Syftet med protokollet är att skapa flytande kristallin Polymerplaster som mekaniskt kan svänga under kontinuerlig ljus bestrålning. Vi beskriver i detalj befruktningen av fristående filmer, från metoden flytande kristall anpassningen till den foto-aktivering. Experimentell protokollet tillämpas för att förbereda detta material är allmänt tillämplig.
En strategi baserad på dopade flytande kristallin nätverk beskrivs för att skapa mekanisk självbärande svängningar av plastfilmer under kontinuerlig ljus bestrålning. Foto-excitation av dopants som snabbt kan försvinna ljus till värme, tillsammans med anisotropisk värmeutvidgning och själv skuggning av filmen, ger upphov till självbärande deformation. Svängningarna observerats är influerad av dimensionerna och modulusen av filmen, och den riktverkan och intensiteten av ljuset. Systemet utvecklas erbjuder program i energiomvandling och skörd för soft-robotics och automatiserade system.
Den allmänna metod som beskrivs här består av att skapa fristående flytande kristallin filmer och karakterisera de mekaniska och termiska effekter som observerats. Den molekylära justeringen uppnås med hjälp av justering lager (gnuggade Polyimid), vanligen används i displayen tillverkningsindustrin. För att erhålla ställdon med stora deformationer, är mesogens linje och polymeriseras i en splay/böj konfiguration, dvsmed direktören för flytande kristaller (LCs) ska gradvis från planar homeotropic genom filmtjockleken. Vid bestrålning övervakas mekaniska och termiska svängningarna erhålls med en höghastighetskamera. Resultaten ytterligare kvantifieras av bildanalys med hjälp av ett program för bildbehandling.
Sökningen mot hållbar energi är ett område av växande intresse för svar till utarmning av fossil energi och klimatförändringar. Metoder för att omvandla ljus energi till mekaniskt arbete för närvarande utreds, såsom solceller för elproduktion, biomassa för att producera bränslen, sol vatten uppdelning för att producera syre och väte. Men kräver alla dessa processer som drivs av ljus flera steg innan sin energiproduktion kan köra maskiner som utför ett arbete. Även om dessa metoder erbjuder en stor panel av applikationer, kräver de produktion, lagring och transport av intermediärer (t.ex., elektrisk potential, kemiska bränslen). Därför presentera enheter kan konvertera direkt solljus till makroskopisk rörelser fördelarna med förenkling.
I de sista årtiondena, har många exempel på foto-ställdon utvecklats där polymererna ändrar form vid bestrålning1,2,3. I den stora majoriteten av dessa exempel kräver dock kontinuerlig aktivering vänder ljuset/på att växla från en stat till en annan. Hittills har har endast ett begränsat antal foto-lyhörd material arbetar ute-av-jämvikt funnits beskrivna4,5,6,7. System baserade på flytande kristaller nätverk (LCNs)8,9,10,11,12,13 har också undersökts på grund av deras inneboende anisotropi som möjliggör preprogramming deformation i ett kontrollerat sätt14. Nyligen rapporterades det att den foto-termisk effekt som induceras av excitation av foto-stabilisatorer införlivas i LCN kan generera oscillerande rörelse15.
Här beskrivs metoden för att skapa LCN filmer som mekaniskt pendlar under kontinuerlig ljus bestrålning. Befruktningen av filmerna är detaljerad från beredning av cellerna för karakterisering och polymerisation av LC blandningar. Den foto-aktivering av LCN filmerna och analys av förslaget redovisas. LCNs är dopade med molekyler som kan snabbt avleda ljuset till värme inom nätverket, som inducerar Anisotrop termisk expansion och efterföljande makroskopiska deformation av filmen. Ett samspel mellan Self shadowing, temperaturvariationer och kontraktion/töjning av materialet ger upphov till de oscillerande rörelse15. Den exakta konfigurationen, inklusive orienteringen av ljuset och provet att få denna effekt är markerad i protokollet. Svängningen kännetecknas av dess frekvens och kontrolleras av egenskaperna för LCN. Till vår kunskap är detta den första beskrivningen av en metod för skapandet av LCN filmer som själv kan svänga, genom en enkel mekanism som arbetar med ett brett utbud av dopants.
De resultat som beskrivs här är jämförbara med de tidigare studie15 på en LC diacrylate med ett mellanlägg av 6 kolatomer. Det visar att metoden att få svängning kan tillämpas på filmer med olika mekaniska egenskaper16.
Utarbetandet av en foto-termisk lyhörd LCN rapporteras. Det finns några steg i protokollet beskrivs som är kritiska, såsom gnuggbilden av planar justering lager och beredning av cellen. Faktiskt, framgången för protokollet förlitar sig på den höga kvaliteten på LC splay justering, vilket också begränsar programmet till tunna filmer.
Många exempel på foto-ställdon utifrån LCNs som innehåller en stor mängd foto-växlar har tidigare varit rapporterade11,12,13,19. De främsta fördelarna med den metod som utvecklats här är den begränsa mängden dopants som behövs för att iaktta aktivering (< 5 wt %) och breda val av dopants tillgängliga. 15 dessa resultat öka utbudet av potentiella tillämpningar. Kraften i detta protokoll är dessutom förmågan att variera frekvensen och amplituden av svängningen genom att ändra modulusen av filmen med en annan matris sammansättning, mått av stripe och ljusintensiteten.
Denna metod kan lätt utökas för att fabricera ett brett utbud av LC material för automatiserade system. Protokollet beskrivs häri banar väg för utvecklingen av icke-jämvikt system för soft-robotics och automatiserade material.
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete fick ekonomiskt stöd av den nederländska organisationen för vetenskaplig forskning (NWO – TOP PUNT Grant: 10018944) och European Research Council (vibrera ERC, Grant 669991). A. H. G. erkänner finansiering från programmet människor (Marie Curie Actions) av EU: s sjunde ramprogrammet Program FP7-2013, Grant nr 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 |