Свободной формы Легкие Приводы - изготовление и контроль Срабатывание в микроскопическом масштабе

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

Жидкокристаллические эластомеры (LCEs) умные материалы, способные обратимо формы-изменения в ответ на внешние раздражители, и привлекли внимание исследователей во многих областях. Большинство исследований сосредоточено на макроскопических LCE структур (пленок, волокон) и их миниатюризации все еще находится в зачаточном состоянии. Недавно разработанные методы литографии, например., Экспозиция маски и реплики формования, позволяют только для создания 2D – структур на LCE тонких пленках. Прямая лазерная запись (DLW) открывает доступ к настоящему 3D изготовления в микроскопическом масштабе. Тем не менее, управление топологией приведения в действие и динамику, в то же масштабе длины остается проблемой.

В данной работе мы сообщаем о методе контроля жидкого кристалла (LC) молекулярного выравнивания в LCE микроструктур произвольной трехмерной формы. Это стало возможным благодаря сочетанию прямого лазерного письма для обоих LCE структур, а также для моделей micrograting побуждающихлокальное выравнивание LC. Существует несколько типов образцы решетки были использованы для введения различных LC выравниваний, которые могут быть впоследствии узорчатые в LCE структур. Этот протокол позволяет получить LCE микроструктур с конструированными выравниванием, способных выполнять несколько опто-механическое приведение в действие, таким образом, способен несколькими функциональными возможностями. Приложения могут быть предусмотрены в области перестраиваемых фотоники, микро- робототехнике, технологии лаборатории-на-чипе и другие.

Introduction

Microactuators являются микроскопические структуры, которые могут передавать внешнюю энергию для функционирования другого механизма или системы. Благодаря компактным размерам и возможностью дистанционного управления, они широко используются в лаборатории-на-чипе систем ^1, микро-зондирования ^2, и микро робототехники ^3. Приводы , доступные на сегодняшний день может выполнять лишь простейшие действия, такие как набухание / коллапса в матрице гидрогеля ^4, сжатие / изгиб ⁵ в одном направлении с внешним полем. Хотя недавно разработанные методы позволили изготовить микроуровне возбуждающих структур ^6, он по – прежнему большой проблемой для борьбы с этими в срабатываний одинаковой длины шкалы. В данной работе сообщается способ подготовить 3D свет активировать микроструктур с управляемыми свойствами приведения в действие. Методика основана на прямом лазерной записи (DLW), и показано, в жидкокристаллических эластомеров (LCEs).

LCEs являются SOFт полимеры расчесывание свойством эластомера и жидкокристаллической ориентации. Эти материалы способны большой деформации (20 – 400%) при различных типах внешних раздражителей ^7. Преимущество использования LCEs для microactuators является удобство инженерного молекулярного порядка в структурах, что позволяет контролировать приведение в действие в микроскопическом масштабе ^8. LC мономеры синтезируются с акрилатным фрагментом, что позволяет пошагового фотополимеризации. Это свойство дает доступ к различным типам литографических методов изготовления 3D микроструктур. Азокрасителей как фото реагирующих молекул связаны с полимерной сетки с помощью процесса сополимеризации. Такие молекулы объединяют свои сильные способности света реакции (транс – цис – изомеризации) с вызываемым светом нагрева системы , получая свет контролируемой деформации.

DLW является метод получения полимерных структур в светочувствительной материааль пространственным контролем сфокусированного лазерного луча ^9. DLW позволяет создавать 3D – структур в свободной форме в LCE без потери молекулярного выравнивания ^6. Есть несколько преимуществ DLW в изготовлении LCE microactuators. Во- первых, разрешение может достигать масштаб субмикронного, а структуры действительно 3D ^6. Ранее сообщалось о способах изготовления LCE микро, например., Экспозиция замаскированным ¹⁰ и реплики формования ^11, при условии , разрешение до около 10 мкм и только 2D геометрию. Во-вторых, DLW является процессом бесконтактной изготовления. Подходящий растворитель может разработать высококачественные структуры, сохранив проектную конфигурацию. Реплика технологии формования редко дает разрешение ¹² субмикронную и структурное качество трудно контролировать. В- третьих, лазерная запись обеспечивает универсальные возможности для локальной ориентации ЖК на микроскопическом уровне ^8,13. Среди различных типов методов ориентации LC, растирание является Мост эффективный способ ориентировать молекулы ЖК и широко используется в подготовке LCE тонкой пленки. Это было обычно достигается путем трения о полимерных слоев, чтобы генерировать микродорожек на внутренних поверхностях ячейки инфильтрации с помощью LC-мономеров. Из-за сцепляющего эффекта поверхности, такие микродорожек способны сориентировать молекулу LC вдоль паза. DLW позволяет непосредственное изготовление этих микродорожек на выбранном участке в заранее заданных направлении с гораздо более высокой точностью. Все эти особенности делают DLW идеальным, уникальная методика для изготовления и контроля приведения в действие в микроскопическом масштабе.

На основе DLW, LCE микроструктур могут быть составлены по образцу с различной молекулярной ориентации. С выравниванием соединения в пределах одной структуры LCE, многофункциональные стало возможным срабатываний. Метод может быть использован для изготовления LCE microactuators с любым видом LC мономерной смеси. По дальнейшей химической инженерии, можно сделатьПриводы чувствительных к другим источникам стимула, например., влажность или освещение на разных длинах волн.

Protocol

Примечание: Этот протокол содержит три этапа: IP-L решетки подготовка к LC ориентации молекул, DLW в LCE и света приведения в действие характеристику. Схема системы прямой лазерной записи показана на рисунке 1, в то время как система микро-манипуляции показан на рисунке 5. 1. IP-L Grating Pattern Подготовка Выньте один микроскоп крышку слайд (3 см в диаметре), и очистить его с помощью ацетона тканей линзы. Поместите несколько распорок (стеклянные микросферы) с помощью металлического наконечника на 3-х различных точках стекло около 0,5 см от его центра. Поместите другой стекло микроскопа (1 см в диаметре) на верхней части распорок. Используйте наконечник аккуратно нажмите на верхней части верхнего предметное стекло. Поместите каплю (около 2 мкл) УФ-отверждения клея на трех различных точках, соответственно, на границе верхнего стекла. Перед тем, как клей проникает слишком много Intо зазоре, использовать ультрафиолетовый свет для отверждения клея. В настоящее время формируется клетки. Поместите каплю (приблизительно 10 мкл) IP-L смолы на границе ячейки, используя пипетку. Подождите несколько минут, пока жидкость не проникла во всей области клетки. Используйте клей, чтобы зафиксировать ячейку на держателе образца и поместите его в прямую систему лазерной записи. Выберите цель 100X и найти интерфейс на верхней внутренней поверхности, а затем коррекции наклона на этой поверхности. Написать структуры разработаны IP-L решетки моделей с мощностью лазера и скорости сканирования 6 мВт и 60 мкм / с, соответственно. Эти образцы решетки сделаны IP-L кривой или прямых линий. Повторите шаги 1,8 и 1,9 на нижней внутренней поверхности. Извлеките ячейку, и погрузить образец в 2-пропанола ванну с не открывая клетку, в течение 12 – 24 часов. Выньте ячейку из растворителя и высушить его на горячей плите (50 ° С) в течение 10 – 20 мин. 2. LCE Микроструктура Fabrication Мера ~ 300 мг смесь мономеров на балансе. См молекулярный состав в таблице 1. Положите готовую смесь в стеклянной бутылке, и поставить его на горячей пластине при наборе 70 – 80 ° C. Подождите, пока все порошок плавится, добавьте магнитную мешалку и перемешивают смесь в течение 1 часа (90 – 150 оборотов в минуту). Поместите ячейку на горячей плите при температуре 60 ° C. Поместите каплю (приблизительно 20 мкл) смеси на краю меньшего предметное стекло и подождать, пока жидкость не проникает в клетку. Перенести клетки в оптический микроскоп с скрещенных поляризатора и регулятор температуры. Держите все в темноте во время передачи, и поставить оранжевый фильтр перед лампой подсветки, чтобы отфильтровать УФ. Повышение температуры ячейки выше 60 ° С с использованием регулятора температуры на микроскоп, а затем снижают температуру (2 – 10 ° С в минуту), Чтобы измерить диапазон температур для ЖК-фазы. Смесь с различной молекулярной композицией имеет различную температуру ЖК-фазы. Хороший однородная фаза нематического ЖК можно распознать путем наблюдения контраста изображения инверсии при вращении образца через каждые 45 ° по отношению к оси поляризатора. Закрепите клетку на держателе образца, поместите его в систему DLW, и установите температуру, чтобы достигнуть фазы LC (измеренный в шаге 2.7). Найти интерфейс на нижней внутренней поверхности и выполнить коррекцию наклона с использованием объектива 100X или объектив 10X, не находя интерфейс. Записать LCE структуры за счет использования DLW с лазерной мощности и скорости сканирования 4 мВт и 60 мкм / с на нижнем стекле с помощью цели 100X. В противном случае использовать при мощности лазера и скорости сканирования 14 мВт и 60 мкм / с с использованием цели 10X (структура ХПЛ изготавливается по всей толщине образца). Выньте ячейку, и использовать лезвиеоткрыть ячейку удаления верхней предметное стекло. Погружают структуры в толуольного бане в течение 5 мин. Выньте образец, и сушат в воздухе в течение 10 мин. 3. Характеристика света Срабатывание ЛХП микроструктур Поместите образец в оптический микроскоп (20х) и сфокусировать лазерный луч (CW, 532 нм, 50 – 500 мВт) с 10-кратным цели на структурах. Заметим, вызываемым светом деформации с помощью оптического микроскопа CMOS камерой (частота кадров 25.8 кадров в секунду). Используйте ручное управление системой микро-манипуляции (рисунок 5) , чтобы поместить кончик стекла в положении , близком к LCE микроструктур. Включите лазер на малой мощности (~ 20 мВт), с целью повышения температуры LCE (из-за поглощения света), и, таким образом, размягчить структуру. Используйте кончик стекла, чтобы поднять одну LCE микроструктуру, и держать его в воздухе. Этот процесс необходим, чтобы избежать адгезии с поверхностью стекла. Туне лазера на высокой мощности (> 100 мВт), и наблюдать структуру LCE деформироваться. Запись под действием света деформации с помощью камеры микроскопа.

Representative Results

На рисунке 1 показана оптическая , созданного для лазерной записи. Система состоит из волоконного лазера 780 нм, генерирующего 130 фс импульса при частоте повторения 100 МГц. Лазерный луч отражается в телескоп, чтобы настроить профиль луча на оптическом микроскопе апертуре объектива, где он сосредоточен в образец. На микроскоп, 3D этап пьезо устанавливается с диапазоном 300 × 300 × 300 мкм 3 передвижного для образца перевода с максимальной скоростью 100 мкм / сек при разрешении 2 нм. Линейно поляризованный свет от красной лампы освещает образец из верхней части, в то время как изображение собирается на дне с помощью той же цели и отражается расщепитель луча в ПЗС-камерой. Перед камерой, другой поляризатор используется для получения кросс-поляризованной освещение для повышения контраста. На рисунке 2 показаны сканирующие ElecTron микроскопа (SEM) изображения лазера написано IP-L micrograting модели (этап 1). Расстояние между канавка находится в диапазоне 400 – 1200 нм, в то время как высота канавок (сверху-долина) составляет около 700 нм. Дифракционная модели с различной ориентацией могут индуцировать различные выравниваний LC, в зависимости от желаемого приведения в действие элемента LCE. На рисунке 3 показана ориентация LC мономера , индуцированный решетки моделей IP-L (шаг 2.7). Во- первых, четыре вида микро-образец решетки с 100 × 100 мкм 2 , размер каждого были изготовлены на противоположных сторонах стеклянной ячейке (схематически показанной на рис 3 , а ). Из – за поверхностного сцепления, инфильтрации LC мономеры были ориентированы вдоль с направлением решетки линии, демонстрируя тем самым 45 ° контрастный инверсии в поляризованном оптический микроскоп (POM) изображения (рисунок 3b). <p class="jove_content" fo:keep-together.within-pвозраст = "1"> На рисунке 4 показаны изображения СЭМ в LCE нано точка / линии сфабрикованному на IP-L решетки сетей с различной ориентацией (шаг 2.10). В решетчатой ​​сети, LCE структуры становятся более ограничены, с гораздо более высокой устойчивостью к развитию в толуоле. Минимальная ширина отключенной LCE было измерено, ~ 300 нм, что согласуется с разрешением DLW без решетки шаблона. Еще один интересный подход к фотонной применения может быть реализация крупномасштабного периодической структуры. Рисунок 4 (с, d) показывает 2D LCE периодические структуры внутри микро-решетки сети. Выравниваниях хорошо сохраняются внутри этих наноструктурах, как показано на вставленных ПОМ изображение Рисунок 4 (с, d). Тем не менее, под действием света деформации не может быть получена в этих наноструктурах. Это происходит потому, что в IP-L решетки, элементы нано-LCE были высоко ограничены и адгезия предотвращает любой видимой деформации. </p> Микросистема манипуляция основана на самодельной отражение микроскопом и схематично показано на рисунке 5. Объектив 10X фиксируется на линзе трубку , помещенную на вертикально стоящий оптический макете. 730 нм ИК светодиодный источник света используется для освещения через неполяризованный расщепитель луча. Отраженное изображение собирают той же целью и проецируется на камеру. Непрерывный твердотельный 532 нм лазер соединен в объектив с помощью длинного прохода дихроичным зеркалом (передачи 50% и отражения при 567 нм) при угле падения 45 °. Измеритель мощности измеряет переданный луч после дихроичного зеркала для реального времени обнаружения мощности лазера. Слабо сфокусированного лазерного пятна диаметром ~ 150 мкм создает максимальную интенсивность освещения ~ 10 Вт / мм 2. Интенсивность лазера регулируется переменным фильтром нейтральной плотности, размещенными в передней части лазера. Ниже объектива, 3D ручной трэтап anslation используется для перевода образца. Ступень отопления устанавливается на этапе перевода используется для точного контроля температуры образца в диапазоне от -20 до 120 ° C с 0,5 ° C точностью. Две стеклянные наконечники установлены на двух ручных этапов перевода были размещены на левой и правой сторон, недалеко от положения образца. манипулирование микроструктура может быть реализована путем тщательно перемещая кончики с помощью этапов перевода. Для демонстрации выравнивания и деформации корреляции, мы производим четыре LCE цилиндрические конструкции с диаметром 60 мкм и высотой 20 мкм. Эти цилиндры написаны на четырех по-разному ориентированными-L IP решетки областей (1 мкм период). При возбуждении светом, красители внутри LCE поглощают световую энергию и передавать его в сеть. В LCE конструкции нагреваются и затем подвергаются фазового перехода (нематик к изотропным). Такой фазовый переход также помогпутем транс к цис – изомеризации красителя при тех же световых раздражителей. Таким образом, договор структуры вдоль первоначального выравнивания директора LC и расширяться в перпендикулярном направлении 7. В зависимости от различных локальных выравниваний индуцированных IP-L решетками, эти структуры деформировать вдоль разных направлений, как показано на рисунке 6 (этап 3.1). Этот метод позволяет создавать сложные приводы, которые содержат более чем один тип выравнивания в одну единую структуру. A 400 × 40 × 20 мкм 3 размер LCE полоса с двумя секциями узора выравнивания была изготовлена, как схематически показано на рисунке 7 (а). Эти выравнивания разделов содержат каждый 90 ° скрученную ориентацию в другом направлении. Поверхность с параллельными контрактами выравнивания, в то время как одна с перпендикулярной выравнивания расширяется под действием светового освещения. Структура была питрахнуться вверх системой Микроманипуляция, и провел в воздухе стеклянной наконечником. Двойной изгиб наблюдалось при слабом освещении (шаг 3.3). Модулированный лазерный луч (с помощью оптического прерыватель) может вызвать циклические деформации. LCE может реагировать после частоты модуляции мощности лазера (> 1k Гц). Однако амплитуда деформации уменьшается с увеличением частоты 14. Рисунок 1: Оптический Настройка для прямого лазерного Дать 780 нм лазерный луч (130 фс импульса, частота повторения 100 МГц) соединен в микроскоп и целенаправленную объективом оптического микроскопа в образец.. Этап 3D пьезо с диапазоном 300 × 300 × 300 мкм 3 хода используется для перевода образца в процессе лазерного воздействия. Пожалуйста , нажмите здесь для просмотра а – ля rger версия этой фигуры. Рис . 2: СЭМ изображения IP-L Micro-решетками а) однонаправленная структура параллельной линии. б) радиальная решетка рисунок. Шкала бар:. 10 мкм Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры. Рис . 3: IP-L Micro-решетка LC индуцируют ориентации а) Схема микро-решетки шаблонов , предназначенных для ориентации ЖК. б) ПОМ изображение ориентации ЖК индуцированной моделей micrograting. Шкалы составляет 50 мкм. Красный цвет из-за фильтра, который предотвращает фотополимеризации.ge.jpg "целевых =" _blank "> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры. Рис . 4: SEM Изображения LCE наноструктурах внедренные в IP-L решеТок Networks а) и б) две модели микро-решетки были изготовлены DLW по различным направлениям, в то время как LCE наноточки изготовлены в решетчатой ​​сети. в) и г) Периодическое LCE нано-структур встроены в тот же тип IP-L решетками. Вставки являются POM изображение структур. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры. Рис . 5: Схема установки Микроманипуляция Клеточное твердотельный 532 нм лазер в сочетании самодельная система микроскопа. Объектив 10X используется для визуализации и фокусировки 532 нм лазер для возбуждения. Два ручных этапов перевода со стеклянной наконечником манипуляторы используются для образца микро-манипуляции. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры. Рисунок 6: Light Срабатывание LCE Micro цилиндров на четырех различных IP-L Micrograting регионов с различными ориентациями а) Четыре LCE цилиндрические структуры с диаметром 60 мкм и высотой 20 мкм, написанные на четырех по- разному ориентированных микро-решетки регионов.. б) LCE цилиндры деформировать вдоль различных осей ( в зависимости от решетки индуцированной выравниваний) при воздействии лазерного излучения 532 нм (10 Вт мм -2). Шкала бар: 100 мкм.ле / ftp_upload / 53744 / 53744fig6large.jpg "целевых =" _blank "> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры. Рисунок 7: Свет управляемый Деформация LCE микроструктур с несколькими Molecular Разбивочные а) Схема двух секций противоположных 90 ° витыми створах в одной LCE полосой.. б) и в) оптические изображения длинной LCE полосой 400 мкм изгиба в противоположных направлениях при 532 нм лазерного излучения (3 Вт мм -2) 8. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Discussion

IP-L микро-решетки техника ориентации была интегрирована с DLW сориентировать жидкокристаллические мономеры. В дальнейшем лазерные написанные LCE микро-структуры также могут быть составлены по образцу с проектируемой выравнивания в микро масштабе. Этот метод позволяет создавать соединение LCE элементы, которые могут поддерживать множество функциональных возможностей. С выдающейся способностью создавать точные 3D микроструктур и контроль приведения в действие, мы ожидаем , что этот метод будет использоваться для создания эластомер на основе микроскопических роботов ^14, и открыть множество новых стратегий для легких получением перестраиваемых устройств ^15.

Есть два важных шагов в подготовке. Первый из них является то, что два стакана клетки должны быть плотно приклеена (шаг 1.4, 1.5). Клей УФ отверждения сохраняет стабильность геометрии ячейки во время развития: движение стекла клетки по отношению к другой приведет к худшей выравниванияLCE. Во-вторых, лазерная скорость записи во время LCE структуры письма должны быть как можно более высоким в то время как 100X цель выбрана. Из-за сильного набухания LCE в процессе лазерной записи, набухший структура должна выйти на проектную позицию, влияя таким образом на качество изготавливаемых приводов.

В некоторых случаях под действием света деформируемости наблюдается ухудшаться в структурах. Это может быть связано с отбеливании красителя при высокой интенсивности освещения. После того, как молекулы красителя были отключены, структура LCE ведет себя как прозрачной среде, и поглощение света / света индуцированной деформации подавляется. Более низкая мощность лазера будет безопаснее для приведения в действие LCE микроструктур.

Есть также некоторые недостатки этого метода. Во-первых, весь процесс занимает относительно много времени. Для того чтобы сохранить конфигурацию клеток, процесс разработки первого IP-L-(сделанный погружая SAMPле в ванну с растворителем) проводят в 2-proponal, не открывая клетку. Таким образом, время разработки зависит от размера ячейки и толщины зазора, и, как правило, занимает 12 – 24 часов. Замена IP-L решетка с другими образцами лазерной записи, такие как лазерная абляция индуцированное узор и лазерной индуцированной химически модифицированной поверхностью, может привести к выравнивании LC и в большом сокращении времени изготовления. Во-вторых, ХПЛ мягкий вопрос, который всегда страдает прилипание на стеклянной подложке. Свет индуцированной деформации был подавлен, когда микроструктур придерживаться на поверхность. В-третьих, высота конструкции ограничена толщины ячейки и объективной рабочей дистанции. В системе лазерной записи, максимальная высота составляет около 100 мкм. Недавно разработанные методы 3D-печати может быть хорошим кандидатом для создания света приводится в действие структуру LCE от мезоскопическая до макроскопического масштаба. Тем не менее, сохранение ориентации молекул в процессе полимеризации, можетбыть основным вопросом, вызывающим озабоченность.

Этот метод уникален тем, что позволяет получить 3D-приводы в свободной форме по-настоящему микромасштабная, что невозможно с другими существующими методами. LCE микроструктур могут быть составлены по образцу с различной молекулярной ориентации и функциональных возможностей. Внедрение такой методики по дальнейшей химической инженерии, позволит сделать приводы чувствительны к другим источникам стимула и откроет для разработки эффективных микророботов и мягких фотонных устройств.

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