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* Ces auteurs ont contribué à parts égales
L’objectif du protocole est de créer des films de polymères cristallins liquides qui peuvent osciller mécaniquement sous irradiation de lumière continue. Les auteurs décrivent en détail la conception de films autonome, de la méthode d’alignement de cristaux liquides pour la photo-actionnement. Le protocole expérimental appliqué pour préparer ce matériel est généralement applicable.
Une stratégie basée sur des réseaux cristallins liquides dopés est décrite pour créer des oscillations mécaniques auto-entretenue de films plastiques sous irradiation de lumière continue. La photo-l’excitation des dopants qui peut dissiper rapidement la lumière en chaleur, couplée avec une dilatation thermique anisotrope et l’occultation du film, donne lieu à la déformation auto-entretenue. Les oscillations observées sont influencées par les dimensions et le module du film et de la directivité et l’intensité de la lumière. Le système développé offre des applications dans la conversion de l’énergie et de récolte pour soft-robotique et de systèmes automatisés.
La méthode décrite ici se compose de création de films cristallins liquides autoportantes et caractériser les effets mécaniques et thermiques observées. L’alignement moléculaire est obtenue en utilisant des couches de l’alignement (polyimide frotté), couramment utilisés dans l’affichage, l’industrie manufacturière. Pour obtenir des actionneurs avec grandes déformations, les mésogènes sont alignés et polymérisés dans une configuration d’ébrasement/flexion, c'est-à-direavec le directeur des cristaux liquides (LCs), passant progressivement de planaires à homéotropique par le biais de l’épaisseur du film. Lors de l’irradiation, les oscillations mécaniques et thermiques obtenues sont surveillées avec une caméra à haute vitesse. Les résultats sont encore quantifiés par analyse d’image à l’aide d’une programme de traitement d’image.
La recherche vers les énergies renouvelables est un domaine de plus en plus d’intérêt en réponse à l’épuisement des énergies fossiles et les changements climatiques. Méthodes pour convertir l’énergie lumineuse en travail mécanique sont actuellement étudiées, telles que l’énergie photovoltaïque pour produire de l’électricité, la biomasse pour produire des carburants, fractionnement pour produire de l’oxygène et l’hydrogène solaire de l’eau. Cependant, tous ces processus, alimentées par la lumière nécessitent plusieurs étapes avant que leur production d’énergie peut exécuter des machines qui effectuent des travaux. Bien que ces approches offrent un large panel d’applications, dont ils ont besoin de production, de stockage et de transport des intermédiaires (p. ex., électriques combustibles potentiels, chimiques). Par conséquent, capable de convertir directement la lumière du soleil en mouvement macroscopique des dispositifs présentent des avantages de simplification.
Au cours des dernières décennies, beaucoup d’exemples de photo-actionneurs ont été développés où polymères modifie la forme après irradiation1,2,3. Toutefois, dans la grande majorité de ces exemples, actionnement continu requiert tournant le voyant marche/arrêt pour passer d’un État à l’autre. Jusqu’ici, seulement un nombre limité de matériaux sensibles aux photo travaillant hors équilibre a été décrit4,5,6,7. Systèmes basés sur les cristaux liquides networks (LCNs)8,9,10,11,12,13 sont également étudiés en raison de leur intrinsèque anisotropie qui permet de préprogrammation de la déformation dans un mode contrôlé14. Récemment, il a été signalé que l’effet photo thermique induite par l’excitation de photo-stabilisateurs intégrés dans LCN peut générer mouvement oscillatoire15.
Ici, la méthode pour créer des films LCN qui oscillent mécaniquement sous irradiation de lumière continue est décrite. La conception des films est détaillée de la préparation des cellules pour la caractérisation et la polymérisation des mélanges LC. On rapporte aussi la photo-actionnement des films LCN et l’analyse de la requête. Les LCNs sont dopés avec des molécules qui peuvent dissiper rapidement la lumière en chaleur au sein du réseau, ce qui induit une dilatation thermique anisotrope et déformation macroscopique subséquente du film. Une interaction entre l’occultation, variations de température et contraction/allongement du matériau donne naissance au mouvement oscillatoire15. Le programme d’installation précis, y compris l’orientation de la lumière et de l’échantillon pour obtenir cet effet est mis en surbrillance dans le protocole. L’oscillation est caractérisée par sa fréquence et contrôlée par les propriétés de la LCN. À notre connaissance, c’est la première description d’une méthode pour la création de films LCN qui peuvent osciller automatique, par un mécanisme simple de travailler avec un large éventail de dopants.
Remarque : la procédure globale est détaillée dans la Figure 1.
1. préparation des cellules
2. LC mélange préparation et caractérisation
composants3. Préparation du film
4. L’auto-oscillation Observation
Le succès du protocole est l’observation du mouvement oscillatoire du film sous irradiation lumineuse. Oscillations sont grandes et aucun résultat trompeuse ne peut être vu. En outre, les oscillations sont stables dans le temps (échelle de temps d’heures) et on a observé peu de fatigue.
Entre autres, la qualité de l’alignement ébrasement est d’importance pour l’accomplissement de l’actionnement auto-entretenue (Figure 5 a). Le gradient dans l’orientation moléculaire dans toute l’épaisseur du film induit une contraction/expansion aux côtés du film à actionnement16,17,18planar/homéotropique. Cette réaction asymétrique améliore le mouvement macroscopique. L’échec de l’expérience (absence de flexion, la petite déformation ou le pliage impair) peut s’expliquer par un mauvais alignement de la LC. Tout d’abord, le film devrait être transparent. (Figure 5 b). Pour vérifier l’alignement correct ébrasement en une seule étape simple, le film attaché au substrat de verre est observé entre polariseurs croisés au-dessus d’une source lumineuse blanche diffusée (Figure 5-E). En tournant le film entre les polariseurs croisés de 0° à 45° dans le plan xy, le film devrait changer brusquement la luminosité. En tournant le film hors de l’avion autour de la directrice moléculaire, le film doit changer de couleur du noir (en avion) au blanc (hors plan) tout en regardant par le haut. Les étapes de vérification similaire peuvent être faits avant la polymérisation en observant la cellule grâce à un polariseur sur le dessus de la plaque de cuisson recouverte d’une feuille d’aluminium. En outre, lorsque le film est coupé en lanières, elle présente une courbure naturelle avec le centre de la courbe du côté de homéotropique. Cela est dû à la contrainte résiduelle provenant de la polymérisation à une température élevée, où les expansions des deux côtés du film ont des signes opposés (Figure 6 a). Dans le cas où l’alignement ne réussit pas, la méthode pour préparer les couches de polyimide devrait être reconsidérée. La production de ces cellules est essentielle obtenir des films bien alignées. L’étape la plus critique est le frottement : une pression trop forte sur la plaque va supprimer partiellement le polyimide couche et se traduire par une couche de commande très pauvre pour l’alignement. À température ambiante, le film est dans l’état de verre (Figure 3 b). Si le film est molle et collante, cela signifie que la polymérisation n'est pas terminée, probablement parce que le temps d’irradiation est trop court ou l’initiateur est dégradée. Le mélange des mésogènes LC doit être homogène et sèche avant le remplissage de la cellule, car la présence de solvants susceptibles d’influencer le comportement de phase du mélange LC. Le mélange de LC sont aligné avant polymérisation. Devraient prendre les précautions nécessaires pour éviter une polymérisation thermique au cours du processus de l’alignement en passant par les étapes rapidement et ne chauffe ne pas l’échantillon supérieure à 130 ° C pendant une période prolongée. Remplissage de la cellule juste au-dessus du point de compensation est suffisante (110 ° C).
Les oscillations mécaniques et thermiques, enregistrées par la caméra à grande vitesse confirment le succès du protocole présenté (Figure 7; Vidéo 1). Lorsque le film est fixé à une extrémité, laissant 1,7 cm libre de se déplacer et irradié à la face plane avec lumière concentrée, il dépliage vers l’État plat dans le sens de la lumière (Figure 6 b). La charnière se trouve à la position de la point de focalisation de la lumière (Figure 4). Le film doit se déplacer en douceur, perpendiculairement à la pince et non sur le côté. Le film commence alors à se déplacer en permanence avec des oscillations de fréquence Hz 7,6 ± 5 % et amplitude 30 ° ± 10 %, pour un film de dimensions 1,7 cm x 0,4 cm x 20 µm. Les oscillations thermiques mesurées avec la caméra thermique présente la même fréquence (7,4 Hz ± 5 %), avec un retard de phase légère en raison de l’inertie du film. Cette fréquence f est régi par les dimensions et le module du film15. L’amplitude des oscillations varie avec l’intensité de la lumière et sera influencé par l’installation et en particulier, le positionnement de la point de focalisation de la lumière sur l’échantillon. Le mécanisme d’oscillation est comme suit : 1) le film recourbé est irradié avec lumière concentrée, le dopant absorbe la lumière et la transforme en chaleur, le film se réchauffe à sa charnière et dépliage en direction prédéfinie par l’alignement de la LC ; 2) la pointe occulte la charnière du film, qui induit une diminution de sa température et son inflexible ultérieures de relaxation ; 3) la charnière est à nouveau sous irradiation, se réchauffe et le film penche15. La répétition de ces étapes successives donne lieu aux oscillations. Les facteurs clés dans l’observation de ce phénomène sont l’effet photo thermique et l’occultation automatique du film, contrôlé par l’intensité et la position de la lumière concentrée (Figure 4). Par exemple, une lampe légèrement inclinée induira un curling complète de l’échantillon. En outre, trop faible d’une intensité lumineuse ne donne pas grande flexion parce que la température à la charnière est insuffisante, alors que c’est trop élevé, d’une intensité lumineuse sur la charnière va entraîner le dépassement (Figure 6, 180 ° de flexion du film). Une autre condition pour le succès de l’expérience consiste à placer la configuration dans un environnement protégé contre le vent pour éviter les perturbations.
La figure 1. La procédure globale pour obtenir l’ébrasement alignés LCN en 14 étapes (à partir de A-N). Étapes A–C: nettoyage des plaques de verre ; les étapes D–G: revêtement des plaques de verre pour créer planaire ou couches de homéotropique de l’alignement ; Etape H: frotter les plaques de verre à l’aide d’un chiffon de velours ; étape I: coller les platines pour former la cellule ; Etape J: remplissage de la cellule avec le mélange de la LC et l’alignement dans la phase nématique ; Etape K: photo-polymérisation sous UV ; L–Nles étapes : ouverture de la cellule et le découpage du film pour obtenir une bande. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
La figure 2. Des Structures chimiques des composants utilisés. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
La figure 3. Caractérisation thermique du mélange monomère et polymère Film. Un) différentielle à balayage calorimetry (DSC) du mélange avant la polymérisation pour déterminer les transitions de phase. Incrustations : Photos POM, barreaux de l’échelle : 100 µm. B) mesure analyse thermique mécanique dynamique (DMTA) ou le film polymère. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
La figure 4. Photo de l’installation montrant la LED sur le côté gauche et le Film oscillant serré à la pince à épiler devant la lumière. L’encart montre la représentation schématique du film plié et l’illumination lumineuse localisée. La zone rouge correspond à la charnière chaude mentionnée dans le texte. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 5. A) Représentation schématique de l’alignement ébrasement. Photo B) de la cellule de verre devant le logo de la TU/e montrant la transparence et l’absence de couleur du film. La flèche indique le sens de frottement de la plaque de verre planes. C - E) photos du film pris entre polariseurs croisés montrant les caractéristiques de l’alignement ébrasement (Photo D: rotation de 45 ° dans le plan XY, E de la photo: pivotant sur le plan xy). Le directeur moléculaire de l’alignement est indiqué par la flèche rouge. Echelle : 1 cm. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
La figure 6. A) photo du film serré avec une pince montrant une courbure naturelle avec le centre de la courbe du côté de homéotropique. B) image du film se rendant dans un État plat sur photo-irradiation (365 nm, 0,52 W/cm2). Photo C) d’un film irradié avec trop élevée d’une intensité lumineuse montrant un pliage à 180 °. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
La figure 7. Des Oscillations mécaniques de la pointe du Film au fil du temps lors de l’Irradiation UV lumière (LED 365 nm, 0,52 W/cm2). Incrustations : Captures d’écran du film émouvant enregistré avec la caméra à grande vitesse. La géométrie du film est de 1,7 cm (longueur) x 0,4 cm (largeur) x 20 µm (épais). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
La figure 8. Des Oscillations thermiques de la surface exposée (charnière) au fil du temps lors de l’Irradiation UV lumière (LED 365 nm, 0,52 W/cm2). Incrustations : Captures d’écran du film oscillant avec le profil de température enregistrées avec la caméra thermique indiquant les changements de la température à la charnière. La géométrie du film est de 1,7 cm (longueur) x 0,4 cm (largeur) x 20 µm (épais). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Les résultats décrits ici sont comparables à la précédente étude15 un diacrylate de LC avec un espacement de 6 atomes de carbone. Il montre que la méthode pour obtenir l’oscillation peut être appliquée à des films avec des propriétés mécaniques différentes16.
On rapporte la préparation d’un LCN réactif photo thermique. Il y a quelques étapes dans le protocole décrit qui sont critiques, tels que le frottement des couches planes de l’alignement et la préparation de la cellule. En effet, le succès du protocole repose sur la qualité de l’alignement ébrasement LC, ce qui limite également l’application de couches minces.
Auparavant, beaucoup d’exemples de photo-actionneurs issus de LCNs qui contiennent une grande quantité de photos de course ont été déclarés11,12,13,19. Les principaux avantages de la méthode développée ici sont la quantité limitée des dopants nécessaires pour observer l’actionnement (< 5 % en poids) et le large choix des dopants disponibles. 15 ces résultats élargir l’éventail d’applications potentielles. En outre, la puissance de ce protocole est la possibilité de faire varier la fréquence et l’amplitude de l’oscillation en changeant le modulo du film avec une composition différente de matrice, les dimensions de la bande et l’intensité de la lumière.
Cette méthodologie peut être facilement étendue pour fabriquer un matériaux large gamme de LC pour les systèmes automatisés. Le protocole décrit ci-après ouvre la voie au développement de systèmes hors équilibre des matériaux doux-robotique et automatiques.
Les auteurs n’ont aucun conflit d’intérêts.
Ce travail a été soutenu financièrement par l’Organisation néerlandaise pour la recherche scientifique (NWO - TOP PUNT Grant : 10018944) et l’European Research Council (ERC vibrer, Grant 669991). A. H. G. reconnaît le financement du programme personnes (Actions Marie Curie) de l’Union européenne septième Framework programme FP7-2013, Grant no 607602.
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 |
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