L’obiettivo del protocollo è quello di creare film di polimero cristallino liquido che meccanicamente può oscillare sotto irradiazione di luce continua. Descriviamo in dettaglio la concezione dei film freestanding, dal metodo di allineamento di cristalli liquidi per il foto-azionamento. Il protocollo sperimentale applicato per preparare questo materiale è ampiamente applicabile.
Una strategia basata su reti cristallini liquidi drogati è descritto per creare oscillazioni meccaniche autogestite di pellicole plastiche sotto irradiazione di luce continua. La foto di eccitazione di droganti che può dissipare rapidamente luce in calore, accoppiato con anisotropo dilatazione termica e self-shadowing del film, dà origine alla deformazione autosostenuta. Le oscillazioni osservate sono influenzate dalle dimensioni e il modulo del film e dalla direzionalità e l’intensità della luce. Il sistema sviluppato offre applicazioni di conversione energetica e raccolta per soft-robotica e sistemi automatizzati.
Il metodo generale descritto qui è costituito da creazione di pellicole cristalline liquide autoportante e caratterizzare gli effetti meccanici e termici osservati. L’allineamento molecolare viene raggiunto utilizzando strati di allineamento (strofinato polyimide), comunemente usati nel display dell’industria manifatturiera. Per ottenere gli attuatori con grandi deformazioni, i nematiche siano allineati e polimerizzati in una configurazione di strombatura/piegatura, vale a dire, con il direttore dei cristalli liquidi (LCs) gradualmente andando da planari a homeotropic attraverso lo spessore del film. Al momento di irradiazione, le oscillazioni meccaniche e termiche ottenute vengono monitorate con una telecamera ad alta velocità. I risultati sono ulteriormente quantificati mediante analisi d’immagine utilizzando un programma di elaborazione delle immagini.
La ricerca verso l’energia sostenibile è un’area di crescente interesse in risposta all’esaurimento delle energie fossili e il cambiamento climatico. Metodi per convertire l’energia luminosa in lavoro meccanico sono attualmente oggetto di indagine, come il solare fotovoltaico per generare elettricità, i combustibili biomassa per produrre acqua solare spaccare per produrre idrogeno ed ossigeno. Tuttavia, tutti questi processi alimentati dalla luce richiedono più passaggi prima di loro produzione di energia può eseguire macchine che esegue il lavoro. Sebbene questi approcci offrono un grande pannello delle applicazioni, richiedono produzione, stoccaggio e trasporto di prodotti intermedi (ad esempio, elettrici potenziali carburanti chimici). Quindi, dispositivi in grado di convertire direttamente la luce solare in movimento macroscopico presentano vantaggi di semplificazione.
Negli ultimi decenni, sono stati sviluppati molti esempi di foto-attuatori dove polimeri cambiano forma all’irradiazione1,2,3. Tuttavia, nella maggior parte di questi esempi, attuazione continua richiede trasformando la luce on/off per passare da uno stato a altro. Finora, solo un numero limitato di materiali foto-sensible a reagire lavorando fuori di equilibrio è stato descritto4,5,6,7. Sistemi basati su cristalli liquidi reti (LCNs)8,9,10,11,12,13 sono anche studiati a causa della loro intrinseca anisotropia che consente la preprogrammazione la deformazione in un modo controllato14. Recentemente, è stato riferito che l’effetto di foto-termica indotta dall’eccitazione del foto-stabilizzatori incorporati in LCN possa generare il moto oscillatorio15.
Qui, è descritto il metodo per creare film LCN che meccanicamente oscillano sotto irradiazione di luce continua. La concezione dei film è dettagliata dalla preparazione delle cellule per la caratterizzazione e la polimerizzazione delle miscele di LC. L’analisi del movimento e la foto-attuazione delle pellicole LCN sono anche riportati. Il LCNs sono drogati con molecole che possono dissipare rapidamente luce in calore all’interno della rete, che induce anisotropo dilatazione termica e conseguente deformazione macroscopica del film. Un’interazione tra self-shadowing, variazione di temperatura e contrazione/allungamento del materiale dà origine al moto oscillatorio15. L’installazione di preciso, compreso l’orientamento della luce e il campione per ottenere questo effetto è evidenziato nel protocollo. L’oscillazione è caratterizzata dalla sua frequenza e controllata dalle proprietà del LCN. A nostra conoscenza, questo è la prima descrizione di un metodo per la creazione di film LCN che può auto-oscillare, da un semplice meccanismo di lavorare con una vasta gamma di droganti.
I risultati descritti qui sono comparabili con il precedente studio15 su un Diacrilato di LC con un distanziatore di 6 atomi di carbonio. Viene illustrato il metodo per ottenere oscillazione può essere applicato ai film con diverse caratteristiche meccaniche16.
La preparazione di un foto-termica reattiva LCN è segnalata. Ci sono alcuni passaggi nel protocollo descritto che sono critici, come lo sfregamento degli strati allineamento planare e la preparazione della cella. Infatti, il successo del protocollo si basa sull’alta qualità dell’allineamento strombatura LC, che limita anche l’applicazione di film sottili.
In precedenza, molti esempi di foto-attuatori basati su LCNs che contengono una grande quantità di foto-interruttori sono stati segnalati11,12,13,19. I principali vantaggi del metodo sviluppato qui sono la limitata quantità di droganti necessarie per osservare l’attuazione (< 5% in peso) e l’ampia scelta di droganti disponibile. 15 questi risultati espandono la gamma di potenziali applicazioni. Inoltre, la potenza di questo protocollo è la possibilità di variare la frequenza e l’ampiezza dell’oscillazione modificando il modulo del film con una composizione di matrice diversa, le dimensioni di stripe e l’intensità della luce.
Questa metodologia può essere facilmente esteso per fabbricare un materiali di vasta gamma di LC per sistemi automatizzati. Il protocollo descritto nel presente documento apre la strada allo sviluppo di sistemi di non-equilibrio per materiali soft-robotica e automazione.
The authors have nothing to disclose.
Questo lavoro è stato sostenuto finanziariamente da organizzazione olandese per la ricerca scientifica (NWO – TOP PUNT Grant: 10018944) e l’European Research Council (ERC vibrare, Grant 669991). A. H. G. riconosce il finanziamento dal programma persone (azioni Marie Curie) dell’Unione europea settimo quadro programma FP7-2013, Grant n. 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 |