Preparación de redes de cristal líquido para macroscópico movimiento oscilatoria inducida por luz

Resumen

El objetivo del protocolo es crear películas de polímero cristalino líquido que pueden oscilar mecánicamente bajo irradiación de la luz continua. Describimos con gran detalle el concepto del cine independiente, desde el método de alineación del cristal líquido para la impulsión de la foto. El protocolo experimental aplicado para preparar este material es ampliamente aplicable.

Resumen

Se describe una estrategia basada en redes cristalinas líquidas dopadas para crear oscilaciones mecánicas autosostenidas de películas plásticas bajo irradiación de la luz continua. La foto excitación de dopantes que puede disipar rápidamente la luz en calor, junto con la expansión térmica anisotrópica y uno mismo-observación de la película, da lugar a la deformación autosostenida. Las oscilaciones observadas están influenciadas por las dimensiones y el módulo de la película y por la direccionalidad e intensidad de la luz. El sistema desarrollado ofrece aplicaciones en conversión de energía y cosecha para suave-robótica y sistemas automatizados.

El método general descrito aquí consiste en crear películas cristalinas líquidas exentas y caracterizar los efectos mecánicos y térmicos observados. La alineación molecular se logra utilizando capas de alineación (frotado polyimide), utilizadas en la industria manufacturera de pantalla. Actuadores con grandes deformaciones, los mesógenos están alineados y polimerizados en una configuración de derrame de la curva, es decir, con el director de los cristales del líquido (LCs) va poco a poco de plana a homeotropic a través del espesor de la película. Sobre la irradiación, las oscilaciones mecánicas y térmicas obtenidas son monitoreadas con una cámara de alta velocidad. Los resultados se cuantifican más por análisis de imagen utilizando un programa de procesamiento de imágenes.

Introducción

La búsqueda hacia la energía sostenible es un área de creciente interés en respuesta al agotamiento de energías fósiles y el cambio climático. Métodos para convertir la energía luminosa en trabajo mecánico en la actualidad están siendo investigados, como la energía fotovoltaica para generar electricidad, biomasa para producir combustibles, agua solar partir para producir oxígeno e hidrógeno. Sin embargo, todos estos procesos impulsados por luz requieren varios pasos antes de su producción de energía puede funcionar las máquinas que realizan el trabajo. Aunque estos enfoques ofrecen un amplio panel de aplicaciones, que requieren la producción, almacenamiento y transporte de productos intermedios (por ejemplo, combustibles químicos, potenciales eléctricos). Por lo tanto, dispositivos capaces de convertir directamente la luz del sol en movimiento macroscópico presentan ventajas de simplificación.

En las últimas décadas, se han desarrollado muchos ejemplos de foto-actuadores donde polímeros cambian forma a irradiación^1,2,3. Sin embargo, en la gran mayoría de estos ejemplos, accionamiento continuo requiere encender la luz de encendido/apagado para cambiar de un estado a otro. Hasta ahora, sólo un número limitado de materiales foto sensibles fuera de equilibrio ha sido descrito^4,5,6,7. Sistemas basados en cristal líquido redes (LCNs)^{8,9,10,11,12,13} también son investigados debido a su intrínseca anisotropía que permite programar la deformación en una manera controlada¹⁴. Recientemente, fue divulgado que el efecto foto-térmico inducido por la excitación de los foto-estabilizadores incorporados en LCN puede generar movimiento oscilatorio¹⁵.

Aquí, se describe el método para crear películas LCN que oscilan mecánicamente bajo irradiación de la luz continua. La concepción de las películas es detallada de la preparación de las células a la caracterización y la polimerización de las mezclas de la LC. También se informó de la impulsión de la foto de las películas de la LCN y el análisis de la propuesta. El LCNs son dopados con moléculas que pueden disipar rápidamente la luz en calor dentro de la red, que induce la expansión térmica anisotrópica y posterior deformación macroscópica de la película. Una interacción entre la sombra, variaciones de temperatura y contracción/elongación del material da lugar al movimiento oscilatorio¹⁵. La configuración exacta, incluyendo la orientación de la luz y la muestra para obtener este efecto se destaca en el protocolo. La oscilación se caracteriza por su frecuencia y controlada por las propiedades de la LCN. A nuestro conocimiento, éste es la primera descripción de un método para la creación de películas LCN que puede uno, por un mecanismo simple de trabajar con una amplia gama de dopantes.

Protocolo

Nota: el procedimiento general se detalla en la figura 1.

1. preparación de las células

1. limpieza de placas de vidrio
   1. limpiar las placas de vidrio de 3 cm x 3 cm con agua caliente y jabón para eliminar contaminaciones ( figura 1A).
   2. Colocar las placas de vidrio en un vaso y cubrir con etanol 99.5% ( figura 1B).
   3. Lugar el vaso en un baño ultrasónico durante unos 10 minutos
   4. Cuidadosamente, seque las placas de vidrio con un tejido y aire soplado.
   5. Asegurarse de que no hay ningún rastro de solventes, polvo, o cualquier tipo de contaminación se queden en las placas.
      Nota: Las placas de vidrio son ahora limpiamos y debe manipularse con guantes.
   6. Colocar las placas de vidrio en un photoreactor UV-ozono por 20 min para eliminar cualquier residuo orgánico. Después del tratamiento de ozono, las placas están listas para el paso de capa ( figura 1).
2. Capa de placas de vidrio
   Nota: se preparan dos juegos de placas cubiertas: un sistema con una capa de alineamiento planar y la otra con una alineación de homeotropic. En una etapa posterior, la celda estará compuesta de una placa de cristal y una placa de cristal de homeotropic ( figura 1).
   1. Aire soplar una placa de vidrio y colóquelo en el recubridor spin.
   2. Depósito de la solución de polyimide en la placa de vidrio para cubrir toda la superficie (aproximadamente 0,5 mL de solución).
   3. Giro de la capa la capa de alineación con las siguientes condiciones: programa 1: 5 s a 17 x g y la aceleración de g x 11/s; Programa 2:40 s en 420 x g y la aceleración de 17 x g/s.
3. Curado de las capas de alineación
   1. Coloque las placas de vidrio revestido en una placa caliente a 110 ° C durante 10 min para eliminar la mayoría de los solventes presentes en la mezcla de la capa de alineación ( Figura 1E).
   2. Marcar las placas de vidrio (en el lado no recubierto) con signos distintivos para reconocer lo homeotropic y las capas de alineación plana. Una pequeña flecha es generalmente útil para la placa de cristal ya que también indica la dirección del frotamiento en una etapa posterior ( Figura 1F).
   3. Una vez que están cubiertas todas las placas de vidrio, y el disolvente se elimina, coloque las placas de vidrio en un horno a 180 ° C por 1 h para curar la capa de poliimida ( figura 1).
      Atención: Este paso implica temperaturas extremadamente calientes; utilizar guantes, gafas y protección personal apropiada.
   4. Después de la cocción de las placas de vidrio, dejan enfriar a temperatura ambiente.
      Nota: Para evitar cualquier contaminación entre cada paso, se recomienda colocar una lámina de protección sobre las placas de cristal.
4. Frotar la capa de alineación plana
   1. frotar las placas de vidrio revestidas con la capa de alineación plana para crear microcanales (sub) en la capa que guiará la LC en una dirección. Para ello, coloque las placas de vidrio con el lado revestido hacia abajo sobre un paño de terciopelo. Aplique una presión suave y uniforme con dos dedos. Cuidadosamente arrastre el plato de cristal a lo largo de la superficie de la tela de terciopelo en una dirección recta. Levante la placa de vidrio y repetir la misma operación tres veces ( figura 1 H).
      Nota: Es fundamental frotar la placa en una sola dirección y sólo yendo hacia adelante. Yendo y viniendo en dirección recta dará lugar a una mala alineación.
5. Pegar las células
   1. aire soplar las placas de vidrio mediante el soplador de aire.
   2. Preparar el adhesivo mezclando un pegamento de secado UV con espaciadores (abalorios) de 20 μm de diámetro definidas.
   3. Tomar una placa de vidrio recubierta con una capa de alineación plana y una placa de vidrio recubierta con una capa de alineación homeotropic. Colocar dos pequeñas gotas de pegamento en dos esquinas adyacentes del cristal. Luego coloque dos otras gotas de pegamento en unos 5 mm de las esquinas últimos dos ( figura 1I).
   4. Tomar la placa de cristal de homeotropic y colóquelo en la parte superior. Deje una separación de unos 4 mm entre los bordes de las placas de vidrio para proporcionar suficiente espacio para la mezcla de la LC. Asegúrese de que los lados recubiertos están uno frente al otro.
   5. Curar el pegamento colocando la célula durante 2 min bajo UV luz.
      PRECAUCIÓN: La luz UV es peligrosa; utilizar guantes, gafas y protección personal apropiada.

2. Preparación de la mezcla de LC y caracterización

1. componentes
   1. pesan 97,5 mg de la LC diacrylate 1, 2,5 mg de estabilizador de la foto y 1 mg de fotoiniciador en un frasco de vidrio marrón ( figura 2). Debido a la sensibilidad del iniciador, evitar la exposición a los rayos UV a la mezcla lo mejor posible.
2. Mezcla homogénea de los polvos
   Nota: este paso se lleva a cabo en una campana química.
   1. Añadir 3 mL de diclorometano (DCM) para los componentes anteriores y agitar hasta que el sólido se haya disuelto completamente.
   2. Colocar el frasco en un plato caliente a 30 ° C por 30 min y agregar un flujo de argón para promover la rápida evaporación de la DCM.
      Nota: Se recomienda colocar el frasco en el vacío para eliminar cualquier rastro residual de DCM.
3. Observación bajo polarización óptica Microscopio (POM) para la determinación de transición de fase
   1. una vez que la mezcla esté completamente seca, colocar una pequeña cantidad (± 10 mg) entre dos placas de vidrio revestidas con la capa de alineación plana.
      Nota: Para caracterizar las fases correctamente, se recomienda utilizar placas de vidrio planas unrubbed.
   2. Coloque los portaobjetos en un POM equipado con una platina caliente. Calentar la celda hasta que la imagen se vuelve negra (con polarizadores cruzados) indicando la fase isotrópica.
   3. Lentamente enfriar la placa y tenga en cuenta las temperaturas de transición. Para la mezcla descrita, isotrópico a la transición de nemático es a 103 ° C y la nemática, esméctica transición ocurre a 86 º C ( Figura 3A).

3. Preparación de la película

1. relleno de las células ( Figura 1J)
   1. lugar el celular en una placa caliente con el lado homeotropic hacia arriba. Ajustar la temperatura a 110 ° C (fase isotrópica) para facilitar el relleno de la celda porque el líquido es menos viscoso que en la fase nemática.
   2. Coloque parte de la mezcla sólida en el borde de la célula.
   3. Del sólido se derrita y la mezcla líquida fluye por capilaridad en la célula. Agregar más mezcla en el borde hasta que la célula es.
2. De enfriamiento a la fase nemática y polimerización ( figura 1 K)
   1. una vez que la célula se llena, poco a poco enfriarlo (5 ° C/min) a 90 ° C en la fase nemática.
   2. Cuanto la película esté a la temperatura adecuada, polimerice la mezcla colocándola bajo UV luz a 90 º C durante 30 minutos
      PRECAUCIÓN: La luz UV es peligrosa, se recomienda llevar a cabo la polimerización en un entorno protegido.
   3. Un paso de la cocción se recomienda para asegurar la polimerización completa de la red. Coloque la celda en un plato caliente a 130 ° C durante unos 10 minutos y déjelo enfriar lentamente hasta temperatura ambiente.
3. Apertura de la célula y el corte de la muestra
   1. para abrir la celda, poner una hoja de afeitar en una borde y empuje entre las placas de dos vidrio. El celular se abre a la vez ( figura 1 L).
   2. De pelar la película, levantar un pequeño rincón con una cuchilla de afeitar. Si es necesario, la placa puede colocarse en agua caliente para facilitar la remoción de la película ( figura 1 M).
   3. Retirar la película del agua y pelar con cuidado lo
   4. Cortar una franja a lo largo de la Directora molecular (sobándose la dirección de la parte plana) de la película con las siguientes dimensiones: 4 m x 2,5 cm ( figura 1N).

4. Observación de uno mismo-oscilación

1. programa de instalación en el laboratorio
   1. abrazadera la muestra usando una pinza de cierre automático de tal manera de 1,7 cm de la película es libre de moverse.
   2. Mantener la muestra en posición vertical y directa de la perpendicular de la viga (400 mW/cm ²) diodo (LED) a la muestra de emisión de luz. Normalmente, la luz es aproximadamente de 20 cm la muestra. La luz debe llegar a la cima de la película, debajo de la pinza ( figura 4). Las oscilaciones obtenidas son grabadas con una cámara de alta velocidad (150 fotogramas/s) y analizadas con un programa de procesamiento de imagen.
2. Instalación con luz solar directa
   1. proceder como se describe en pasos 4.1.1 pero en lugar de utilizar la luz, enfocar la luz del sol sobre la película con una lente de.
3. Medición del efecto térmico
   1. medir la variación de temperatura en la muestra oscilante mediante una cámara térmica ¹⁵ (40 frames/s).

Resultados

El éxito del protocolo es la observación del movimiento oscilatorio de la película bajo irradiación de la luz. Las oscilaciones son grandes y no hay resultado engañoso puede verse. Por otra parte, las oscilaciones son estables en el tiempo (calendario de horas) y se observó poca fatiga.

Entre otros, la calidad de la alineación splay es de importancia para la realización de la actuación autosostenida (figura 5A). El gradiente de orientación molecular a lo largo del espesor de la película induce una contracción/expansión en los lados planos/homeotropic de la película sobre actuación^16,17,18. Esta respuesta asimétrica realza el movimiento macroscópico. El hecho de que la experimento (ausencia de flexión, pequeña deformación o flexión impar) puede explicarse por una mala alineación de la LC. En primer lugar, la película debe ser transparente. (Figura 5B).  Para verificar la correcta alineación biselada en un simple paso, la película atada sustrato de vidrio se observa entre polarizadores cruzados encima de una fuente de luz blanca difusa (figura 5-E). Girando la película entre los polarizadores cruzados de 0° a 45° en el plano xy, la película debe cambiar mucho brillo. Por que gira la película fuera del plano por el director molecular, la película debe cambiar el color de negro (en avión) a blanco (fuera plano) mientras que la visión de la parte superior. Pasos de verificación similar pueden hacerse antes de la polimerización mediante la observación de la célula a través de un polarizador sobre la placa cubierta con una lámina de aluminio. Por otra parte, cuando la película se corta en tiras, presenta una curvatura natural con el centro de la curva en el lado de homeotropic. Esto es debido a la tensión residual procedentes de la polimerización en temperatura elevada, donde las expansiones de los dos lados de la película tienen signos opuestos (figura 6A). En caso de que la alineación no es exitosa, el método para preparar las capas de poliamida debería ser reconsiderado. La producción de esas células es crucial para obtener películas bien alineadas. El paso más crítico es el frotamiento: una presión demasiado fuerte sobre la placa Retire parcialmente el polyimide capa y dar lugar a una capa de comando muy pobre para la alineación. A temperatura ambiente la película es en el estado de vidrio (figura 3B). Si la película es suave y pegajosa, que significa que la polimerización no se ha completado, probablemente porque el tiempo de irradiación es demasiado corto o se degrada el iniciador. La mezcla de mesógenos LC debe ser homogéneo y se seque antes el relleno de la celda, debido a la presencia del solvente puede influir en el comportamiento de fase de la mezcla de la LC. La mezcla de la LC debe alinearse antes de la polimerización. Deben tomarse precauciones para evitar la polimerización térmica durante el proceso de alineación a través de los pasos rápidamente y no calentar la muestra por encima de 130 ° C durante un tiempo prolongado. Llenar la celda justo por encima del punto de compensación es suficiente (110 ° C).

Las oscilaciones mecánicas y térmicas registradas por la cámara de alta velocidad confirman el éxito del protocolo presentado (figura 7; Video 1). Cuando la película se fija en un extremo, dejando 1,7 cm irradiado y libre de moverse en el lado plano con la luz enfocada, se despliega hacia el estado plano en la dirección de la luz (Figura 6B). La bisagra se encuentra en la posición del punto de enfoque de la luz (figura 4). La película debe moverse suavemente, perpendicular a la abrazadera y no en el lado. Entonces la película empiece a moverse continuamente con oscilaciones de frecuencia Hz 7,6 ± 5% y amplitud 30 ° ± 10% para una película de dimensiones 1,7 cm x 0.4 cm x 20 μm. Las oscilaciones térmicas medición con la cámara térmica presente la misma frecuencia (7,4 Hz ± 5%), con un retraso de fase ligera debido a la inercia de la película. Esta frecuencia f depende de las dimensiones y el módulo de la película¹⁵. La amplitud de las oscilaciones varía con la intensidad de la luz y será influenciada por la configuración y en particular, el posicionamiento del punto de enfoque de la luz en la muestra. El mecanismo de la oscilación es la siguiente: 1) la película rizada es irradiada con la luz enfocada, el dopant absorbe la luz y la convierte en calor, la película se calienta en la bisagra y se despliega en la dirección previamente definida por la alineación de la LC; 2) la punta de las sombras la bisagra de la película, que induce una disminución de su temperatura y su posterior inflexible por la relajación; 3) la bisagra está otra vez bajo irradiación, calienta para arriba y la película dobla¹⁵. La repetición de estos pasos sucesivos da lugar a las oscilaciones. Los factores clave en la observación de este fenómeno son el efecto foto-térmico y la uno mismo-observación de la película, controlada por la intensidad y la posición de la luz enfocada (figura 4). Por ejemplo, una lámpara ligeramente inclinada inducirá una completa que se encrespa de la muestra. Por otra parte, demasiado de una intensidad de luz no da gran flexión porque la temperatura en la bisagra es insuficiente, mientras que demasiado de una intensidad de luz en la bisagra inducirá la superación (figura 6, 180 ° de flexión de la película). Otro requisito para el éxito del experimento es colocar la configuración en un entorno protegido del viento para evitar la perturbación.

Figura 1. El procedimiento general para obtener el derrame alineado LCN en 14 pasos (de A-N). Pasos A–C: limpieza de las placas de vidrio; pasos D–G: revestimiento de las placas de vidrio para crear planos o capas de alineación de homeotropic; paso H: frotamiento de las placas de vidrio con un paño de terciopelo; paso : pegado de las placas para formar la célula; paso J: llenar la celda con la mezcla de LC y alineación en la fase nemática; paso K: foto polimerización bajo luz UV; L–Nlos pasos: apertura de la celda y el corte de la película para obtener una tira. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2. Estructuras químicas de los componentes usados. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3. Caracterización térmica de la mezcla de monómero y polímero película. Un) diferencial calorimetry (DSC) de la mezcla antes de la polimerización para determinar las transiciones de fase. Inserciones: POM cuadros, barras de escala: 100 μm. B) medición de análisis térmico mecánico dinámico (DMTA) de la película polimérica. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4. Imagen de configuración que muestra el LED en el lado izquierdo y la película oscilante a la pinza delante de la luz. El recuadro muestra la representación esquemática de la película doblada y la iluminación de luz localizada. El área roja corresponde a la articulación tibia mencionada en el texto. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5. A) representación esquemática de la alineación biselada. Cuadro B) de la célula de vidrio frente el logo de la TU/e muestra la transparencia y la ausencia de color de la película. La flecha indica la dirección del frotamiento de la placa de cristal. C - E) imágenes de la película tomada entre polarizadores cruzados mostrando las características de la alineación splay (Imagen D: rotación de 45 ° en el plano XY, Figura E: giro en el plano xy). El director molecular de la alineación está indicado por la flecha roja. Barra de escala: 1 cm. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6. Foto de A) de la película con una pinzas mostrando una curvatura natural con el centro de la curva en el lado de homeotropic. Cuadro B) de la película va a un estado plano en foto-irradiación (365 nanómetro, 0,52 W/cm²). C) imagen de una película que irradia con demasiado de una intensidad de luz con un doblez a 180 °. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 7. Oscilaciones mecánicas de la punta de la película con el tiempo durante la irradiación con luz ultravioleta (LED 365 nm, 0,52 W/cm²). Inserciones: Imágenes de la conmovedora película grabada con la cámara de alta velocidad. La geometría de la película es 1,7 cm (largo) x 0,4 cm (ancho) x 20 μm (gruesa). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 8. Oscilaciones térmicas del área expuesta (bisagra) en el tiempo durante la irradiación con luz ultravioleta (LED 365 nm, 0,52 W/cm²). Inserciones: Imágenes de la película oscilante con el perfil de temperatura registrada con la cámara termográfica que muestra los cambios de temperatura en la bisagra. La geometría de la película es 1,7 cm (largo) x 0,4 cm (ancho) x 20 μm (gruesa). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Discusión

Los resultados aquí descritos son comparables con el anterior estudio¹⁵ una diacrylate LC con un espaciador de 6 carbonos. Demuestra que el método para obtener la oscilación puede aplicarse a las películas con diferentes propiedades mecánicas¹⁶.

La preparación de un foto-térmica sensible LCN se divulga. Hay unos pasos en el protocolo descrito que son críticos, como el roce de las capas de alineación planar y la preparación de la célula. De hecho, el éxito del Protocolo se basa en la calidad de la alineación abocinada de LC, que también limita la aplicación a láminas delgadas.

Anteriormente, muchos ejemplos de foto-actuadores basados en LCNs que contienen una gran cantidad de interruptores de la foto han sido reportados^11,12,13,19. Las principales ventajas del método desarrollado aquí son la limitada cantidad de dopantes es necesario observar la actuación (< 5% en peso) y la amplia elección de dopantes disponibles. ¹⁵ estos resultados amplían la gama de aplicaciones potenciales. Por otra parte, el poder de este protocolo es la posibilidad de variar la frecuencia y la amplitud de la oscilación cambiando el módulo de la película con una composición diferente de la matriz, las dimensiones de la banda y la intensidad de la luz.

Esta metodología puede ampliarse fácilmente para fabricar materiales de una amplia gama de LC para sistemas automatizados. El protocolo descrito en el presente allana el camino para el desarrollo de sistemas de no equilibrio para materiales blandos-robótica y automáticos.

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
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