Atuadores de luz de forma livre - Fabricação e Controle de atuação em escala microscópica

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.

elastômeros cristalinos líquidos (LCES) são materiais inteligentes capazes de reversível forma de mudanças em resposta a estímulos externos, e têm atraído a atenção dos pesquisadores em muitos campos. A maioria dos estudos focados em estruturas LCE macroscópicos (filmes, fibras) e sua miniaturização ainda está em sua infância. Recentemente desenvolveu técnicas de litografia, por exemplo., A exposição máscara e moldagem de réplica, só permitem para a criação de estruturas 2D em filmes finos LCE. escrita direta do laser (DLW) abre o acesso a fabricação verdadeiramente 3D em escala microscópica. No entanto, controlando a topologia de actuação dinâmica e na mesma escala comprimento continua a ser um desafio.

Neste artigo, relatamos um método para controlar o cristal líquido (LC) alinhamento molecular nas microestruturas LCE de forma arbitrária tridimensional. Isto foi tornado possível por uma combinação de escrita de laser directo para ambas as estruturas de LCE, bem como por padrões micrograting induzindoLC alinhamento local. Vários tipos de padrões de grelha foram usadas para introduzir diferentes alinhamentos de LC, que pode ser subsequentemente modelado nas estruturas LCE. Este protocolo permite a obtenção de microestruturas LCE com alinhamentos modificadas capazes de realizar o accionamento múltiplos opto-mecânicos, sendo assim capaz de várias funcionalidades. Os aplicativos podem ser previstas nas áreas de fotônica ajustáveis, micro-robótica, tecnologia lab-on-chip e outros.

Microatuadores são estruturas microscópicas que podem transmitir energia externa para a operação de outro mecanismo ou sistema. Devido ao tamanho compacto e capacidade de controle remoto, eles têm sido amplamente utilizados em sistemas lab-on-chip ^1, micro-sensores ^2, e micro robótica ^3. Os atuadores disponíveis até à data pode executar ações somente simples, tais como inchaço / colapso em uma matriz de hidrogel ^4, a contração / flexão ⁵ em uma direção com o campo externo. Embora as técnicas recentemente desenvolvidas têm permitido para fabricar estruturas de actuação escala microscópica ^6, ainda é um grande desafio para controlar essas atuações na mesma escala de comprimento. Este artigo relata um método para preparar 3D luz ativar microestruturas com propriedades de atuação controláveis. A técnica baseia-se na escrita direta do laser (DLW), e é demonstrado em elastômeros cristalinos líquidos (LCES).

LCEs são sofpolímeros t pentear a propriedade de elastômero e orientação líquido cristalino. Estes materiais são capazes de grande deformação (20-400%) sob vários tipos de estímulos externos ^7. A vantagem de usar LCEs para microactuadores é a conveniência de ordem molecular engenharia nas estruturas, o que permite controlar a actuação na escala microscópica ^8. LC monómeros são sintetizados com radical acrilato, permitindo que um único passo de foto-polimerização. Esta propriedade permite o acesso a diferentes tipos de técnicas de litografia para a fabricação de microestruturas 3D. Azo-corantes como moléculas responsivas foto estão ligados à rede de polímero por um processo de co-polimerização. Tais moléculas combinam a sua capacidade de resposta à luz forte (trans para isomerização cis) com o aquecimento induzida por luz do sistema proporcionando controlada luz deformação.

DLW é uma técnica para obtenção de estruturas de polímero em um materi fotossensívelai por controlo espacial de um feixe laser focalizado ^9. DLW permite a criação de 3D ​​estruturas de forma livre no LCE sem perder o alinhamento molecular ^6. Há várias vantagens de DLW na fabricação de microactuadores LCE. Em primeiro lugar, a resolução pode atingir a escala submicrónica, e as estruturas são realmente 3D ^6. Métodos de fabricação LCE micro previamente relatados, por exemplo., A exposição mascarada ¹⁰ e réplica de moldagem ^11, estabeleceu a solução para cerca de 10 mm e só tem geometria 2D. Em segundo lugar, DLW é um processo de fabricação de não-contato. Um solvente adequado pode desenvolver estruturas de alta qualidade, mantendo a configuração concebida. Técnica de moldagem réplica raramente dá resolução sub-micron ¹² e da qualidade estrutural é difícil de controlar. Em terceiro lugar, a escrita de laser oferece opções versáteis para orientação LC local em escala microscópica ^8,13. Entre os vários tipos de técnicas de orientação LC, fricção é o moscamisa de maneira eficiente para orientar moléculas de LC e tem sido amplamente utilizada na preparação da película fina LCE. Isto tem sido geralmente conseguida por fricção sobre as camadas de polímero para gerar micro-ranhuras sobre as superfícies internas de uma célula infiltrada por monómeros de LC. Devido ao efeito de ancoragem de superfície, tais micro-ranhuras são capazes de orientar a molécula de LC ao longo da direcção do sulco. DLW permite o fabrico directo dessas microranhuras na região seleccionada no sentido pré-concebido com muito maior exactidão. Todas essas características fazem DLW, uma técnica original perfeito para a fabricação e controle de atuação na escala microscópica.

Com base em DLW, microestruturas LCE pode ser modelada com diferentes orientações moleculares. Com o alinhamento composto dentro de uma única estrutura de LCE, atuações multifuncionais se tornam possíveis. O método pode ser usado para a fabricação de microactuadores LCE com qualquer tipo de mistura de monómero de LC. Por engenharia química adicional, é possível fazer oatuadores sensíveis a outras fontes de estímulo, por exemplo., humidade ou iluminação no comprimento de onda diferente.

Nota: Este protocolo contém três etapas: IP-L ralar preparação para orientação molecular LC, DLW na LCE e atuação luz caracterização. O esquema do sistema de escrita de laser directo é mostrada na Figura 1, enquanto que o sistema de micro-manipulação é mostrado na Figura 5.

1. IP-L Grades Padrão Preparação

1. Tirar um microscópio tampa deslizante (3 cm de diâmetro), e limpe-o com acetona usando tecidos de lente.
2. Coloque alguns espaçadores (microesferas de vidro) com a ajuda de uma ponta de metal em 3 pontos diferentes da lâmina de vidro cerca de 0,5 cm de distância do seu centro.
3. Coloque uma outra lâmina de microscópio (1 cm de diâmetro) no topo dos espaçadores. Use uma dica para pressionar suavemente sobre o topo da lâmina de vidro superior.
4. Colocar uma gota (cerca de 2 ul) de cola curável por radiação ultravioleta em três pontos diferentes, respectivamente, no limite superior do vidro.
5. Antes de a cola penetra muito into da abertura, usar a luz UV para solidificar a cola. A célula é agora formado.
6. Colocar uma gota (cerca de 10 L) de resina de IP-G no limite da célula usando uma pipeta. Espera durante alguns minutos até que o líquido é infiltrado em toda a área da célula.
7. Use cola para fixar o celular no suporte da amostra e colocá-lo no sistema de escrita direta do laser.
8. Escolha um objetivo 100X, e encontrar a interface na superfície interna superior, seguido de correção de inclinação nesta superfície.
9. Escrever as estruturas do projetado IP-L padrões ralar com uma fonte de laser e uma velocidade de digitalização de 6 mW e 60 mm / s, respectivamente. Os padrões de ralar são feitas por IP-L curva ou linhas retas.
10. Repita os passos 1.8 e 1.9 na superfície interna inferior.
11. Retire a célula, e mergulhar a amostra num banho de 2-propanol sem abrir o celular, por 12-24 horas.
12. Retire a célula a partir do solvente, e secá-la sobre a placa quente (50 ° C) durante 10-20 min.

2. LCE Fabrication microestrutura

1. Medida ~ 300 mg de mistura de monómeros sobre o equilíbrio. Ver a composição molecular na Tabela 1.
2. Coloque a mistura preparada dentro de um frasco de vidro, e colocá-lo em um conjunto placa quente a 70 - 80 ° C.
3. Aguardar até que todos os fundidos em pó, adicionar um agitador magnético, e misturar a mistura durante 1 hora (90-150 rpm).
4. Coloque a célula na placa quente a 60 ° C.
5. Colocar uma gota (aproximadamente 20 ul) da mistura sobre a borda da lâmina de vidro menor e esperar até que o líquido se infiltra para dentro da célula.
6. Transferir a célula ao microscópio óptico com um polarizador cruzado e um controlador de temperatura. Mantenha tudo no escuro durante a transferência, e colocar um filtro laranja antes de a lâmpada de iluminação para filtrar o UV.
7. Aumentar a temperatura acima da célula 60 ° C, utilizando um controlador de temperatura sobre o microscópio, então diminuir a temperatura (2-10 ° C por minuto), Para medir o intervalo de temperatura para a fase LC. Uma mistura com a composição molecular diferente tem uma temperatura de fase LC diferente. Uma boa fase nemático LC homogénea pode ser reconhecido através da observação da inversão de contraste da imagem durante a rotação da amostra a cada 45 ° em relação ao eixo do polarizador.
8. Fixar o celular no suporte de amostras, coloque-o no sistema DLW, e ajustar a temperatura para alcançar a fase LC (medida no passo 2.7).
9. Localizar a interface na superfície interior inferior e realizar a correcção de inclinação utilizando uma objectiva 100X, ou uma objectiva 10X sem encontrar a interface.
10. Escrever as estruturas LCE pelo uso de DLW com uma potência de laser e uma velocidade de digitalização de 4 mW e 60 mm / seg sobre a lâmina de vidro inferior usando objetivo 100X. Caso contrário, usar com uma fonte de laser e uma velocidade de varrimento de 14 mW e 60 mm / seg usando objectiva 10X (LCE estrutura é fabricada ao longo de toda a espessura da amostra).
11. Retire a célula, e usar uma lâmina paraabrir a célula de remover a placa de vidro superior.
12. Mergulhar as estruturas em um banho de tolueno durante 5 min.
13. Retire a amostra, e secar ao ar durante 10 min.

3. Caracterização de Atuação Luz de microestruturas LCE

1. Colocar a amostra no microscópio óptico (20X) e focar um feixe de laser (CW, 532 nm, 50-500 mW) de 10X objetiva sobre as estruturas.
2. Observar a luz deformação induzida pelo microscópio óptico da câmera CMOS (taxa de quadros de 25,8 fps).
3. Use o controle manual do sistema de micro-manipulação (Figura 5) para colocar a ponta de vidro em uma posição perto das microestruturas LCE.
4. Ligar o laser de baixa potência em (~ 20 mW), de modo a aumentar a temperatura do LCE (devido à absorção de luz), e, portanto, abrandar a estrutura.
5. Use uma ponta de vidro para pegar uma microestrutura LCE, e mantê-lo no ar. Este processo é necessária para evitar a aderência da superfície de vidro.
6. tonelÊ O laser para a alta potência (> 100 mW), e observar a deformação estrutura LCE.
7. Grave a deformação induzida pela luz com a câmera microscópio.

A Figura 1 mostra a configuração óptico para gravação a laser. O sistema consiste de um laser de fibra de 780 nm a geração de impulsos 130 FSEC na taxa de repetição de 100 MHz. O feixe de laser é reflectido num telescópio para ajustar o perfil de feixe para a abertura de objectiva de microscópio óptico em que é focado na amostra. No microscópio, um estágio piezo 3D é instalado com uma gama de 300 × 300 × 300 mm ³ viajar para a tradução amostra com uma velocidade máxima de 100 mm / seg a resolução de 2 nm. luz polarizada linearmente a partir de uma lâmpada vermelha acende-se a amostra a partir da parte superior, enquanto a imagem é recolhida no fundo da mesma objectiva e reflectido por um divisor de feixe para uma câmara CCD. Antes da câmera, outro polarizador é usado para obter cruz iluminação polarizada para contraste.

A Figura 2 mostra os elec digitalizaçãoTron microscópio (SEM) de imagens a laser de escrita IP-L padrões micrograting (passo 1). O espaçamento de ranhura está na gama de 400 - 1200 nm, enquanto que a altura das ranhuras (topo-a-Valley) é de cerca de 700 nm. padrões de grelha com orientações diferentes podem induzir diferentes alinhamentos de LC, dependendo da actuação pretendida do elemento LCE.

A Figura 3 mostra a orientação LC monómero induzida pelos IP-L padrões de grelha (Passo 2.7). Em primeiro lugar, quatro tipos de micro-ralar com padrão de tamanho de 100 x 100 mm ^{2 para} cada um foram fabricados em lados opostos de uma célula de vidro (mostrado esquematicamente na Figura 3a). Devido à superfície de fixação, os monómeros de LC foram infiltradas orientada ao longo da direcção com linhas de grelha, apresentando, assim, 45 ° contraste inversão no microscópio óptico polarizado (POM) imagem (Figura 3b).

A Figura 4 mostra as imagens de MEV de uma LCE nano pontos / linha fabricados no IP-L redes ralar com orientação diferente (Passo 2.10). Dentro da rede de ralar, as estruturas LCE tornar-se mais confinado, com resistência muito maior para o desenvolvimento em tolueno. A largura mínima do LCE desconectado foi medido como sendo de ~ 300 nm, o que é consistente com a resolução de DLW sem o padrão de grade. Outra abordagem interessante para aplicação fotónica poderia ser a realização da estrutura periódica grande escala. Figura 4 (c, d) mostra 2D LCE estruturas periódicas dentro de uma rede de micro-ralar. Os alinhamentos estão bem conservadas dentro destas nanoestruturas, como mostrado nas imagens inseridas POM da Figura 4 (c, d). No entanto, luz induzida deformação não poderia ser obtida nestas nanoestruturas. Isso ocorre porque no âmbito do IP-L ralar, os elementos nano-LCE foram altamente confinados e adesão impede qualquer deformação visível.

O sistema de manipulação de micro baseia-se num microscópio caseira reflectida e é mostrado esquematicamente na Figura 5. A objectiva 10X é fixada num tubo de lente colocada em uma placa de ensaio óptico vertical de pé. A 730 nm IR fonte de luz LED é usado para a iluminação através de um divisor de feixe não polarizado. A imagem refletida é coletado pelo mesmo objetivo e projetada na câmera. Um estado sólido de 532 nm do laser contínuo é acoplado para o objectivo por um espelho dicróico passe (transmissão de 50% e reflexão em 567 nm) com um ângulo de incidência de 45 °. Um medidor de energia mede o feixe transmitido após o espelho dicróico para a detecção em tempo real da potência do laser. Um ponto de laser focado frouxamente de ~ 150 um de diâmetro gera intensidade máxima de iluminação de ~ 10 W / ^mm2. intensidade do laser é controlado por um filtro de densidade neutra variável colocada na frente do laser. Abaixo do objectivo, a tr manual do 3Destágio anslation é usado para tradução amostra. Uma etapa de aquecimento instalado no estágio de translação é usado para um controlo preciso da temperatura da amostra num intervalo desde -20 a 120 ° C com uma precisão de 0,5 ° C. Duas pontas de vidro montada sobre duas etapas tradução manual ter sido colocada no lado esquerdo e direito, perto da posição da amostra. Estrutura micro manipulação pode ser realizada movendo-se cuidadosamente as pontas com a ajuda das fases de tradução.

Para demonstrar o alinhamento e correlação deformação, podemos fabricar quatro estruturas LCE cilíndricos com 60 mm de diâmetro e 20 mm de altura. Estes cilindros são escritos em quatro ralar-L IP regiões diferente orientado (1 mícron período). Sob luz de excitação, os corantes dentro do LCE absorver energia luminosa e transferi-la para a rede. As estruturas LCE são aquecidos e, em seguida, passam por transição de fase (nematic para isotrópico). Tal transição de fase também é ajudadopela isomerização de trans para cis do corante nas mesmas estímulos luminosos. Assim, o contrato estruturas ao longo do director alinhamento LC original e expandir na direção perpendicular ^7. Dependendo diferentes alinhamentos locais induzidas pelos IP-L grades, estas estruturas deformar ao longo de diferentes direcções, como se mostra na Figura 6 (Passo 3.1).

Esta técnica permite a criação de actuadores de compostos, que contêm mais do que um tipo de alinhamento em uma única estrutura. Uma faixa LCE 400 × 40 × 20 um tamanho ³ com duas secções de padrão de alinhamento foi fabricado, como esquematicamente mostrado na Figura 7 (a). Estas secções de alinhamento contêm cada um 90 ° orientação torcida em uma direção diferente. A superfície com contratos alinhamento paralelo, enquanto o um com o alinhamento perpendicular se expande sob iluminação de luz. A estrutura tem sido picked-se pelo sistema de micromanipulação, e manteve no ar por uma ponta de vidro. curvatura dupla foi observado sob iluminação de luz (Passo 3.3). Um feixe de laser modulada (usando um helicóptero óptico) pode induzir deformações cíclicas. LCE pode responder após a frequência de modulação laser (> Hz 1k). No entanto, a amplitude de deformação diminui com o aumento da frequência ^14.

Figura 1: Optical Configurar para escrita direta do laser Um feixe de 780 nm laser (130 pulso FSEC, taxa de repetição de 100 MHz) é acoplado em um microscópio e focado por um objectivo microscópio óptico na amostra.. A fase piezo 3D com intervalo de 300 × 300 × 300 mm ³ viagens é utilizado para a tradução da amostra durante a exposição laser. Por favor clique aqui para ver a la versão rger desta figura.

Figura 2:. SEM Imagens de IP-L Micro-gradeamentos a) estrutura de linha paralela unidirecional. b) Radial padrão de grade. Barra de escala:. 10 m Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3:. IP-G Micro-grating Induzir LC Orientação a) Representação esquemática dos padrões-grating micro concebidos para a orientação LC. b) imagem POM da orientação da LC induzida pelos padrões micrograting. A barra de escala é de 50 mm. A cor vermelha é devido ao filtro que impede que o foto-polimerização.ge.jpg "target =" _ blank "> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4:. Imagens SEM de nanoestruturas LCE incorporado dentro de IP-L Grating Redes de a) e b) Dois padrões-grating micro foram fabricados por DLW ao longo de diferentes direcções, enquanto nanopontos LCE são fabricados dentro da rede de ralar. c) e d) nanoestruturas LCE Periódica incorporado dentro do mesmo tipo de IP-L gradeamentos. Inserções são a imagem POM das estruturas. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5:. Esquemático do Setup Micromanipulação Um estado sólido 532 laser de nm CW é acoplado em um home-made sistema de microscópio. A 10X Objectivo é usado para geração de imagens e focar o laser de 532 nm para a excitação. Duas etapas tradução manual equipados com manipuladores de ponta de vidro são usadas para a amostra de micro-manipulação. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6: Luz de atuação da LCE Micro-cilindros em Quatro-L IP Micrograting diferentes regiões com diferentes orientações a) Quatro LCE estruturas cilíndricas com 60 mm de diâmetro e 20 mm de altura, escrito em quatro regiões de ralar micro diferentemente orientadas.. b) cilindros LCE deformar ao longo de eixos diferentes (dependendo dos alinhamentos ralar induzido) quando expostos a uma radiação laser de 532 nm (10 mm ^W-2). Barra de escala: 100? m.les / ftp_upload / 53744 / 53744fig6large.jpg "target =" _ blank "> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 7: Deformação Luz-driven de microestruturas LCE com alinhamentos múltiplos Molecular a) esquemática de duas seções de opostos 90 ° alinhamentos torcidas em uma única faixa LCE.. b) e c) As imagens ópticas de 400 um stripe LCE longo dobra em direções opostas sob 532 iluminação do laser nm (3 W mm ^{-2) 8.} Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

IP-L técnica de orientação a grade micro foi integrado com DLW orientação monómeros cristalinos líquidos. LCE micro-estruturas posteriormente escrita a laser também pode ser modelada com o alinhamento projetado no micro escala. Esta técnica permite-nos criar elementos composto LCE que podem suportar múltiplas funcionalidades. Com notável capacidade para criar microestruturas 3D precisos e de controle de atuação, esperamos que esta técnica a ser utilizada para a criação de robôs microscópicos elastômero com base ^14, e abrir uma infinidade de novas estratégias para a obtenção de dispositivos ajustáveis ​​luz ^15.

Existem dois passos críticos na preparação. A primeira é que os dois vidros da célula deve ser firmemente coladas (passo 1.4, 1.5). A cola de cura por UV preserva a estabilidade da geometria da célula durante o desenvolvimento: o movimento de um vidro da célula em relação ao outro irá resultar num alinhamento de piorLCE. Em segundo lugar, a velocidade de gravação a laser durante LCE estrutura de escrita deve ser tão alta quanto possível, enquanto objectiva 100X é escolhido. Devido ao forte aumento de volume da LCE durante o processo de escrita de laser, a estrutura inchada se moveria para fora da posição concebida, afectando, assim, a qualidade dos accionadores fabricados.

Em alguns casos, a luz é observada induzida deformabilidade a deteriorar-se nas estruturas. Isto pode ser devido ao branqueamento do corante sob alta intensidade de iluminação. Uma vez que as moléculas de corante ter sido desligado, o LCE estrutura comporta-se como um meio transparente, e a absorção de luz / deformação induzida luz é suprimida. A potência do laser menor seria mais seguro para a atuação de microestruturas LCE.

Existem também algumas desvantagens deste método. Em primeiro lugar, todo o processo leva um tempo relativamente longo. A fim de manter a configuração da célula, o primeiro processo de desenvolvimento de IP-G (feito por imersão do SAMPle em um banho de solvente) é levada a cabo em 2-proponal, sem abertura da célula. O tempo de desenvolvimento depende, assim, o tamanho da célula e a espessura da fenda, e, geralmente, demora cerca de 12 - 24 horas. Substituindo o PI-G grating com outros padrões graváveis ​​de laser, tal como induzida por laser padrão de ablação e induzida por laser superfície quimicamente modificada, poderia resultar em alinhamento LC e em uma grande redução do tempo de fabrico. Em segundo lugar, LCE é uma matéria macia que sofre sempre aderência sobre o substrato de vidro. Luz deformação induzida foi suprimida quando as microestruturas ficar sobre a superfície. Em terceiro lugar, a altura da estrutura é limitada por a espessura da célula de trabalho e a distância objectivo. No sistema de escrita de laser, a altura máxima é de cerca de 100 um. técnicas de impressão 3D recentemente desenvolvidas poderia ser um bom candidato para a criação de luz acionada estrutura LCE de mesoscopic a escala macroscópica. No entanto, a manutenção da orientação molecular durante a polimerização poderiaser o principal motivo de preocupação.

Esta técnica é único porque permite a obtenção de 3D actuadores de forma livre no verdadeiramente microescala, o que não é possível com outras técnicas existentes. microestruturas LCE pode ser modelada com diferentes orientações moleculares e funcionalidades. Implementação de tal técnica por mais engenharia química, permitirá fazer os atuadores sensível a outras fontes de estímulo e vai abrir a desenvolver microrobots eficientes e dispositivos fotônicos macios.

The authors declare that they have no competing financial interests.

A investigação conducente a estes resultados beneficiaram de financiamento do Conselho Europeu de Investigação no âmbito do Sétimo Programa-Quadro da União Europeia (FP7 / 2007-2013) / ERC acordo de subvenção n ^o [291349] no fotônicos micro robótica e de projeto SEED IIT Microswim. Agradecemos também o apoio da Ente Cassa di Risparmio di Firenze. Agradecemos todo o sistema ótico do Grupo de Sistemas Complexo na lente por feedback e discussões.