Method Article
* Bu yazarlar eşit katkıda bulunmuştur
Mekanik olarak sürekli ışık ışınlama altında salınım sıvı kristal polimer filmler oluşturmak için protokol hedefidir. Müstakil filmleri, fotoğraf-çalıştırma için sıvı kristal hizalama yönteminden anlayışı ayrıntılı olarak açıklanmaktadır. Bu malzeme hazırlamak için uygulanan deneysel protokol genel olarak geçerlidir.
Katkılı sıvı kristal ağlar dayalı bir strateji sürekli ışık ışınlama altında plastik filmlerin mekanik kendini sürekli salınım oluşturmak için tanımlanır. Fotoğraf-uyarma, hızlı bir şekilde ısı, ışık dağılımı dopants Anizotropik termal genleşme ile birleştiğinde ve film, kendi kendine gölgeleme yükselişi için kendini sürekli deformasyon verir. Gözlenen salınımlarını boyutları ve film in ve yön ve ışığın şiddetini tarafından etkilenmiştir. Geliştirilen sistem enerji dönüşümü ve yumuşak-Robotik için hasat ve Otomatik sistemlerin uygulamaları sunmaktadır.
Burada açıklanan genel yöntemi müstakil sıvı kristal Filmler oluşturma ve gözlenen mekanik ve termal etkileri karakterize oluşur. Moleküler hizalama hizalama katmanları (ovuşturdu polimid), yaygın olarak kullanılan imalat sanayi Görüntüle kullanarak elde edilir. Aktüatörler büyük deformasyon ile elde etmek için mesogens hizalı ve yapılandırmasında edebilir/bend, Yani, yavaş yavaş düzlemsel homeotropic film kalınlığı ile olacak sıvı kristaller (LCs) Direktörü ile polimerli. Işınlama, yüksek hızlı bir fotoğraf makinesi ile elde edilen mekanik ve termal salınımlarını izlenir. Sonuçları daha da bir görüntü işleme programı kullanarak görüntü analizi tarafından sayılabilir.
Sürdürülebilir enerji doğru ara fosil enerji ve İklim değişikliği tükenmesi yanıt ilgi büyüyen bir alandır. Işık enerjisini mekanik işe dönüştürmek için yöntem şu anda, elektrik üretmek için fotovoltaik gibi soruşturuluyor, üretmek için biyokütle yakıtlar, güneş enerjili su oksijen ve hidrojen üretmek için bölme. Ancak, enerji üretim çalışmayı gerçekleştiren makineleri çalıştırmak için önce tüm bu işlemler ışık tarafından yakıt birden çok adımı gerektirir. Bu yaklaşımlar uygulamalar büyük bir panel teklif rağmen üretim, depolama ve ara ürün (örneğin, Elektrik potansiyeli, kimyasal yakıtlar) taşınması gerekir. Bu nedenle, aygıt makroskopik hareket içine doğrudan güneş ışığı dönüştürmek mümkün basitleştirme avantajları mevcut.
Son yıllarda birçok örnek fotoğraf-aktüatörler polimerler ışınlama1,2,3üzerine şekil değiştirmek nerede geliştirildi. Ancak, bu örneklerde büyük çoğunluğu olarak, bir durumdan diğerine geçiş yapmak için ışık açma dönüm devamlı çalıştırma gerektirir. Şimdiye kadar sadece sınırlı sayıda fotoğraf duyarlı malzemelerin denge çalışma açıklanan4,5,6,7oldu. Sıvı kristal ağları (LCNs)8,9,10,11,12,13 esaslı sistem aynı zamanda kendi içsel nedeniyle incelenmiştir anizotropi deformasyon kontrollü14preprogramming için izin verir. Son zamanlarda, bu fotoğraf-stabilizatörleri LCN içinde dahil uyarma tarafından indüklenen fotoğraf-termal etkisi salınım hareketi15oluşturabilirsiniz bildirildi.
Burada, mekanik salınım altında sürekli ışık ışınlama LCN filmler oluşturmak için yöntemi açıklanmıştır. Filmleri anlayışı hücreleri hazırlanması karakterizasyonu ve LC karışımları polimerizasyon için detaylı. Fotoğraf-çalıştırma LCN filmlerin ve hareket analizi da rapor edilmektedir. LCNs hızlı bir şekilde ışık içine Anizotropik termal genleşme ve filmin sonraki makroskopik deformasyon indükler ağ içinde ısı dağılımı molekülleri ile katkılı. Kendi kendine gölgeleme, sıcaklık değişimi ve kasılma/uzama malzeme arasında bir etkileşim için salınım hareketi15açmaktadır. Işık ve bu etkiyi elde etmek için örnek yönünü de dahil olmak üzere tam kurulum iletişim kuralında vurgulanır. Salınım frekansı tarafından karakterize ve LCN özellikleri tarafından denetlenir. Bilgimizi, bir yöntemi, dopants geniş bir yelpazesi ile çalışan basit bir mekanizma tarafından kendi kendine salınım LCN Filmler oluşturulması için ilk açıklaması bu.
Not: Resim 1 ' de genel yordam ayrıntılı.
1. hücreleri hazırlık
2. LC karışımı hazırlanması ve karakterizasyonu
3. Film Hazırlık
yukarı4. Otomatik salınım gözlem
Protokol filmin ışık ışınlama altında salınım hareketi gözlenmesi başarıdır. Salınımlarını büyük ve yanıltıcı sonuç görülebilir. Ayrıca, salınımları (saat zaman ölçeğini) zamanla stabildir ve küçük yorgunluk gözlendi.
Diğerleri arasında splay hizalama kalitesi kendini sürekli çalıştırma (şekil 5A) başarı için önem taşıyor. Moleküler yönünü film kalınlığı boyunca Degradedeki bir kasılma/genişleme çalıştırma16,17,18üzerine film düzlemsel/homeotropic iki de neden olmaktadır. Bu asimetrik yanıt makroskopik hareket geliştirir. Başarısız deneme (bükme, küçük deformasyon veya garip bükme yokluğu) bir zavallı LC hizalama tarafından açıklanabilir. İlk olarak, film şeffaf olmalıdır. (Şekil 5B). Bir basit adımda doğru splay hizalama doğrulamak için cam alt katman bağlı film arasında çapraz polarize dağınık beyaz ışık kaynağı (şekil 5C-E) yukarıda görülmektedir. Xy düzlemi 45 ° 0 ° polarize çapraz arasında film döndürerek, film keskin parlaklığını değiştirmek. Uçağın çevresinde moleküler yönetmen filmi tutamacın, film renk Black (düzlemde) üst görüntüleme sırasında (dışarı-in uçak) beyaza değiştirir. Benzer doğrulama adımları bir polarize bir alüminyum folyo ile kaplı sıcak plaka üstüne aracılığıyla hücre gözlemleyerek polimerizasyon önce yapılabilir. Ayrıca, film şeritler kestiğinizde, homeotropic yan tonundaki Merkezi ile doğal bir eğrilik sunar. Bu film iki kenarının Açılımları ters işaretleri (şekil 6A) olduğu bir yükseltilmiş sıcaklıkta polimerizasyon kaynaklanan fazlalık stres kaynaklanmaktadır. Hizalama başarısız olur diye, polimid katmanları hazırlamak için yöntemini yeniden. Bu hücrelerinin üretimini iyi hizalanmış filmleri elde etmek çok önemlidir. Sürtünme en önemli adımdır: plaka üzerinde çok güçlü bir basınç kısmen polimid kaldıracak katman ve neden çok kötü komut katman hizalama için. Oda sıcaklığında film cam (şekil 3B) durumdadır. Eğer film yumuşak ve/veya yapışkan, polimerizasyon, en büyük olasılıkla çünkü ışınlama zaman çok kısa veya başlatıcı bozulmuş tamamlandığını değil anlamına gelir. Solvent varlığı LC karışımı faz davranışını etkilemek çünkü LC mesogens karışımı homojen ve hücrenin doldurma önce kuru olmalıdır. LC karışımı polimerizasyon önce uyumlaştırılması gerekmektedir. Hizalama işlemi sırasında termal polimerizasyon adım adım hızla gidip örnek 130 ° C üzerindeki uzun bir süre Isıtma değil önlemek için önlemler alınmalıdır. Sadece takas nokta üstündeki hücrenin doldurma yeterli (110 ° C) olduğunu.
Yüksek hızlı kamera tarafından kayıtlı mekanik ve termal salınımlarını sunulan Protokolü (Şekil 7; başarısı onaylamak Video 1). Film bir ucunda klempe zaman 1,7 cm taşımak ücretsiz ve ışınlanmış düzlemsel tarafında odaklanmış ışık ile bırakarak bu ışık (şekil 6B) yönünde düz durumunda doğru unbends. Menteşe ışık (şekil 4) odak noktası konumunda yer alır. Film sorunsuz, dik tutturmak için ve tarafında değil hareket etmeliyiz. Daha sonra film sürekli salınım sıklığı 7.6 Hz ± %5 ve genlik 30 ° ± % 10 için bir film boyutları 1,7 cm x 0.4 cm x 20 µm ile hareket başlar. Isıl salınımlar filmin atalet nedeniyle hafif faz gecikme ile aynı frekansta (7,4 Hz ± % 5), mevcut Termal Kamera ile ölçülür. Bu frekans f boyutları ve film15in tabidir. Salınımlarını genliği ile ışık şiddeti değişir ve Kur tarafından ve özellikle, ışık örnek üzerinde odak noktası konumlandırma etkilenir. Salınım mekanizması şöyle: 1) kıvrılmış filmin odaklanmış ışık ile ışınlanmış, dopant ışık emer ve içine ısı dönüştürür, film, menteşe ısıtır ve LC hizalama tarafından; önceden tanımlanmış yönde unbends 2) belgili tanımlık uç sıcaklık ve onun sonraki gevşeme tarafından eğilmez, bir düşüş neden olmaktadır filmin menteşe gölgeler; 3) ve menteşe tekrar ışınlama, ısıtır kadar ve film15virajlı. Birbirini izleyen adımları tekrarı için salınımlarını açmaktadır. Bu fenomen gözlemleyerek anahtar fotoğraf-termal etkisi ve yoğunluğu ve odaklanmış ışık (şekil 4) konumunu tarafından kontrol edilen film, kendi kendine gölgeleme faktörlerdir. Örneğin, biraz eğik bir lamba örnek tam bir kıvırma neden. Ayrıca, çok düşük ışık yoğunluğunu menteşe sıcaklığında yetersiz, süre menteşe üzerinde bir ışık yoğunluğunun yüksek olduğu için büyük bükme neden overshooting vermeyin yapar (şekil 6C, 180 ° film bükme). Başarı için başka bir şart deneme pertürbasyon önlemek için gelen Rüzgar korumalı bir ortamda kurulum yerleştirmektir.
Şekil 1. Edebilir elde etmek için genel yordamı LCN (--dan A-N) 14 adımda hizalanmış. Adımlar A-C: temizlik cam plakanın; D-Garasındaki adımları: kaplama cam plakanın düzlemsel oluşturmak için veya homeotropic hizalama katmanları; adım H: kadife kumaş; kullanarak cam plakanın sürtünme adım ben: hücre; formu plakalara yapıştırma adım J: LC karışımı ve nematik aşamasında; hizalama ile hücre doldurma adım K: fotoğraf polymerizing-UV ışık altında; L-Nadımlar: hücre açma ve bir şerit elde etmek için film kesme. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 2. Kimyasal yapıları kullanılan bileşenlerin. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 3. Monomer karışımı ve polimer Film termal karakterizasyonu. Bir) fark calorim taramaetry (DSC) polimerizasyon faz geçişleri belirlemek için önce karışımı. İnsets: POM resimler, ölçek çubukları: 100 µm. B) dinamik mekanik Termal Analiz (DMTA) ölçüm polimer film. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 4. LED sol tarafında ve ışık önünde cımbız klempe salınan Film gösterilen kurulum fotoğrafı. İlave bükülmüş film ve yerelleştirilmiş ışık aydınlatma şematik gösterimi gösterir. Kırmızı alan metinde geçen sıcak menteşe karşılık gelir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 5. A) splay hizalama şematik gösterimi. B) resim saydamlık ve renk film yokluğu gösteren TU/e logo önünde cam hücrenin. Ok düzlemsel cam levha sürtünme yönünü gösterir. C - Splay hizalama özelliklerini gösteren çapraz polarize arasında çekilen film E) resimleri (Resim D: XY düzlemi, Resim E45 ° dönme: xy uçaktan döner). Hizalama moleküler Direktörü kırmızı okla gösterilir. Ölçek çubuğu: 1 cm. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 6. Eğri Merkezi ile doğal bir eğrilik homeotropic yan gösterilen bir cımbız ile sabitlenmiş film A) resmi. B) resim fotoğraf-ışınlama üzerine düz bir devlet olacak Film (365 nm, 0,52 W/cm2). C) resim ile ışınlanmış bir film 180 ° bükme gösterilen bir ışık yoğunluğunun çok yüksek. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 7. Film ucu mekanik titreşimler UV ışığıyla ışınlama sırasında zamanla (LED 365 nm, 0,52 W/cm2). İnsets: Hareketli film ekran yüksek hızlı kamera ile kaydedildi. Film geometri 1,7 cm (uzunluk) olduğunu x 0.4 cm (genişlik) x 20 µm (kalın). Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 8. Açık alan (Menteşe) ısıl salınımlar UV ışığıyla ışınlama sırasında zamanla (LED 365 nm, 0,52 W/cm2). İnsets: Ekran sıcaklık profili ile salınan filmin menteşe sıcaklık değişiklikleri gösterilen Termal Kamera ile kayıtlı. Film geometri 1,7 cm (uzunluk) olduğunu x 0.4 cm (genişlik) x 20 µm (kalın). Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Burada açıklanan sonuçlar üzerinde bir LC diacrylate 6 karbonlar rondela ile önceki çalışma15 ile karşılaştırılabilir. Bu salınım elde etmek için yöntemi ile farklı mekanik özellikler16filmleri uygulanabilir gösterir.
Bir fotoğraf-termal duyarlı LCN hazırlanması bildirilmektedir. Kritik, düzlemsel hizalama katmanları sürtünme ve hücre hazırlanması gibi bir kaç adımda açıklanan Protokolü vardır. Gerçekten de, protokol başarısı yüksek kalite de ince filmler uygulamaya sınırlar LC splay diziliş kullanır.
Daha önce birçok örnek fotoğraf-aktüatörler fotoğraf-anahtarları büyük miktarda içeren LCNs dayalı olarak bildirilen11,12,13,19olmuştur. Çalıştırma gözlemlemek için gerekli dopants sınırlı miktarı burada geliştirilen yöntem başlıca avantajları şunlardır (< 5 wt %) ve dopants mevcut geniş seçim. 15 bu sonuçlar potansiyel uygulamalar yelpazesini genişletin. Ayrıca, bu iletişim kuralını sıklığı ve salınım genliği farklı matris bileşimi ile film in, şerit ve ışık yoğunluğunu değiştirerek farklı yeteneği gücüdür.
Bu metodoloji otomatik sistemler için geniş aralığı LC malzemeleri imal etmek kolayca genişletilebilir. Burada açıklanan protokol yumuşak-Robotik ve otomatik malzemeler için sigara denge sistemlerinin geliştirilmesi için yol açıyor.
Yazarlar hiçbir çıkar çatışması var.
Bu eser mali bilimsel araştırma için Hollanda kuruluş tarafından desteklenmiştir (NWO - TOP PUNT Grant: 10018944) ve Avrupa Araştırma Konseyi (ERC titreşimle, Grant 669991). A. H. G. insanlar programı (Marie Curie Eylemleri), Avrupa Birliği'nin yedinci çerçeve programı FP7-2013, Grant No 607602 fon kabul eder.
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 |
Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi
Izin talebiThis article has been published
Video Coming Soon
JoVE Hakkında
Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır