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

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

Voorbereiding van vloeibare kristallen netwerken macroscopische oscillerende beweging door licht geïnduceerde

Published: September 20, 2017
doi:
10.3791/56266
, , ,
1Institute for Complex Molecular Systems (ICMS),Technical University of Eindhoven, 2Department of Chemical Engineering and Chemistry, Laboratory of Macromolecular and Organic Chemistry,Technical University of Eindhoven, 3Department of Chemical Engineering and Chemistry, Laboratory for Functional Organic Materials and Devices (SFD),Technical University of Eindhoven

Summary

Het doel van het protocol is het creëren van vloeibaar kristallijne polymeerlagen die mechanisch onder continu licht bestraling oscilleren kunnen. We beschrijven zeer gedetailleerd de Ontvangenis van vrijstaande films, van de vloeibare kristallen uitlijning methode om de foto-bediening. Het experimentele protocol toegepast ter voorbereiding van dit materiaal is breed toepasbare.

Abstract

Een strategie gebaseerd op gedoopt vloeibaar kristallijne netwerken wordt beschreven om het maken van mechanische zichzelf onderhoudende oscillaties van plastic films onder continu licht bestraling. De foto-excitatie van de dopants die snel van licht in warmte verdrijven kunnen, in combinatie met anisotrope thermische uitzetting en zelf schaduwen van de film, geeft aanleiding tot de zichzelf onderhoudende vervorming. De oscillaties waargenomen worden beïnvloed door de afmetingen en de absolute waarde van de film, en door de directionaliteit en de intensiteit van het licht. Het ontwikkelde systeem biedt toepassingen in energieconversie en oogsten voor soft-robotics en geautomatiseerde systemen.

De hier beschreven algemene methode bestaat uit vrijstaande vloeibaar kristallijne films maken en karakteriseren de mechanische en thermische effecten waargenomen. De moleculaire uitlijning wordt gerealiseerd via aanpassing lagen (wreef polyimide), vaak gebruikt in het display industrie. Voor het verkrijgen van aandrijvingen met grote vervorming, zijn de mesogens uitgelijnd en polymeervorm in een configuratie met splay/bend, dat wil zeggen, met de directeur van de vloeibare kristallen (LCs) gaat geleidelijk van vlakke homeotropic via de laagdikte. Na bestraling, worden de mechanische en thermische oscillaties verkregen gecontroleerd met een high-speed camera. De resultaten zijn verder gekwantificeerd door beeldanalyse met behulp van een programma voor beeldverwerking.

Introduction

De zoektocht naar duurzame energie is een ruimte van toenemende belangstelling in reactie op de uitputting van de fossiele energie en klimaatverandering. Methoden om licht energie omzetten in mechanische werkzaamheden worden momenteel onderzocht, zoals fotovoltaïsche elektriciteit op te wekken, biomassa voor de productie van brandstoffen, zonneboiler voor de productie van zuurstof en waterstof te splitsen. Al deze processen gevoed door licht echter meerdere stappen voordat hun energieproductie kunt uitvoeren machines die het werk uitvoeren. Hoewel deze benaderingen een grote panel van toepassingen bieden, vereisen zij productie, opslag en transport van tussenproducten (bv, elektrische potentiële, chemische brandstoffen). Apparaten kunnen rechtstreeks zonlicht omzetten in macroscopische beweging presenteren dus voordelen van vereenvoudiging.

In de afgelopen decennia zijn veel voorbeelden van foto-actuatoren ontwikkeld waar polymeren vorm bij bestraling1,2,3wijzigen. In de overgrote meerderheid van deze voorbeelden vereist continue aandrijving echter draaien het licht aan/uit te schakelen van de ene staat naar de andere. Tot nu toe is slechts een beperkt aantal foto-responsieve materialen werken uit-van-evenwicht beschreven4,5,6,7. Systemen op basis van vloeibare kristallen networks (LCNs)8,9,10,11,12,13 worden ook onderzocht vanwege hun intrinsieke anisotropie waarmee de preprogramming van de vervorming in een gecontroleerde wijze14. Onlangs werd gemeld dat het effect van de foto-thermische geïnduceerd door excitatie van foto-stabilisatoren opgenomen in LCN oscillerende beweging15kan genereren.

Hier, wordt de methode maken LCN films die mechanisch onder continu licht bestraling oscilleren beschreven. Het concept van de films is gedetailleerd van de voorbereiding van de cellen de karakterisering en de polymerisatie van de LC-mengsels. De foto-bediening van de LCN-films en de analyse van de motie zijn ook gemeld. De LCNs zijn doped met moleculen die snel kunnen verdrijven van licht in warmte binnen het netwerk, dat anisotrope thermische uitzetting en latere macroscopische vervorming van de film induceert. Een samenspel tussen zelf schaduwen, temperatuurschommelingen en krimp/uitzetting van het materiaal geeft aanleiding tot de oscillerende beweging15. De precieze setup, met inbegrip van de richting van het licht en het monster om dit effect te krijgen wordt gemarkeerd in het protocol. De trilling wordt gekenmerkt door de frequentie en gecontroleerd door de eigenschappen van de LCN. Om onze kennis is dit de eerste beschrijving van een methode voor het creëren van de LCN films die zelf schommelen kan, door een eenvoudig mechanisme werken met een breed scala aan dopants.

Protocol

Opmerking: de totale procedure is beschreven in Figuur 1. 1. voorbereiding van cellen reiniging van glazen platen voorzichtig schoon glasplaten van 3 x 3 cm met zeep en warm water te verwijderen van verontreinigingen ( figuur 1A). Plaats van de glasplaten in een bekerglas en dek met ethanol 99,5% ( figuur 1B). Plaats het bekerglas in het ultrasoonbad voor ongeveer 10 min. Zorgvuldig drogen de glasplaten met een weefsel en geblazen lucht. Zorg ervoor dat er geen spoor van oplosmiddelen, stof is, of elk type verontreiniging op de platen liet. Opmerking: De glazen platen zijn nu schoon en moet worden gemanipuleerd met handschoenen. De glazen platen in een UV-ozon photoreactor voor 20 min plaatsen om te verwijderen van een organische reststoffen. Na de ozon behandeling, de platen zijn klaar voor de stap van de coating ( Figuur 1 c). Coating van glasplaten Opmerking: twee sets van gecoate platen worden voorbereid: één set met een vlakke uitlijning laag en de andere met de uitlijning van een homeotropic. In een later stadium zal de cel bestaan uit een vlakke glasplaat en een homeotropic glasplaat ( Figuur 1 d). Lucht blazen een glazen plaat en plaats deze op de spin-coater. Storten de polyimide oplossing op de glasplaat ter dekking van het gehele oppervlak (ongeveer 0,5 mL van oplossing). Spin jas de uitlijning laag volgens de volgende voorwaarden: Program 1: 5 s bij 17 x g en versnelling van 11 x g/s; Program 2:40 s bij 420 x g en versnelling van 17 x g/s. Curing uitlijning lagen plaats van de gecoate glazen platen op een hete plaat bij 110 ° C gedurende 10 minuten om het verwijderen van de meerderheid van het oplosmiddel aanwezig in het mengsel laag uitlijning ( figuur 1E). Markeren de glasplaten (aan de kant van de niet-gecoate) met onderscheidende tekens te herkennen van de homeotropic en de vlakke uitlijning lagen. Een kleine pijl is het meestal handig voor de vlakke glasplaat, aangezien het geeft ook de richting van de wrijving die worden beschreven in een later stadium ( figuur 1F). Zodra de glasplaten zijn bedekt, en het oplosmiddel wordt verwijderd, plaatst u de glazen platen in een oven op 180 ° C gedurende 1 uur om te genezen van de polyimide laag ( figuur 1G). Let op: Deze stap gaat extreem hete temperaturen; Draag handschoenen, brillen en passende persoonlijke beschermingsmiddelen. Na het bakken de glasplaten, laat ze afkoelen tot kamertemperatuur. Opmerking: Om te voorkomen dat elke besmetting tussen elke stap, het is aanbevolen om de plaats van een beschermende folie over de glasplaten. Wrijven van de laag-vlakke uitlijning de glazen platen bedekt met de vlakke uitlijning laag om (sub) microchannels in de laag die de LC in één richting begeleiden zal wrijven. Om dit te doen, plaatst u de glazen platen met de gecoate zijde naar beneden op een doek van fluweel. Toepassing van een uniform en zachte druk met twee vingers. Sleep zorgvuldig de glasplaat langs het oppervlak van de velvet doek in een rechte richting. Til de glasplaat en herhaal dezelfde drie keer ( Figuur 1 H). Opmerking: Het is van cruciaal belang te wrijven de plaat in één richting en alleen terwijl gaan vooruit. Heen en weer in een rechte richting zal resulteren in een slechte uitlijning. Lijmen de cellen lucht blazen de glasplaten met behulp van de lucht blower. Bereid de lijm door het mengen van een UV-uithardende lijm spacers (glasparels) met een welomschreven diameter van 20 µm. Nemen een glasplaat die bedekt met een laag vlakke uitlijning en een glasplaat die bedekt met een laag homeotropic uitlijning. Plaats twee kleine druppels lijm op twee aangrenzende hoeken van de vlakke glazen. Plaats dan twee andere druppels lijm op ongeveer 5 mm uit de twee laatste hoeken ( figuur 1I). Nemen de homeotropic glazen plaat en plaats het op bovenkant. Laat een kloof van ongeveer 4 mm tussen de randen van de glazen platen te voorzien van voldoende ruimte voor de LC-mengsel. Ervoor te zorgen dat de beklede zijkanten zijn tegenover elkaar. De lijm genezen door het plaatsen van de cel voor 2 min onder UV-licht. Let op: UV-licht is gevaarlijk; Draag handschoenen, brillen en passende persoonlijke beschermingsmiddelen. 2. LC mengsel voorbereiding en karakterisering van onderdelen weeg 97.5 mg van de LC-diacrylate 1, 2,5 mg van foto-stabilisator en 1 mg photoinitiator in een bruin glazen flesje ( Figuur 2). Vanwege de gevoeligheid van de initiatiefnemer, het voorkomen van blootstelling aan UV licht aan het mengsel zo goed mogelijk. Homogeen mengen van de poeders Opmerking: deze stap wordt uitgevoerd in een chemische kap. 3 mL dichloormethaan (DCM) toevoegen aan de bovenstaande onderdelen en schud totdat de solid is volledig opgelost. Plaats van de flacon op een hete plaat bij 30 ° C gedurende 30 minuten en voeg een stroom van argon ter bevordering van de snelle verdamping van de DCM. Opmerking: Het wordt aanbevolen om de flacon in vacuüm te verwijderen van de resterende sporen van DCM. Observatie onder gepolariseerd optische Microscoop (POM) voor fase overgang bepaling zodra het mengsel volledig droog is, plaats een kleine hoeveelheid (± 10 mg) tussen twee glasplaten bekleed met de vlakke uitlijning laag. Opmerking: Om te karakteriseren de fasen goed, het is aanbevolen om gebruik unrubbed vlakke glazen platen. Plaatst u de dia’s in een POM uitgerust met een warme fase. Opwarmen van de cel totdat het beeld zwart wordt (met gekruiste polarisatoren) met vermelding van de isotrope fase. Langzaam afkoelen van de hete plaat en noteer de overgang temperaturen. Voor het mengsel hierboven beschreven, de isotrope nematic overgang bij 103 ° C en de nematic om de smectic overgang optreedt bij 86 ° C ( figuur 3A). 3. Film voorbereiding vullen van de cellen ( figuur 1J) plaats in de cel op een hete plaat met de homeotropic zijde naar boven. De temperatuur instellen tot 110 ° C (isotrope fase) ter vergemakkelijking van het vullen van de cel, omdat de vloeistof in de nematic fase minder viskeuze dan is. Deel van het vaste mengsel aan de rand van de cel plaatst. De vaste stof smelt en het vloeibare mengsel stroomt door capillariteit in de cel. Voeg meer mengsel aan de rand totdat de cel is gevuld. Afkoelen tot de fase van de nematic en polymerisatie ( Figuur 1 K) zodra de cel is gevuld, langzaam afkoelen het (5 ° C/min) tot 90 ° C te worden in de nematic fase. Zodra de film is op de juiste temperatuur, het mengsel polymeriseren door het plaatsen van het onder UV-licht bij 90 ° C gedurende 30 min. Let op: UV-licht is gevaarlijk, het is aan te raden de polymerisatie uitvoeren in een beschermde omgeving. A post bakken stap wordt aanbevolen om de volledige polymerisatie van het netwerk. Plaats van de cel op een hete plaat bij 130 ° C gedurende ongeveer 10 min en laten langzaam afkoelen tot kamertemperatuur. Opening van de cel en het snijden van het monster om te openen de cel, een scheermesje te zetten op een rand en duw het tussen de twee glasplaten. De cel opent tegelijk ( Figuur 1 L). Naar afschilferen van de film, een lift van een klein hoekje met een scheermesje. Indien nodig, de glasplaat kan worden geplaatst in warm water om de opheffing vergemakkelijkt van de film ( Figuur 1 M). Verwijder de folie van het water en zachtjes schil it. Knippen van een streep langs de moleculaire directeur (wrijven richting van de vlakke zijde) van de film met de volgende afmetingen: 4 mm x 2,5 cm ( figuur 1N). 4. Zelf trilling observatie Setup in het lab klem het monster met behulp van een zelfsluitende pincetten op zodanige wijze dat 1,7 cm van de film is vrij om te bewegen. Houdt het monster verticaal en direct de lichtemitterende diode (LED) licht (400 mW/cm 2) loodrecht op het monster. Het licht is meestal ongeveer 20 cm afstand van het monster. Het licht moet bereiken de top van de film, onder de pincetten ( Figuur 4). De oscillaties verkregen worden opgenomen met een high-speed camera (150 frames/s) en geanalyseerd met een beeld processing programma. Setup met direct zonlicht Ga verder zoals hierboven beschreven in stappen 4.1.1 maar in plaats van met behulp van de LED-licht, concentreren het zonlicht op de top van de film met een lens. Meting van de thermische effect meten van de temperatuur variatie in het oscillerende monster met behulp van een thermische camera 15 (40 frames/s).

Representative Results

Het succes van het protocol is de waarneming van de oscillerende beweging van de film onder lichte bestraling. Trillingen zijn groot en geen misleidende resultaat kan worden gezien. Bovendien, de trillingen zijn stabiel na verloop van tijd (tijdschaal uur) en weinig vermoeidheid werd waargenomen. O.a. is de kwaliteit van de splay uitlijning van belang voor de voltooiing van de zichzelf onderhoudende bediening (figuur 5A). Het verloop in moleculaire oriëntatie in de dikte van de film induceert een contractie/expansion aan de zijkanten van de vlakke/homeotropic van de film op bediening16,17,18. Deze asymmetrische reactie verbetert de macroscopische beweging. Het falen van het experiment (afwezigheid van buigen, kleine vervorming of oneven buigen) kan worden verklaard door een slechte aanpassing van de LC. Ten eerste, de film transparant moet zijn. (Figuur 5B).  Om te controleren of de juiste splay uitlijning in een eenvoudige stap, wordt de film die is gekoppeld aan het glas-substraat waargenomen tussen gekruiste polarisatoren boven een diffuus witte lichtbron (figuur 5C-E). Door het draaien van de film tussen het Kruis polarisatoren van 0° tot 45° in het xy-vlak, moet de film sterk helderheid wijzigen. Door het draaien van de film uit het vliegtuig rond de moleculaire directeur, moet de film Verander kleur uit zwart (in het vliegtuig) tot wit (uit vliegtuig) terwijl viewing vanaf de bovenkant. Vergelijkbare verificatie stappen kunnen worden gedaan vóór polymerisatie door het observeren van de cel door een polarisator op de top van de verwarmingsplaat bedekt met een aluminiumfolie. Bovendien, wanneer de film in reepjes gesneden wordt, presenteert het een natuurlijke kromming met het midden van de curve in de homeotropic kant. Dit is te wijten aan de resterende stress die afkomstig zijn van de polymerisatie op een verhoogde temperatuur, waar de uitbreidingen van de twee zijden van de film tegenovergestelde borden (figuur 6A hebben). In het geval dat de uitlijning niet succesvol is, kan de methode ter voorbereiding van de polyimide lagen moet worden heroverwogen. De productie van deze cellen is cruciaal voor het verkrijgen van goed uitgelijnde films. De meest kritische stap is de wrijving: een te sterke druk op de plaat zal verwijderen gedeeltelijk de polyimide laag en resulteren in een zeer slechte beheersing laag voor uitlijning. Bij kamertemperatuur is de film in het glas staat (figuur 3B). Als de film zacht en/of smakeloos is, betekent dit dat de polymerisatie is niet voltooid, waarschijnlijk omdat de bestraling tijd te kort is of de initiatiefnemer is afgebroken. Het mengsel van LC mesogens moet homogeen en droog zijn voordat de vulling van de cel, omdat de aanwezigheid van oplosmiddel het gedrag van de fase van de LC-mengsel beïnvloeden kan. De LC-mengsel moet worden uitgelijnd voordat polymerisatie. Voorzorgsmaatregelen moeten worden genomen om het voorkomen van thermische polymerisatie tijdens het proces van aanpassing van door te gaan door de stappen snel en niet de verwarming van het monster hoger dan 130 ° C voor een verlengde tijd. Vullen van de cel net boven de punt van de clearing is voldoende (110 ° C). De mechanische en thermische oscillaties geregistreerd door de high-speed camera bevestigen het succes van het voorgestelde protocol (Figuur 7; Video 1). Wanneer de film is geklemd aan het ene uiteinde, unbends 1.7 cm vrij om te bewegen en bestraalde verlaten aan de vlakke kant met gericht licht, het naar de platte staat in de richting van het licht (figuur 6B). Het scharnier is gelegen op de positie van het scherpstelpunt van het licht (Figuur 4). De film moet bewegen soepel, loodrecht op de klem en niet aan de kant. Dan begint de film te verplaatsen continu met oscillaties van frequentie 7.6 Hz ± 5% en amplitude 30 ° ± 10% voor een film van afmetingen 1.7 x 0,4 cm x 20 µm. De thermische trillingen gemeten met de thermische camera aanwezig dezelfde frequentie (7.4 Hz ± 5%), met een lichte fase vertraging te wijten aan de inertie van de film. Deze frequentie f wordt geregeld door de afmetingen en de absolute waarde van de film15. De amplitude van de trillingen varieert met de lichtsterkte en zal worden beïnvloed door de instelling, en in het bijzonder, de positionering van het focuspunt van het licht op de steekproef. Het mechanisme van de trilling is als volgt: 1) de gekrulde film met gericht licht wordt bestraald, de dopering absorbeert het licht en zet dit om in warmte, de film op haar scharnier opwarmt en unbends in de richting die vooraf gedefinieerd door de LC-uitlijning; 2) de tip schaduwen het scharnier van de film, die zorgt voor een daling van de temperatuur en de daaropvolgende onbuigzaam door relaxatie; 3) het scharnier is opnieuw onder bestraling, verwarmt en de film bochten15. De herhaling van deze opeenvolgende stappen geeft aanleiding tot de oscillaties. De belangrijkste factoren in het observeren van dit verschijnsel zijn het foto-thermische effect en de zelf-schaduwen van de film, gecontroleerd door de intensiteit en de positie van de gericht licht (Figuur 4). Bijvoorbeeld, een licht gekanteld lamp zal het induceren van een volledige curling van het monster. Bovendien, te laag voor een lage intensiteit niet geven grote buigen, omdat de temperatuur bij het scharnier is onvoldoende, terwijl te hoog van een lichtintensiteit op het scharnier overschrijding induceren zal (Figuur 6 c, 180 ° buigen van de film). Een andere voorwaarde voor het succes van het experiment is om de installatie in een omgeving die beschermd tegen wind te voorkomen van verstoring. Figuur 1. De algemene Procedure voor het verkrijgen van de Splay uitgelijnd LCN in 14 stappen (van A-N). Stap A-C: schoonmaken van de glazen platen; D-Gstappen: coating van de glazen platen maken vlakke of homeotropic aanpassing lagen; stap H: wrijven van de glazen platen met een fluwelen doek; stap ik: lijmen van de platen om te vormen van de cel; stap J: de cel vullen met het mengsel van de LC en de uitlijning in de nematic fase; stap K: foto-actinemonomeren onder UV-licht; L-Nstappen: opening van de cel en snijden van de film te verkrijgen van een strip. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 2. Chemische structuren van de gebruikte componenten. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 3. Thermische karakterisatie van het mengsel van de monomeer en polymeer Film. Een) Differential scanning calorimetry (DSC) van het mengsel vóór polymerisatie om te bepalen van de fase-overgangen. Inzetstukken: POM afbeeldingen, schaal bars: 100 µm. B) dynamische mechanische thermische analyse (DMTA) meting van de polymeer film. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 4. Foto van het tonen van de LED op de linkerkant, en de oscillerende Film vastgeklemd zit op de pincetten voor het licht Setup. De inzet de schematische voorstelling afgebeeld van de gebogen film en de gelokaliseerde lichte verlichting. Het rode gebied komt overeen met de warme scharnier vermeldde in de tekst. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 5. A) Schematische weergave van de splay uitlijning. B) foto van de cel van de glazen voorkant van het TU/e-logo weergegeven: de transparantie en het ontbreken van de kleur van de film. De pijl geeft de richting van het wrijven van de vlakke glasplaat. C – E) foto’s van de film genomen tussen gekruiste polarisatoren tonen de kenmerken van de splay uitlijning (Figuur D: rotatie van 45 ° in de XY-oppervlakte, Foto E: draaien uit de xy-oppervlakte). De moleculaire directeur van de uitlijning wordt aangegeven door de rode pijl. Schaal bar: 1 cm. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 6. A) foto van de film geklemd met een pincet een natuurlijke kromming met het midden van de curve in de homeotropic kant tonen. B) beeld van de film naar een platte staat op foto-bestraling (365 nm, 0.52 W/cm2). C) foto van een film bestraald met teveel van een lage intensiteit tonen een buigen op 180 °. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 7. Mechanische trillingen van het puntje van de Film na verloop van tijd tijdens bestraling met UV-licht (LED 365 nm, 0.52 W/cm2). Inzetstukken: Screenshots van de bewegende film opgenomen met de high-speed camera. De geometrie van de film is 1.7 cm (lengte) x 0,4 cm (breedte) x 20 µm (dik). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 8. Thermische trillingen van het blootgestelde gebied (scharnier) na verloop van tijd tijdens bestraling met UV-licht (LED 365 nm, 0.52 W/cm2). Inzetstukken: Screenshots van de oscillerende film met het temperatuursprofiel geregistreerd met de thermische camera tonen de veranderingen van de temperatuur op het scharnier. De geometrie van de film is 1.7 cm (lengte) x 0,4 cm (breedte) x 20 µm (dik). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Discussion

De resultaten die hier worden beschreven zijn vergelijkbaar met de vorige studie15 op een LC-diacrylate met een spacer van 6 koolstofatomen. Hieruit blijkt dat de methode voor het verkrijgen van trilling kan worden toegepast op films met verschillende mechanische eigenschappen16.

De voorbereiding van een foto-thermische responsieve LCN wordt gemeld. Er zijn een paar stappen in het protocol beschreven die kritisch zijn, zoals het wrijven van de vlakke uitlijning lagen en de voorbereiding van de cel. Inderdaad, het succes van het protocol is gebaseerd op de hoge kwaliteit van de LC splay uitlijning, waardoor ook de toepassing op dunne lagen wordt beperkt.

Eerder, vele voorbeelden van foto-actuatoren gebaseerd op LCNs die een grote hoeveelheid foto-schakelaars bevatten zijn gerapporteerde11,12,13,19. De belangrijkste voordelen van de methode die hier ontwikkeld zijn de beperkte hoeveelheid dopants die nodig zijn voor het observeren van de bediening (< 5 wt %) en de brede keuze van dopants beschikbaar. 15 deze resultaten uit te breiden het bereik van mogelijke toepassingen. Bovendien is de kracht van dit protocol de mogelijkheid om te variëren van de frequentie en de amplitude van de trilling door het veranderen van de absolute waarde van de film met een andere matrix-samenstelling, de afmetingen van de streep en de lichtintensiteit.

Deze methode kan gemakkelijk worden uitgebreid voor het fabriceren van een brede waaier van LC-materialen voor geautomatiseerde systemen. Het protocol hierin beschreven effent de weg voor de ontwikkeling van niet-evenwichts systemen voor soft-robotica en geautomatiseerde materialen.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dit werk werd financieel ondersteund door de Nederlandse organisatie voor wetenschappelijkonderzoek (NWO – TOP PUNT Grant: 10018944) en de European Research Council (ERC trillen, Grant 669991). A. H. G. erkent de financiering vanuit het mensen-programma (Marie Curie Actions) van de Europese Unie zevende kader programma KP7-2013, Grant nr. 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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Ionov, L. Polymeric Actuators. Langmuir. 31 (18), 5015-5024 (2015).
  2. 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).
  3. Ikeda, T., Mamiya, J., Yu, Y. Photomechanics of Liquid-Crystalline Elastomers and Other Polymers. Angew Chem Int Ed. 46 (4), 506-528 (2007).
  4. Arazoe, H., et al. An autonomous actuator driven by fluctuations in ambient humidity. Nat Mater. 15 (10), 1084-1089 (2016).
  5. 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).
  6. Uchida, E., Azumi, R., Norikane, Y. Light-induced crawling of crystals on a glass surface. Nat Commun. 6, 7310 (2015).
  7. 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).
  8. Kumar, K., et al. A chaotic self-oscillating sunlight-driven polymer actuator. Nat. Commun. 7, 11975 (2016).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Yamada, M., et al. Photomobile Polymer Materials: Towards Light-Driven Plastic Motors. Angew Chem Int Ed. 47 (27), 4986-4988 (2008).
  12. White, T. J., et al. A high frequency photodriven polymer oscillator. Soft Matter. 4 (9), 1796 (2008).
  13. Lee, K. M., et al. Photodriven, flexural-torsional oscillation of glassy azobenzene liquid crystal polymer networks. Adv Func Mater. 21 (15), 2913-2918 (2011).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Broer, D. J., Mol, G. N. Anisotropic thermal expansion of densely cross-linked oriented polymer networks. Polym Eng Sci. 31 (9), 625-631 (1991).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Yu, Y., Nakano, M., Ikeda, T. Photomechanics: Directed bending of a polymer film by light. Nature. 425 (6954), 145 (2003).

Tags

Liquid Crystal NetworksMacroscopic Oscillatory MotionLight-induced MotionSoft RoboticsSplay ManufacturingGlass Plate CleaningPolyamide Alignment LayerMicrochannelsUV Curing GlueGlass Beads

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Vantomme, G., Gelebart, A. H., Broer, D. J., Meijer, E. W. Preparation of Liquid Crystal Networks for Macroscopic Oscillatory Motion Induced by Light. J. Vis. Exp. (127), e56266, doi:10.3791/56266 (2017).
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