Подготовка жидких кристаллов сетей для макроскопических колебательного движения, вызванные света

Резюме

Целью протокола является создание жидкий кристаллический полимер фильмов, которые механически может колебаться под непрерывный свет облучения. Мы очень подробно описывают Зачатия фильмов свободностоящая, от метод выравнивания жидкий кристалл для фото срабатывания. Экспериментальный протокол, применяется подготовить этот материал широко применяется.

Аннотация

Стратегия, основанная на легированных жидкий кристаллический сети описан для создания механических хозрасчетных колебания пластиковых пленок под непрерывный свет облучения. Фото возбуждение активаторов, которые могут быстро рассеивания света в тепло, в сочетании с анизотропной теплового расширения и самостоятельной затенение фильма, дает основание для хозрасчетных деформации. Колебания наблюдается зависят размеры и модуль фильма и направленность и интенсивность света. Разработанная система предлагает приложений преобразования энергии и заготовка для софт робототехника и автоматизированных систем.

Общий метод, описанный здесь состоит из создания свободностоящая жидкий кристаллический фильмов и характеризующие механические и тепловые эффекты наблюдается. Молекулярные выравнивание достигается с помощью выравнивания слоев (потер полиимида), широко используется на дисплее, обрабатывающей промышленности. Чтобы получить приводы с большой деформации, мезогенов по краю и полимеризуется в конфигурации splay/Бенд, т.е., с директором жидких кристаллов (LCs) будет постепенно от плоской homeotropic через толщина пленки. После облучения механические и температурные колебания полученные контролируются с помощью высокоскоростной камеры. Результаты дальнейших количественно путем анализа изображений, с помощью программы обработки изображений.

Введение

Поиск к устойчивой энергетике вызывает растущий интерес в ответ на истощение ископаемых источников энергии и изменения климата. Методы преобразования световой энергии в механическую работу в настоящее время ведется расследование, например батарей для выработки электроэнергии, биомассы для производства топлива, солнечное, колки для производства кислорода и водорода. Однако все эти процессы, подпитывается света требуют несколько шагов, прежде чем их производство энергии можно запускать машин, которые выполняют работу. Хотя эти подходы предлагают большой группы приложений, они требуют производства, хранения и транспортировки интермедиаты (например, Электрический потенциал, химического топлива). Следовательно устройства способны непосредственно преобразуют солнечный свет в макроскопическом движении представить преимущества упрощения.

В последние десятилетия были разработаны многие примеры фото приводы, где полимеров изменить форму после облучения^1,2,3. Однако в большинстве из этих примеров, постоянное срабатывание требует, превращая света вкл/выкл для переключения от одного государства к другому. До настоящего времени только ограниченное количество фото отзывчивым работает вне равновесия материалов был описано^4,5,6,7. Из-за их внутренние также исследуются системы, основанные на жидкокристаллический сетей (LCNs)^{8,9,10,11,12,13} анизотропия, что позволяет для программируя деформации в контролируемых мода¹⁴. Недавно было сообщено, что фото тепловой эффект, индуцированных возбуждение фото стабилизаторы включены в LCN может генерировать колебательного движения¹⁵.

Здесь описан метод для создания фильмов LCN, которые механически коле­баться под непрерывный свет облучения. Характеристика и Полимеризация смеси LC от подготовки клетки подробно зачатия фильмов. Сообщается также о фото-приведение в действие фильмов LCN и анализа движения. LCNs легированного молекул, которые могут быстро рассеивать свет в тепла внутри сети, которая побуждает анизотропной теплового расширения и последующей деформации макроскопических фильма. Взаимодействие между самостоятельной затенение, колебания температуры и сжатие/растяжение материала рождает колебательного движения¹⁵. Точной установки, включая направление света и образец, чтобы получить этот эффект будет выделена в протоколе. Колебания характеризуется его частоту и контролируется свойства LCN. Насколько нам известно это первое описание метода для создания фильмов LCN, которые самостоятельно может колебаться, путем простой механизм работы с широким спектром активаторов.

протокол

Примечание: общая процедура приводится на рис. 1.

1. Подготовка клетки

1. Очистка стекла
   1. тщательно очистить стеклянные пластины 3 x 3 см с мылом и горячей водой для удаления загрязнений ( рис. 1A).
   2. Место стеклянные пластины в стакан и крышка с этанолом 99,5% ( рис. 1B).
   3. Место стакан в ультразвуковой ванне около 10 мин
   4. Тщательно высушить стеклянные пластины с ткани и ветром воздухом.
   5. Убедитесь, что нет никаких следов растворителя, пыль, или любой тип загрязнения оставил на тарелках.
      Примечание: Стеклянные пластины теперь чисты и должны управляться перчатки с.
   6. Место стеклянные пластины в УФ озон photoreactor для 20 мин для удаления любых органических остатков. После озонирования, пластины готовы для покрытия шаг ( рис. 1 c).
2. Покрытие стеклянных пластин
   Примечание: составляются два набора пластины с покрытием: один набор с планарной выравнивание слоя и другой с homeotropic выравнивание. В более поздней стадии ячейка будет состоять из одной плоской стеклянной пластины и один homeotropic стеклянной пластины ( рис. 1 d).
   1. Воздушный удар со стеклянной пластиной и поместите его на спин coater.
   2. Депозит полиимида раствор на стеклянную пластину для покрытия всей поверхности (около 0,5 мл раствора).
   3. Спина пальто выравнивания слой согласно следующим условиям: Программа 1: 5 s 17 x g и ускорение 11 x g/s; Программа 2:40 s на 420 x g и ускорение 17 x g/s.
3. Отверждение выравнивание слоев
   1. Поместите пластины для стекла с покрытием на горячей плите при 110 ° C 10 мин для того, чтобы удалить часть растворителя в выравнивание слоя смеси ( Рисунок 1E).
   2. Марк стеклянные пластины (на стороне-покрытием) с отличительные знаки признать homeotropic и Вселенский выравнивания слоев. Маленькая стрелка обычно полезно для плоской стеклянной пластины, так как он также указывает направление трения, описанные в поздней стадии ( рис. 1F).
   3. После того, как все стеклянные пластины покрыты, и растворитель удаляют, место стеклянные пластины в духовке при 180 ° C для 1 h вылечить полиимида слой ( рис. 1 g).
      Предупреждение: Этот шаг включает в себя чрезвычайно горячей температуры; Надевайте перчатки, очки и надлежащей личной защиты.
   4. После выпечки стеклянные пластины, дайте им остыть до комнатной температуры.
      Примечание: Чтобы избежать любого загрязнения между каждым шагом, рекомендуется поместить защитную пленку над пластинами стекла.
4. Трения Вселенский выравнивания слой
   1. руб., стеклянные пластины, покрытые слоем плоских выравнивания для того чтобы создать микроканалов (суб) в слое, который будет направлять LC в одном направлении. Чтобы сделать это, поместите стеклянные пластины с покрытием стороной вниз на бархатной ткани. Придайте равномерное и мягкое давление с двумя пальцами. Тщательно перетащите стеклянной пластины вдоль поверхности бархатной ткани в направлении прямой. Снять стеклянную пластину и повторить ту же операцию, три раза ( рис. 1 H).
      Примечание: Важно руб пластину в одном направлении и только во время идти вперед. Туда и обратно в прямой направлении приведет к плохое выравнивание.
5. Склеивания клетки
   1. воздуха дуть стеклянные пластины, с помощью воздуходувки.
   2. Подготовить клей, смешивая УФ отверждения клея с прокладками (бисер) четко диаметром 20 мкм.
   3. Взять стеклянной пластины, покрытые слоем плоских выравнивание и одной стеклянной пластины, покрытые слоем homeotropic выравнивания. Место два крошечные капли клея на двух смежных углов плоские стекла. Затем поместите две капли клея на около 5 мм от двух последних углы ( Рисунок 1I).
   4. Принимать homeotropic стеклянную пластину и разместить его на вершине. Оставьте зазор около 4 мм между краями стекла, чтобы обеспечить достаточно места для LC смеси. Убедитесь, что покрытием стороны сталкиваются друг с другом.
   5. Вылечить клей, поместив ячейку на 2 мин под УФ света.
      Предупреждение: Опасно УФ света; Надевайте перчатки, очки и надлежащей личной защиты.

2. Подготовка смеси LC и характеристика

компоненты

1. 1. весят 97,5 мг LC diacrylate 1, 2,5 мг фото-стабилизатор и 1 мг фотоинициатора во флаконе коричневого стекла ( рис. 2). Из-за чувствительности инициатора, предотвратить под действием ультрафиолетовых лучей в как можно лучше смесь.
2. Гомогенная смесь порошков
   Примечание: этот шаг выполняется в химические вытяжки.
   1. Добавить 3 мл Дихлорметан (DCM) выше компонентов и встряхнуть, пока полностью не растворится твердых.
   2. Место флакона на горячей плите на 30 ° C в течение 30 минут и добавить потока аргона для поощрения быстрого испарения DCM.
      Примечание: Рекомендуется размещать флакона в вакууме, чтобы удалить любой остаточный след DCM.
3. Наблюдения под поляризованных оптических микроскопов (POM) в для определения переходного этапа
   1. после того, как смесь полностью высохнет, место небольшое количество (± 10 мг) между двумя стеклянные пластины, покрытые слоем плоских выравнивания.
      Примечание: Для того чтобы характеризовать фазы надлежащим образом, рекомендуется использовать unrubbed плоские стеклянные пластины.
   2. Место слайды в POM с горячей сцене. Нагревают ячейку до тех пор, пока изображение становится черным (с помощью скрещенными поляризаторами) указанием этапа изотропным.
   3. Медленно остыть поджарки и отметить переход температур. Для смеси, описанных выше, изотропной нематические переход на 103 ° C и нематические smectic переход происходит на 86 ° C ( рис. 3A).

3. Подготовка фильма

1. Заполнение клеток ( Рисунок 1J)
   1. место клетки на горячей плите с homeotropic стороной вверх. Установите температуру до 110 ° C (изотропная этап) для облегчения заполнения ячейки, потому, что жидкость является менее вязкой, чем в фазе нематические.
   2. Место частью твердой смеси на краю ячейки.
   3. Твердых расплавов и жидкой смеси пропускает Волосность в ячейке. Добавить больше смесь на краю до тех пор, пока клетка заполняется.
2. Охлаждения нематические фазы и полимеризации ( рис. 1 K)
   1. после заполнения ячейки, медленно охладить его (5 ° C/мин) до 90 ° C в фазе нематические.
   2. Как только при правильной температуре, фильм полимеризоваться смесь, поместив его под УФ света на 90 ° C на 30 мин
      Предупреждение: УФ света является опасным, рекомендуется выполнять полимеризации в защищенной среде.
   3. A после выпечки шаг рекомендуется для обеспечения полной полимеризации по сети. Место ячейки на горячей плите при 130 ° C около 10 минут и пусть медленно остыть до комнатной температуры.
3. Открытие ячейки и резки образца
   1. Открыть ячейку, поместите лезвие на одном кромки и вставьте его между двух стеклянных пластин. Клетки открывает одновременно ( рис. 1 L).
   2. Снимать фильм, поднять маленький уголок с лезвием бритвы. При необходимости, стеклянной пластины могут быть размещены в горячей воде для облегчения удаления фильма ( рис. 1 M).
   3. Удалить фильм из воды и осторожно очистите его.
   4. Вырезать полосой вдоль молекулярных директор (растирание направлении плоские стороны) фильма, имеющего следующие размеры: 4 мм x 2,5 см ( Рисунок 1N).

4. Самостоятельной колебаний наблюдения

1. установки в лаборатории
   1. зажим образца с помощью самозакрывающиеся пинцет таким образом, что 1,7 см фильма свободно двигаться.
   2. Держите образец вертикально и прямой Светоиспускающий диод (LED) перпендикулярно света (400 МВт/см ²) в образце. Как правило свет, около 20 см, от образца. Свет должен достичь верхней части фильма, ниже пинцет ( рис. 4). Колебания полученные записываются с помощью высокоскоростной камеры (150 кадров/сек) и проанализированы с помощью программы обработки изображений.
2. Установки с прямыми солнечными лучами
   1. действуйте, как описано выше в шагах 4.1.1, но вместо светодиодный свет, сосредоточены солнечного света на вершине фильм с линзой.
3. Измерения теплового эффекта
   1. измерения изменения температуры в образце колеблющегося с помощью тепловизионной камеры ¹⁵ (40 кадров в секунду).

Результаты

Успех Протокола является замечанием колебательного движения пленки под легкие облучения. Большие колебания и не заблуждение результат можно увидеть. Кроме того колебания являются стабильными во времени (шкалы времени), и было отмечено мало усталость.

Среди прочего качество казать выравнивание имеет важное значение для достижения самообеспечения срабатывания (Рисунок 5A). Градиент в молекулярной ориентации по всей толщине пленки индуцирует сжатия/расширения на сторонах Вселенский/homeotropic фильма после срабатывания^16,17,18. Этот асимметричный ответ повышает макроскопических движения. Эксперимента (отсутствие изгиба, небольшой деформации или нечетные изгиб) может быть объяснено на плохое выравнивание LC. Во-первых фильм должен быть прозрачным. (Рисунок 5B).  Чтобы проверить правильное выравнивание наклона в простой шаг, фильм с стеклянной подложкой наблюдается между скрещенными поляризаторами выше рассеянного белого источника света (рис. 5 c-E). Вращая фильм между крест поляризаторы от 0° до 45°, в плоскости xy, фильм должен резко изменить яркость. Повернув фильм из плоскости вокруг молекулярной директор, фильм должен изменить цвет от черного (на плоскости) на белый (из плоскости) при просмотре сверху. Подобные шаги проверки может быть сделано до полимеризации, наблюдая за клетку через поляризатор поверх горячей плиты, покрытые алюминиевой фольги. Кроме того когда фильм режется в прокладках, он представляет естественной кривизны с центром кривой в сторону homeotropic. Это обусловлено остаточных напряжений, происходящих из полимеризации при повышенной температуре, где разложения обе стороны фильма имеют противоположные признаки (рис. 6A). В случае, если выравнивание не является успешным, следует пересмотреть метод для подготовки полиимида слои. Производство этих клеток имеет решающее значение для получения хорошо выровненные фильмов. Наиболее важным этапом является растирание: слишком сильное давление на плите будет удалить частично полиимида слоя и привести к очень бедных команды слой для выравнивания. При комнатной температуре фильм находится в состоянии стекла (рис. 3B). Если фильм мягкой и/или липкий, это означает, что полимеризации не завершена, наиболее вероятно потому что время облучения слишком короткий или инициатор снижается. Смесь LC мезогенов должно быть однородным и сухой перед заполнением ячеек, потому что присутствие растворителя может повлиять на поведение фазы смеси LC. LC смеси должны быть согласованы до полимеризации. Должны приниматься меры предосторожности для избежания термической полимеризации в процессе выравнивания, перейдя через шаги быстро и не Отопление пример выше 130 ° C в течение длительного времени. Заполнение ячейки чуть выше точки очистки является достаточным (110 ° C).

Механические и тепловые колебания, зарегистрированных по высокоскоростной камеры подтверждают успех представленных протокола (рис. 7; Видео 1). Когда фильм зажимается на одном конце, оставляя 1,7 см, свободно передвигаться и облученного на плоской стороне с сфокусированный свет, он разгибается к плоской государства в направлении света (Рисунок 6B). Петли расположен в позиции фокусной точки света (рис. 4). Фильм должен двигаться плавно, перпендикулярно зажим и не на стороне. Затем фильм начинает двигаться непрерывно с колебания частоты 7.6 Гц ± 5% и амплитудой 30 ° ± 10% для фильма размеры 1,7 х 0,4 см x 20 мкм. Тепловые колебания измеряется с тепловизионной камеры настоящее той же частоте (7.4 Гц ± 5%), с небольшим фазы задержка из-за инерции фильма. Эта частота f регулируется размеры и модуль фильм¹⁵. Амплитуда колебания будут определяться путем установки и, в частности, позиционирование фокусной точки света на образце и зависит от интенсивности света. Механизм качания является следующим: 1) свернувшись фильм облученного с сфокусированный свет, примеси поглощает свет и преобразует его в тепло, фильм прогревается на его петли и разгибается в направлении предопределенных LC выравнивание; 2 Совет теней петли фильм, который вызывает снижение его температуры и его последующее разгибание расслаблением; 3 шарнир, это снова под облучением, согревает и фильм изгибов¹⁵. Повторение этих последовательных шагов вызывает колебания. Ключевыми факторами в наблюдения этого явления являются фото тепловой эффект и самостоятельной затенение фильма, контролируемых интенсивность и положение сфокусированный свет (рис. 4). Например слегка наклонена лампа будет стимулировать полное щипцы для образца. Кроме того, слишком низкой интенсивности света не дают большой изгиб, потому что температура на петли является недостаточным, в то время, как это слишком высокой интенсивности света на шарнире вызовет превышение (Рисунок 6 c, 180 ° изгиб фильма). Еще одно требование для успеха эксперимента заключается в месте установки в среде, защищенной от ветра, чтобы избежать возмущений.

Рисунок 1. Общая процедура получения Splay выровнены LCN в 14 шагов (от A-N). Шаги A–C: Очистка стекла; шаги D–G: покрытие стекла для создания плоской или homeotropic выравнивания слоев; шаг H: трение пластин стекла тряпкой, бархат; шаг, я: приклеивание плит сформировать ячейку; шаг J: Заполнение ячейки с LC смесь и выравнивание в фазе нематические; шаг K: Фото полимеризовать под УФ светом; шаги L–N: открытие ячейки и резки пленки для получения газа. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 2. Химических структур компонентов, используемых. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

На рисунке 3. Тепловая характеристика смесь мономера и полимерной пленкой. ) Дифференциальной сканирования calorimetry (DSC) смеси до полимеризации для определения фазовых переходов. Вставки: POM фотографии, масштаба баров: 100 µm. B) Динамический Механический Термический анализ (ДМТА) измерение полимерной пленки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 4. Изображение установки показаны на левой стороне и колеблющегося фильм зажато пинцет перед светом СИД. Врезные показывает схематическое изображение согнутые фильма и локализованные света освещение. Красная область соответствует теплое петли, упомянутых в тексте. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 5. A) схематическое представление казать выравнивание. B) фотография стекло ячейки перед ту/e логотип, показывая прозрачность и отсутствие цвета фильма. Стрелка указывает направление трения плоской стеклянной пластины. C - E) фотографии фильма между скрещенными поляризаторами, показаны характеристики казать выравнивание (Рисунок D: поворота 45 °, в плоскости XY, Рисунок E: поворотная из плоскости xy). Молекулярные директор выравнивание обозначается красной стрелкой. Линейки: 1 cm. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 6. A) фотография фильма зажимается с пинцет показаны естественной кривизны с центром кривой в сторону homeotropic. B) картина фильма собирается плоского состояния после фото облучения (365 Нм, 0,52 Вт/см²). Рисунок C) фильма облученных слишком высокой интенсивности света, показаны изгиба 180 °. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 7. Механические колебания кончик фильма со временем во время облучения УФ светом (LED 365 Нм, 0,52 Вт/см²). Вставки: Скриншоты движущихся фильма записаны с помощью высокоскоростной камеры. Геометрия фильм – 1,7 см (длина) x 0,4 см (ширина) x 20 мкм (толстый). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 8. Тепловых колебаний пострадавшего района (петля) со временем во время облучения УФ светом (LED 365 Нм, 0,52 Вт/см²). Вставками: Скриншоты осциллируя фильма с профиль температуры зарегистрированы с тепловизионной камеры, показывающий изменения температуры на петли. Геометрия фильм – 1,7 см (длина) x 0,4 см (ширина) x 20 мкм (толстый). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Обсуждение

Описанные здесь результаты сопоставимы с предыдущего исследования¹⁵ на LC diacrylate с распоркой 6 атомов углерода. Это показывает, что метод для получения колебание может применяться к фильмам с¹⁶различных механических свойств.

Подготовка фото тепловой реагировать LCN сообщается. Есть несколько шагов в протоколе описаны, которые являются критическими, как трение Вселенский выравнивания слоев и подготовка клетки. Действительно успех Протокола опирается на высокое качество LC казать выравнивания, который также ограничивает применение тонких пленок.

Ранее многие примеры фото-исполнительные механизмы, основанные на LCNs, которые содержат большое количество фото переключатели были сообщил^11,12,13,19. Основные преимущества метода, разработанного здесь являются ограниченное количество активаторов, необходимо соблюдать срабатывания (< 5 wt %) и широкий выбор доступных активаторов. ¹⁵ эти результаты расширить спектр потенциальных приложений. Кроме того сила этого протокола является возможность изменять частоты и амплитуды колебаний, изменив модуль фильм с другой матрицы состав, размеры полосы и интенсивности света.

Эта методология может легко расширен для изготовления широкого спектра LC материалы для автоматизированных систем. Протокол, описываемые прокладывает путь для развития неравновесных систем для софт робототехника и автоматизированных материалов.

Материалы

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