגל קנה מידה:. 10 מיקרומטר אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. איור 3:. IP-L מיקרו-צורמת להשרות כיווניות LC א) סכמטי של דפוסי מיקרו-צורמת המיועד האוריינטציה LC. ב) תמונה POM של האוריינטציה LC המושרה על ידי דפוסי micrograting. סרגל הסולם הוא 50 מיקרומטר. הצבע האדום הוא בשל מסנן המונע-פילמור התמונה.ge.jpg "target =" _ blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. איור 4:. תמונות SEM של ננו LCE מוטבע בתוך IP-L פומפיה רשתות א) ו- ב) שני דפוסים מיקרו-צורמת היו מפוברקות על ידי DLW לאורך כיוונים שונים, תוך nanodots LCE מיוצרים בתוך הרשת צורמת. ג) ו- ד) מבני ננו LCE התקופתי מוטבעים בתוך אותו הסוג של לגדרות IP-L. ריבועים הם תמונת POM של המבנים. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. איור 5:. סכמטי של תוכנית ההתקנה מיקרומניפולציה לייזר המדינה 532 ננומטר מוצק CW מצמידים לתוך תוצרת בית מערכת מיקרוסקופ. מטרת 10X משמשת הדמיה ומיקוד ליזר 532 ננומטר עירור. שני שלבי תרגום ידניים מצוידים מניפולטורים קצה של כוס משמשים מדגם מייקרו-מניפולציה. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. איור 6: אור Actuation של LCE מיקרו-צילינדרים על ארבעה אזורים שונים IP-L Micrograting עם נטיות שונות א) ארבעה מבנים גליליים LCE עם 60 מיקרומטר בקוטר 20 מיקרומטר גובה, שנכתב על ארבע חוקיים שונה אזורים מיקרו-צורמת.. ב) בלוני LCE לעוות לאורך צירים שונים (תלוי המערכים מושרים הצורמים) כאשר הם נחשפים לקרינת ליזר 532 ננומטר (10 W מ"מ -2). סרגל קנה מידה: 100 מיקרומטר.les / ftp_upload / 53,744 / 53744fig6large.jpg "target =" _ blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. איור 7: אור מונחה דפורמציה של Microstructures LCE עם יישור מולקולרי מרובה א) סכמטי של שני חלקים מול 90 ° מערכים מעווים פס LCE יחיד.. ב) ו- C) תמונות אופטיות של 400 מיקרומטר פס LCE ארוך כיפוף בכיוונים מנוגדים תחת תאורת ליזר 532 ננומטר (מ"מ W 3 -2) 8. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

Discussion

הטכניקה מיקרו-צורמת אוריינטציה IP-L כבר משולב עם DLW להתמצא מונומרים גבישי נוזלי. The-מבנים מיקרו LCE לייזר כתוב בהמשך יכול להיות גם בדוגמת עם יישור מעוצב סולם מיקרו. טכניקה זו מאפשרת לנו ליצור אלמנטים LCE המתחם אשר יכול לתמוך פונקציות מרובות. עם יכולת יוצאת דופן ליצור microstructures 3D מדויק שליטת actuation, אנו מצפים בטכניקה זו כדי לשמש ביצירת רובוטים מיקרוסקופים מבוסס אלסטומר 14, ולפתוח שפע של אסטרטגיות חדשות עבור הקניית התקנים מתכוננים אור 15.

ישנם שני שלבים קריטיים בהכנה. הראשון הוא ששתי כוסות התא צריך להיות דבוק בחוזקה (שלב 1.4, 1.5). דבק ריפוי UV שומר על היציבות של גיאומטרית התא במהלך הפיתוח: התנועה של כוס של התא בגין לקצה השני תגרום יישור גרועLCE. שנית, את מהירות כתיבת הליזר במהלך כתיבת מבנה LCE צריכה להיות גבוהה ככל האפשר, תוך מטרת 100x נבחרה. בשל הנפיחות החזקה של LCE במהלך תהליך כתיבת הליזר, המבנה הנפוח יזוז את המיקום המתוכנן, ובכך להשפיע על האיכות והמפעילים המפוברקים.

במקרים מסוימים, deformability מושרה האור הוא ציין להתדרדר במבנים. זה יכול להיות בשל הלבנת לצבוע תחת עוצמת תאורה גבוהה. לאחר מולקולות הצבע כובו, מבנה LCE מתנהג כמדיום שקוף, ואת העיוות הקליטה / אור אור מושרה מודחק. כוח לייזר נמוך יהיה בטוח יותר עבור actuation של microstructures LCE.

ישנם גם כמה חסרונות של שיטה זו. ראשית, את כל התהליך לוקח זמן רב יחסית. על מנת לשמור את תצורת התא, תהליך פיתוח IP-L הראשון (שנעשתה על ידי טבילת sample באמבט ממס) מתבצע 2-proponal מבלי לפתוח את התא. שעת הפיתוח ובכך תלוי בגודל התא ואת העובי של הפער, ובדרך כלל לוקחת 12 – 24 שעות. ההחלפה-L IP צורם עם דפוסים לכתיבת ליזר אחרים, כגון דפוס ליזר אבלציה מושרה ליזר מושרה משטח שינוי כימי, עלול לגרום יישור LC ו לירידה גדולה של זמן הייצור. שנית, LCE היא עניין רך אשר תמיד סובל הדבקה על מצע זכוכית. עיוות אור מושרה דוכאה כאשר microstructures מקל על פני השטח. שלישית, בעיצומה של המבנה הוא מוגבל על ידי העובי של התא ואת מרחק העבודה האובייקטיבי. במערכת בכתב לייזר, הגובה המקסימלי הוא כ -100 מיקרומטר. לאחרונה טכניקות הדפסת 3D שפותחו יכולות להיות מועמד טוב ליצירת מבנה LCE ומונע אור מכדור mesoscopic בקנה מידה מאקרוסקופי. עם זאת, שמירה על הכיוון המולקולרי במהלך פילמור יכולהלהיות הנושא של הדאגה העיקרית.

טכניקה זו היא ייחודית משום מאפשר לאדם להשיג 3D ומפעיל בצורה חופשית על microscale באמת, דבר שאינו אפשרי עם טכניקות קיימות אחרות. microstructures LCE ניתן בדוגמת עם אוריינטציות ופונקציונליות מולקולריים שונים. יישום טכניקה כזו על ידי הנדסה כימית נוספת, יאפשר להפוך את והמפעילים רגישים מקורות גירוי אחרים ויפתח עד לפתח microrobots יעיל והתקנים פוטוניים רכים.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

המחקר שהוביל את התוצאות הללו קיבלה מימון מהמועצה האירופית למחקר מטעם תכנית המסגרת השביעית של האיחוד האירופי (FP7 / 2007-2013) / o n הסכם מענק ERC [291,349] על רובוטיקה מיקרו פוטוניים מפרויקט SEED IIT Microswim. אנחנו גם מכירים תמיכה על ידי Ente קסה די Risparmio די פירנצה. אנו מודים אופטיקה כולו של קבוצת מערכות מורכבת ב- LENS משוב ודיונים.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Tanaka, Y., et al. Biological cells on microchips: New technologies and applications. Biosens. Bioelectron. 23, 449-458 (2007).
  2. Hierold, C., Jungen, A., Stampfer, C., Helbling, T. Nano electromechanical sensors based on carbon nanotubes. Sensor. Actuator. A-Phys. 136 (1), 51-61 (2007).
  3. 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).
  4. Ulijn, R. V., et al. Bioresponsive hydrogels. Mater. today. 10 (4), 40-48 (2007).
  5. 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).
  6. Zeng, H., et al. High-Resolution 3D Direct Laser Writing for Liquid-Crystalline Elastomer Microstructures. Adv.Mater. 26 (15), 2319-2322 (2014).
  7. Ohm, C., Brehmer, M., Zentel, R. Liquid Crystalline Elastomers as Actuators and Sensors. Adv. Mater. 22 (31), 3366-3387 (2010).
  8. Zeng, H., et al. Alignment engineering in liquid crystalline elastomers: Free-form microstructures with multiple functionalities. Appl. Phys. Lett. 106 (11), 111902 (2015).
  9. Malinauskas, M., Farsari, M., Piskarskas, A., Juodkazis, S. Ultrafast laser nanostructuring of photopolymers: A decade of advances. Phys. Rep. 533 (1), 1-31 (2013).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Liao, Y., et al. Alignment of liquid crystal molecules in a micro-cell fabricated by femtosecond laser. Chem. Phys. Lett. 498, 188-191 (2010).
  14. Zeng, H., et al. Light-fueled microscopic walkers. Adv. Mater. 27, 3883-3887 (2015).
  15. Flatae, A. M., et al. Optically controlled elastic microcavities. Light: Science & Applications. 4, 282 (2015).

Tags

MicrobioticsMicrofluidicsMicrostructuresActuationMolecular OrientationPhotonic DevicesStimuli-responsive MaterialsDirect Laser WritingIPL ResinGrading PatternsIsopropanol BathMonomer Mixture

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Zeng, H., Wasylczyk, P., Parmeggiani, C., Martella, D., Wiersma, D. S. Free-form Light Actuators — Fabrication and Control of Actuation in Microscopic Scale. J. Vis. Exp. (111), e53744, doi:10.3791/53744 (2016).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image