إعداد شبكات البلورات السائلة للحركة متذبذبة العيانية الناجم عن الضوء
Summary
وهدف البروتوكول هو إنشاء أفلام البوليمر البلورية السائلة التي يمكن أن يتذبذب ميكانيكيا تحت إشعاع الضوء المستمر. يصف لنا بقدر كبير من التفصيل مفهوم الأفلام ذاتها، من الأسلوب الكريستال السائل المحاذاة للصور-يشتغل. البروتوكول التجريبي المطبق لإعداد هذه المواد قابل للتطبيق على نطاق واسع.
Abstract
ويرد وصف استراتيجية تقوم على أساس الشبكات البلورية السائلة مخدر لخلق ذبذبات الميكانيكية مكتفية ذاتيا من الأفلام البلاستيكية تحت إشعاع الضوء المستمر. الصور–إثارة دوبانتس التي يمكن أن تتبدد بسرعة الضوء في الحرارة، مقترنة بالتمدد الحراري متباين والتظليل الذاتي للفيلم، ويؤدي إلى تشوه مكتفية ذاتيا. الذبذبات ولاحظ تتأثر بالأبعاد والمعامل للفيلم، واتجاه وكثافة الضوء. يوفر نظام تطوير التطبيقات في تحويل الطاقة والحصاد لينة–الروبوتات والنظم الآلية.
الطريقة العامة الموضحة هنا يتكون من إنشاء أفلام البلورية السائلة بذاتها ووصف التأثيرات الميكانيكية والحرارية التي لوحظت. ويتحقق في محاذاة الجزيئية استخدام محاذاة الطبقات (يفرك بوليميد)، يشيع استخدامها في عرض الصناعة التحويلية. للحصول على المحركات مع تشوه كبير، ميسوجينس الانحياز وبلمره في معالجته/بيند تكوين، أيمع مدير البلورات السائلة (LCs) الانتقال تدريجيا من مستو إلى هوميوتروبيك عن طريق سمك الفيلم. عند التشعيع، يتم رصد الذبذبات الميكانيكية والحرارية التي تم الحصول عليها مع كاميرا عالية السرعة. كذلك تحدد كمياً النتائج بتحليل الصور باستخدام برنامج معالجة صور.
Introduction
السعي نحو الطاقة المستدامة مجالاً لتزايد الاهتمام بالاستجابة إلى نضوب الطاقة الأحفورية، وتغير المناخ. تجري حاليا تحقيقات أساليب تحويل الطاقة الضوئية إلى الأعمال الميكانيكية، مثل وحدات الطاقة الشمسية لتوليد الكهرباء، والكتلة الحيوية لإنتاج الوقود، تقسيم لإنتاج الأوكسجين والهيدروجين الماء بالطاقة الشمسية. ومع ذلك، تتطلب جميع هذه العمليات التي تغذيها الضوء متعددة الخطوات قبل إنتاجها من الطاقة يمكن تشغيل الأجهزة التي تقوم بعمل. ورغم أن هذه النهج فريق كبير من التطبيقات، أنها تتطلب إنتاج وتخزين ونقل المواد الوسيطة (مثلاً، الوقود الكهربائية المحتملة، والمواد الكيميائية). ومن ثم، يقدم أجهزة قادرة على تحويل أشعة الشمس مباشرة إلى الحركة العيانية مزايا التبسيط.
في العقود الأخيرة، وضعت العديد من الأمثلة للصور-المحركات حيث البوليمرات تغيير الشكل عند تشعيع1،،من23. ومع ذلك، يتطلب يشتغل المستمر في الغالبية العظمى من هذه الأمثلة، تحول الضوء على/قبالة التحول من دولة إلى أخرى. حتى الآن، سوى عدد محدود من المواد المراعية لصور العامل الخروج من التوازن قد وصف4،5،،من67. النظم القائمة على الكريستال السائل الشبكات (لكنس)8،،من910،11،،من1213 أيضا التحقيق بسبب ما مضمن تباين تسمح بريبروجرامينج التشوه في أزياء التي تسيطر عليها14. في الآونة الأخيرة، أفيد بأن تأثير الصورة الحرارية الناجمة عن الإثارة من صور-مثبتات تضمنته لكن يمكن أن تولد الحركة متذبذبة15.
هنا، يتم وصف طريقة لإنشاء أفلام لكن أن يتذبذب ميكانيكيا تحت إشعاع الضوء المستمر. تصور هذه الأفلام هو مفصل من إعداد الخلايا للتوصيف والبلمره من الخلائط LC. وأفيد أيضا الصور-يشتغل الأفلام لكن والتحليل للحركة. هي يخدر لكنس مع الجزيئات التي يمكن أن تتبدد بسرعة الضوء في الحرارة داخل الشبكة، والذي يدفع متباين من التمدد الحراري وتشوه العيانية اللاحقة للفيلم. تفاعل بين التظليل الذاتي وتباين درجات الحرارة والانكماش/استطالة المواد تثير الحركة متذبذبة15. يتم تمييز الإعداد الدقيقة، بما في ذلك اتجاه الضوء والعينة للحصول على هذا التأثير في البروتوكول. اتسمت التردد ويسيطر عليها خصائص لكن بالتذبذب. على حد علمنا، هذا هو أول وصف لطريقة لإنشاء الأفلام لكن التي يمكن أن يتذبذب الذاتي، حسب إليه بسيطة للعمل مع مجموعة واسعة من دوبانتس.
Protocol
Representative Results
Discussion
النتائج الواردة هنا قابلة للمقارنة مع الدراسة السابقة15 في دياكريلاتي LC مع فاصل الكربونات 6. ويبين أنه يمكن تطبيق أسلوب الحصول على التذبذب للأفلام مع الخصائص الميكانيكية المختلفة16.
وتفيد التقارير إعداد لكن تستجيب الصورة الحرارية. وهناك بضع خطوات في البروتوكول وصف ذات الأهمية الحاسمة، مثل فرك الطبقات المستوية المحاذاة وإعداد الخلية. والواقع أن نجاح البروتوكول يعتمد على الجودة العالية لمحاذاة سبلاي LC، الذي يحد أيضا من تطبيق للأغشية الرقيقة.
سابقا، كانت العديد من الأمثلة للصور-المشغلات استناداً إلى لكنس التي تحتوي على كمية كبيرة من الصور-رموز التبديل عنها11،،من1213،19. المزايا الرئيسية للأسلوب الذي وضعت هنا هي كمية محدودة من دوبانتس اللازمة لمراعاة يشتغل (< 5 wt %)، وخيار واسع من دوبانتس المتوفرة. 15 هذه النتائج توسيع نطاق التطبيقات المحتملة. وعلاوة على ذلك، أن السلطة من هذا البروتوكول هو القدرة على تختلف في التردد والسعة التذبذب بتغيير معامل التحويل الفيلم مع تكوين مصفوفة مختلفة، وأبعاد الشريط وشدة الضوء.
ويمكن تمديد هذه المنهجية سهولة اختﻻق مواد مجموعة واسعة من LC للنظم الآلية. البروتوكول الموضحة هنا يمهد الطريق لتطوير أنظمة غير متوازنة لمواد لينة–الروبوتات والآلي.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
هذا العمل كان دعم مالي من “منظمة هولندا” “البحث العلمي” (جمعية البحث العلمي الهولندية-منحة “أعلى البونت”: 10018944)، و “مجلس البحوث الأوروبي” (يهتز منسق الإغاثة الطارئة، ومنحة 669991). زاي حاء ألف تعترف بتمويل من “البرنامج الناس” (ماري كوري إجراءات) من السابعة إطار برنامج FP7-2013 الاتحاد الأوروبي، المنحة رقم 607602.
Materials
| 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 |
References
- Ionov, L. Polymeric Actuators. Langmuir. 31 (18), 5015-5024 (2015).
- Hu, Y., Li, Z., Lan, T., Chen, W. Photoactuators for Direct Optical-to-Mechanical Energy Conversion: From Nanocomponent Assembly to Macroscopic Deformation. Adv Mater. 28 (47), 10548-10556 (2016).
- Ikeda, T., Mamiya, J., Yu, Y. Photomechanics of Liquid-Crystalline Elastomers and Other Polymers. Angew Chem Int Ed. 46 (4), 506-528 (2007).
- Arazoe, H., et al. An autonomous actuator driven by fluctuations in ambient humidity. Nat Mater. 15 (10), 1084-1089 (2016).
- Ikegami, T., Kageyama, Y., Obara, K., Takeda, S. Dissipative and autonomous square-wave self-oscillation of a macroscopic hybrid self-assembly under continuous light irradiation. Angew Chem Int Ed. 55 (29), 8239-8243 (2016).
- Uchida, E., Azumi, R., Norikane, Y. Light-induced crawling of crystals on a glass surface. Nat Commun. 6, 7310 (2015).
- Panda, M. K., Runčevski, T., Husain, A., Dinnebier, R. E., Naumov, P. Perpetually Self-Propelling Chiral Single Crystals. J Am Chem Soc. 137 (5), 1895-1902 (2015).
- Kumar, K., et al. A chaotic self-oscillating sunlight-driven polymer actuator. Nat. Commun. 7, 11975 (2016).
- Camacho-Lopez, M., Finkelmann, H., Palffy-Muhoray, P., Shelley, M. Fast liquid-crystal elastomer swims into the dark. Nat Mater. 3 (5), 307-310 (2004).
- Kausar, A., Nagano, H., Ogata, T., Nonaka, T., Kurihara, S. Photocontrolled translational motion of a microscale solid object on azobenzene-doped liquid-crystalline films. Angew Chem Int Ed. 48 (12), 2144-2147 (2009).
- Yamada, M., et al. Photomobile Polymer Materials: Towards Light-Driven Plastic Motors. Angew Chem Int Ed. 47 (27), 4986-4988 (2008).
- White, T. J., et al. A high frequency photodriven polymer oscillator. Soft Matter. 4 (9), 1796 (2008).
- Lee, K. M., et al. Photodriven, flexural-torsional oscillation of glassy azobenzene liquid crystal polymer networks. Adv Func Mater. 21 (15), 2913-2918 (2011).
- Liu, D., Broer, D. J. Liquid crystal polymer networks: preparation, properties, and applications of films with patterned molecular alignment. Langmuir. 30 (45), 13499-13509 (2014).
- Gelebart, A. H., Vantomme, G., Meijer, E. W., Broer, D. J. Mastering the Photothermal Effect in Liquid Crystal Networks: A General Approach for Self-Sustained Mechanical Oscillators. Adv Mater. 29 (18), (2017).
- Broer, D. J., Mol, G. N. Anisotropic thermal expansion of densely cross-linked oriented polymer networks. Polym Eng Sci. 31 (9), 625-631 (1991).
- Mol, G. N., Harris, K. D., Bastiaansen, C. W. M., Broer, D. J. Thermo-Mechanical Responses of Liquid-Crystal Networks with a Splayed Molecular Organization. Adv Funct Mater. 15 (7), 1155-1159 (2005).
- van Oosten, C. L., Harris, K. D., Bastiaansen, C. W. M., Broer, D. J. Glassy photomechanical liquid-crystal network actuators for microscale devices. Eur Phys J E Soft Matter. 23 (3), 329-336 (2007).
- Yu, Y., Nakano, M., Ikeda, T. Photomechanics: Directed bending of a polymer film by light. Nature. 425 (6954), 145 (2003).
