L’objectif du protocole est de créer des films de polymères cristallins liquides qui peuvent osciller mécaniquement sous irradiation de lumière continue. Les auteurs décrivent en détail la conception de films autonome, de la méthode d’alignement de cristaux liquides pour la photo-actionnement. Le protocole expérimental appliqué pour préparer ce matériel est généralement applicable.
Une stratégie basée sur des réseaux cristallins liquides dopés est décrite pour créer des oscillations mécaniques auto-entretenue de films plastiques sous irradiation de lumière continue. La photo-l’excitation des dopants qui peut dissiper rapidement la lumière en chaleur, couplée avec une dilatation thermique anisotrope et l’occultation du film, donne lieu à la déformation auto-entretenue. Les oscillations observées sont influencées par les dimensions et le module du film et de la directivité et l’intensité de la lumière. Le système développé offre des applications dans la conversion de l’énergie et de récolte pour soft-robotique et de systèmes automatisés.
La méthode décrite ici se compose de création de films cristallins liquides autoportantes et caractériser les effets mécaniques et thermiques observées. L’alignement moléculaire est obtenue en utilisant des couches de l’alignement (polyimide frotté), couramment utilisés dans l’affichage, l’industrie manufacturière. Pour obtenir des actionneurs avec grandes déformations, les mésogènes sont alignés et polymérisés dans une configuration d’ébrasement/flexion, c’est-à-direavec le directeur des cristaux liquides (LCs), passant progressivement de planaires à homéotropique par le biais de l’épaisseur du film. Lors de l’irradiation, les oscillations mécaniques et thermiques obtenues sont surveillées avec une caméra à haute vitesse. Les résultats sont encore quantifiés par analyse d’image à l’aide d’une programme de traitement d’image.
La recherche vers les énergies renouvelables est un domaine de plus en plus d’intérêt en réponse à l’épuisement des énergies fossiles et les changements climatiques. Méthodes pour convertir l’énergie lumineuse en travail mécanique sont actuellement étudiées, telles que l’énergie photovoltaïque pour produire de l’électricité, la biomasse pour produire des carburants, fractionnement pour produire de l’oxygène et l’hydrogène solaire de l’eau. Cependant, tous ces processus, alimentées par la lumière nécessitent plusieurs étapes avant que leur production d’énergie peut exécuter des machines qui effectuent des travaux. Bien que ces approches offrent un large panel d’applications, dont ils ont besoin de production, de stockage et de transport des intermédiaires (p. ex., électriques combustibles potentiels, chimiques). Par conséquent, capable de convertir directement la lumière du soleil en mouvement macroscopique des dispositifs présentent des avantages de simplification.
Au cours des dernières décennies, beaucoup d’exemples de photo-actionneurs ont été développés où polymères modifie la forme après irradiation1,2,3. Toutefois, dans la grande majorité de ces exemples, actionnement continu requiert tournant le voyant marche/arrêt pour passer d’un État à l’autre. Jusqu’ici, seulement un nombre limité de matériaux sensibles aux photo travaillant hors équilibre a été décrit4,5,6,7. Systèmes basés sur les cristaux liquides networks (LCNs)8,9,10,11,12,13 sont également étudiés en raison de leur intrinsèque anisotropie qui permet de préprogrammation de la déformation dans un mode contrôlé14. Récemment, il a été signalé que l’effet photo thermique induite par l’excitation de photo-stabilisateurs intégrés dans LCN peut générer mouvement oscillatoire15.
Ici, la méthode pour créer des films LCN qui oscillent mécaniquement sous irradiation de lumière continue est décrite. La conception des films est détaillée de la préparation des cellules pour la caractérisation et la polymérisation des mélanges LC. On rapporte aussi la photo-actionnement des films LCN et l’analyse de la requête. Les LCNs sont dopés avec des molécules qui peuvent dissiper rapidement la lumière en chaleur au sein du réseau, ce qui induit une dilatation thermique anisotrope et déformation macroscopique subséquente du film. Une interaction entre l’occultation, variations de température et contraction/allongement du matériau donne naissance au mouvement oscillatoire15. Le programme d’installation précis, y compris l’orientation de la lumière et de l’échantillon pour obtenir cet effet est mis en surbrillance dans le protocole. L’oscillation est caractérisée par sa fréquence et contrôlée par les propriétés de la LCN. À notre connaissance, c’est la première description d’une méthode pour la création de films LCN qui peuvent osciller automatique, par un mécanisme simple de travailler avec un large éventail de dopants.
Les résultats décrits ici sont comparables à la précédente étude15 un diacrylate de LC avec un espacement de 6 atomes de carbone. Il montre que la méthode pour obtenir l’oscillation peut être appliquée à des films avec des propriétés mécaniques différentes16.
On rapporte la préparation d’un LCN réactif photo thermique. Il y a quelques étapes dans le protocole décrit qui sont critiques, tels que le frottement des couches planes de l’alignement et la préparation de la cellule. En effet, le succès du protocole repose sur la qualité de l’alignement ébrasement LC, ce qui limite également l’application de couches minces.
Auparavant, beaucoup d’exemples de photo-actionneurs issus de LCNs qui contiennent une grande quantité de photos de course ont été déclarés11,12,13,19. Les principaux avantages de la méthode développée ici sont la quantité limitée des dopants nécessaires pour observer l’actionnement (< 5 % en poids) et le large choix des dopants disponibles. 15 ces résultats élargir l’éventail d’applications potentielles. En outre, la puissance de ce protocole est la possibilité de faire varier la fréquence et l’amplitude de l’oscillation en changeant le modulo du film avec une composition différente de matrice, les dimensions de la bande et l’intensité de la lumière.
Cette méthodologie peut être facilement étendue pour fabriquer un matériaux large gamme de LC pour les systèmes automatisés. Le protocole décrit ci-après ouvre la voie au développement de systèmes hors équilibre des matériaux doux-robotique et automatiques.
The authors have nothing to disclose.
Ce travail a été soutenu financièrement par l’Organisation néerlandaise pour la recherche scientifique (NWO – TOP PUNT Grant : 10018944) et l’European Research Council (ERC vibrer, Grant 669991). A. H. G. reconnaît le financement du programme personnes (Actions Marie Curie) de l’Union européenne septième Framework programme FP7-2013, Grant no 607602.
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 |