これらの結果につながる研究は、[291349]フォトニックマイクロロボット工学上とIITのSEEDプロジェクトMicroswimからoを欧州連合（EU）のセブンス枠組み計画（FP7 / 2007から2013）/ ERC助成金の契約nの下で欧州研究評議会から資金提供を受けています。また、エンテカッサ・ディRisparmioディフィレンツェによる支援を認めます。私たちは、フィードバックや議論のためのレンズで複雑系グループの全体オプティクスに感謝します。

注：このプロトコルは、3つのステップが含まれています：LCEと光作動特性​​評価におけるLC分子配向、DLWのためのIP-L格子準備。マイクロマニピュレーションシステムは、図5に示されているが直接レーザー書き込みシステムの概略を、 図1に示されています。 1. IP-L格子パターンの準備<ol><li> 1顕微鏡カバースライド（直径3センチ）取り出し、レンズ組織を使用して、アセトンを使用してクリーニングします。 </li><li>約0.5cm離して、その中心部からスライドガラスの3つの異なる点で金属チップの助けを借りて、いくつかのスペーサ（ガラス微小球）を配置します。 </li><li>スペーサーの上に別の顕微鏡スライド（直径1cm）を配置します。上部ガラススライドの上にそっと押すように先端を使用してください。 </li><li>それぞれ上ガラスの境界で異なる3点にUV硬化型接着剤の滴（約2μl）を配置します。 </li><li>接着剤が多すぎるint型を貫通する前にギャップoを、接着剤を固化するために、UV光を使用しています。セルが現在形成されています。 </li><li>ピペットを用いて細胞の境界上のIP-L樹脂の滴（約10μl）を配置します。液体がセルの全領域に浸透するまで数分間待ちます。 </li><li>試料ホルダーに細胞を固定し、直接レーザー書き込みシステムにそれを配置するために接着剤を使用してください。 </li><li> 100Xの目的を選択し、この表面上の傾き補正に続いて、上部内面にインターフェイスを、見つけます。 </li><li>それぞれ、レーザパワーと6ミリワットのスキャン速度および60ミクロン/秒で設計IP-L格子パターンの構造を記述します。格子パターンは、IP-L曲線又は直線で形成されています。 </li><li>繰り返しは、下の内面に1.8＆1.9を繰り返します。 </li><li>細胞を取り出し、そして12のために、細胞を開かずに、2-プロパノール浴にサンプルを浸す - 24時間。 </li><li>溶媒から細胞を取り出し、および10用のホットプレート（50℃）でそれを乾燥 - 20分。 </li></ol> 2. LCEの微細構造の作製<ol><li>バランスに〜300 mgの単量体混合物を測定します。 表1の分子組成を参照してください。 </li><li>ガラスびんの内側に調製された混合物を入れ、そして70のホットプレートのセットの上に置く - 80°C。 </li><li>すべての粉末が溶融するまで待機し、マグネチックスターラーを追加し、1時間混合物を混ぜて（90から150 rpm）で。 </li><li> 60℃のホットプレート上の細胞を置きます。 </li><li>小さいスライドガラスの縁に混合物の滴（約20μl）を配置し、液体が細胞内に浸透するまで待ちます。 </li><li>交差偏光子と温度制御装置を光学顕微鏡にセルを転送します。転送中に暗闇の中ですべてのものを維持し、紫外線をフィルタリングするために照明ランプの前にオレンジ色のフィルターを置きます。 </li><li>次いで、温度を低下させる、顕微鏡の温度コントローラを用いて、60℃以上のセルの温度を上昇させる（2 - 毎分10°C）、LC相の温度範囲を測定します。異なる分子組成物との混合物は、様々な液晶相温度を有します。良好な均質ネマチック液晶相は、偏光子の軸に対して45°毎のサンプルを回転させながら、画像のコントラストの反転を観察することによって認識することができます。 </li><li> 、試料ホルダー上のセルを修正DLWシステムにそれを置き、LC相に到達するまでの温度を設定する（ステップ2.7で測定）。 </li><li>下部内側表面のインターフェイスを見つけて、インターフェイスを見つけることなく100Xの目的、または10倍の対物レンズを使用してチルト補正を行います。 </li><li>レーザパワーと100Xの対物レンズを使用して、下側のガラススライド上の4ミリワットと60ミクロン/秒のスキャン速度でDLWを使用することによりLCE構造を記述します。そうでなければ、（LCE構造が全試料厚さ全体に製造さ​​れる）、10×対物レンズを用いてレーザパワーと14ミリワットの走査速度及び60ミクロン/秒での使用。 </li><li>細胞を取り出し、とにブレードを使用上部ガラススライドを削除するセルを開きます。 </li><li> 5分間トルエン浴中の構造を浸し。 </li><li>サンプルを取り出し、10分間空気中で乾燥しました。 </li></ol> LCEの微細構造の光作動の3キャラクタリゼーション<ol><li>光学顕微鏡（20X）にサンプルを置き、レーザービーム（CW、532nmで、50から500 MW）を集中する構造上の10倍対物レンズによって。 </li><li>光学顕微鏡のCMOSカメラ（フレームレート25.8 FPS）によって光による変形を観察します。 </li><li> LCEの微細構造に近い位置にガラスチップを入れてマイクロマニピュレーションシステムの手動制御（ 図5）を使用します。 </li><li> （光吸収による）LCEの温度を上昇させ、ひいては構造を軟化させるためには、低消費電力（〜20ミリワット）で、レーザーのスイッチをオンにします。 </li><li> 1 LCEの微細構造を拾うためにガラスチップを使用し、空気中でそれを保持します。このプロセスは、ガラス表面からの付着を避けるために必要とされます。 </li><li>トゥン電子ハイパワー（&gt; 100 MW）にレーザー、LCE構造の変形を観察します。 </li><li>顕微鏡カメラを用いて光による変形を記録します。 </li></ol>

<ol>
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Lett. 498, 188-191 (2010).</li><li>Zeng, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Light-fueled+microscopic+walkers.">Light-fueled microscopic walkers.</a> Adv. Mater. 27, 3883-3887 (2015).</li><li>Flatae, A. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optically+controlled+elastic+microcavities.">Optically controlled elastic microcavities.</a> Light: Science &amp; Applications. 4, 282 (2015).</li></ol>

The authors declare that they have no competing financial interests.

IP-Lマイクロ格子配向技術は、液晶性モノマーを配向するDLWと一体化されています。その後、レーザー書かLCEの微細構造は、マイクロスケールで設計されたアライメントでパターニングすることができます。この技術は、私たちは複数の機能をサポートすることができる化合物をLCE要素を作成することができます。正確な3次元微細構造および作動の制御を作成するための優れた能力で、我々はこの技術は、エラストマーベースの微視的ロボット14を作成するために使用されるように、光波長可変装置15の取得のための新しい戦略の過多を開くことを期待しています。 準備中の2つの重要なステップがあります。第1は、セルの2つのガラスはしっかりと（ステップ1.4、1.5）接着されるべきであるということです。 UV硬化接着剤は、開発中のセル構造の安定性を保持その他の点でセルのガラスの移動は、最悪の整列をもたらしますLCE。 100倍の対物レンズを選択しながら第二に、LCE構造書き込み時のレーザ書き込み速度はできるだけ高くすべきです。レーザー書き込み処理中にLCEの強い腫脹に、膨潤した構造は、このようにして作製したアクチュエータの品質に影響を与える、設計上の位置を移動します。 いくつかの場合において、光誘導された変形は、構造体が劣化することが観察されます。これは、高照度下での色素漂白が原因である可能性があります。色素分子がオフされると、LCE構造は、透明媒質として動作し、光吸収/光による変形が抑制されます。下のレーザーパワーは、LCEの微細構造の作動のためのより安全であろう。 この方法のいくつかの欠点もあります。まず、全体のプロセスは、比較的長い時間を要します。セル構成を維持するために、最初のIP-Lの開発プロセスは、（SAMPを浸漬することによって作製します溶媒浴中ル）は、セルを開くことなく、2-プロパノール中で行われます。現像時間は、このようにセルサイズ及びギャップの厚さに依存するが、通常12とり - 24時間。このようなレーザー誘起アブレーションパターンとレーザー誘起化学的に修飾された表面のような他のレーザ書き込み可能なパターンで格子IP-Lの交換、LC配列にし、製造時間の大幅な削減につながる可能性があります。第二に、LCEは、常にガラス基板上に接着を受けるソフトマターです。微細構造が表面に付着すると、光による変形が抑制されました。第三に、構造体の高さは、セルの厚さと対物作動距離によって制限されます。レーザー書き込みシステムでは、最大高さは約100μmです。最近開発された3Dプリント技術は、巨視的なスケールにメゾスコピックからの光作動LCE構造を作成するための良い候補である可能性があります。しかし、重合中に分子配向を維持することができ懸念の主な問題です。 一つは、他の既存の技術では不可能である、真のマイクロスケールでの3D自由形式のアクチュエータを得ることができるので、この技術は独特です。 LCEの微細構造は、異なる分子配向と機能でパターン化することができます。さらに化学工学によって、このような技術の実装は、他の刺激源へのアクチュエータを敏感にするために可能になり、効率的なマイクロロボットとソフトフォト​​ニックデバイスを開発するために開きます。

マイクロアクチュエータは、別のメカニズムやシステムの動作のための外部エネルギーを伝達することができる微細な構造です。小型及び遠隔制御機能には、それらは広くラボオンチップシステム1は、マイクロセンシング2、およびマイクロロボット3で使用されてきました。日付に利用可能なアクチュエータは、このような外部磁場と一方向に5を曲げヒドロゲルマトリックス4で腫れ/崩壊、収縮/としてだけの簡単な操作を行うことができます。最近開発された技術は、顕微鏡スケールの作動構造6を製造するために有効にしているが、まだ同じ長さスケールでこれらの作動を制御するための大きな課題です。本論文では、3次元光が制御可能な作動特性を有する微細構造を活性化させる準備する方法を報告します。技術は、直接レーザ書き込み（DLW）に基づいており、それは、液晶エラストマー（種の保存法）で実証されています。 種の保存法はSOFありますエラストマーと液晶配向性をコーミングTポリマー。外部刺激7の様々なタイプの下に- （400％20）、これらの材料は、大きな変形が可能です。マイクロアクチュエータのため種の保存法を使用する利点は、顕微鏡スケール8での作動を制御することが可能な構造で工学分子秩序の利便性です。 LCモノマーは単一工程光重合を可能にする、アクリレート部分と合成されます。このプロパティは、3D微細構造の製造のためのリソグラフィ技術の異なるタイプへのアクセスを提供します。光反応性分子のようなアゾ染料は、共重合法によってポリマーネットワークにリンクされています。そのような分子は、光制御変形を与えるシステムの光誘起される加熱しながら（ シス異性にトランス ）の強い光の応答能力を兼ね備えています。 DLW感光materiにポリマー構造を得るための手法であります集光レーザービーム9の空間制御によるアル。 DLWは、分子配向6を失うことなく、LCEでの3Dフリーフォームの構造を作成することができます。 LCEのマイクロアクチュエータの製造におけるDLWのいくつかの利点があります。まず、解像度はサブミクロンスケールに到達することができ、および構造は6本当に3Dです。以前に報告されたLCEの微細加工方法、 例えば 、10μm程度だけまでの解像度を提供し、マスクされた露光10と11を成形レプリカは、2D幾何学的形状を有します。第二に、DLWは、非接触製造プロセスです。適切な溶媒は、設計されたコンフィギュレーションを維持し、高品質な構造を開発することができます。レプリカ成形技術はほとんどサブミクロン分解能12を与えないし、構造品質を制御することは困難です。第三に、レーザ書き込みは、顕微鏡スケール8,13でローカルLCの向きのための多目的なオプションを提供しています。 LC配向技術の種々のタイプのうち、ラビングは、MOSあります液晶分子を配向するための効率的な方法をtと広くLCE薄膜の調製に使用されています。これは、一般に、LCモノマーによって浸潤細胞の内部表面に微細溝を生成するためにポリマー層上に擦ることにより達成されました。表面アンカー効果により、このような微小溝は、溝方向に沿ったLC分子を配向することができます。 DLWははるかに高い精度で事前に設計された方向に選択領域上でこれらの微細溝の直接的な製造を可能にします。すべてのこれらの機能は、DLW顕微鏡スケールでの製造および作動の制御のための完璧な、ユニークな手法にします。 DLWに基づいて、LCE微細構造は、異なる分子配向してパターニングすることができます。単一LCE構造内の化合物の配置で、多機能の作動が可能となります。この方法は、液晶モノマー混合物のいずれかの種類にLCEのマイクロアクチュエータの製造に使用することができます。さらに化学工学では、することが可能です異なる波長で他の刺激源に敏感なアクチュエータ、 例えば 、湿度や照明。

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="574">
	<tbody>
		<tr height="64">
			<td height="64" style="height:64px;width:191px;">LC monomer</td>
			<td style="width:117px;">SYNTHON Chemicals GmbH &#38; Co. KG</td>
			<td style="width:99px;">ST03866</td>
			<td style="width:167px;">78 mol % in the mixture</td>
		</tr>
		<tr height="64">
			<td height="64" style="height:64px;width:191px;">LC crosslinker</td>
			<td style="width:117px;">SYNTHON Chemicals GmbH &#38; Co. KG</td>
			<td style="width:99px;">ST03021</td>
			<td style="width:167px;">20 mol % in the mixture</td>
		</tr>
		<tr height="127">
			<td height="127" style="height:127px;width:191px;">Azo dye</td>
			<td style="width:117px;">Synthesis referring to Ref.6</td>
			<td style="width:99px;"></td>
			<td style="width:167px;">1 mol % in the mixture.&#160; Light sensitive component, can be excluded in the fabrication for heat driven actuators.</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:191px;">Initiator</td>
			<td style="width:117px;">Sigma</td>
			<td style="width:99px;">Irgacure 369</td>
			<td style="width:167px;">1-2 mol % in the mixture</td>
		</tr>
		<tr height="64">
			<td height="64" style="height:64px;width:191px;">Spacer</td>
			<td style="width:117px;">Thermo scientific</td>
			<td style="width:99px;"></td>
			<td style="width:167px;">Microsphere with diameter from 10 to 100 &#181;m.</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:191px;">IP-L</td>
			<td style="width:117px;">Nanoscribe GmbH</td>
			<td style="width:99px;"></td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:191px;">UV curing glue</td>
			<td style="width:117px;"></td>
			<td style="width:99px;"></td>
			<td style="width:167px;">IP-L with 1 wt% initiator (Irgacure 369)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="64" rowspan="2" style="height:64px;width:191px;">Microscope cover slide</td>
			<td rowspan="2" style="width:117px;">MENZEL-GL&#196;SER</td>
			<td rowspan="2" style="width:99px;"></td>
			<td style="width:167px;">Diameter: 1 or 3 mm</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:167px;">Thickness: 0,16-0,19 mm</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:191px;">UV LED lamp</td>
			<td style="width:117px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:99px;"><a href="http://www.thorlabs.de/thorproduct.cfm?partnumber=M385L2-C4">M385L2-C4</a></td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:191px;">532 nm laser</td>
			<td style="width:117px;">Shanghai Dream Lasers</td>
			<td style="width:99px;">SDL-532-500T</td>
			<td style="width:167px;">500 mW laser</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:191px;">Direct Laser Writing system</td>
			<td style="width:117px;">Nanoscribe GmbH</td>
			<td style="width:99px;"></td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="84" rowspan="2" style="height:84px;width:191px;">Hot plate</td>
			<td rowspan="2" style="width:117px;">Linkam Scientific Instruments Ltd.</td>
			<td rowspan="2" style="width:99px;">PE120</td>
			<td rowspan="2" style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:191px;">Microscope</td>
			<td style="width:117px;">Zeiss</td>
			<td style="width:99px;">Axio Observer A1</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:191px;">Micro-manipulator</td>
			<td style="width:117px;">Narishige</td>
			<td style="width:99px;">MHW-3</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

free-form light actuators &#8212; fabrication and control of actuation in microscopic scale

液晶エラストマー（種の保存法）は、外部刺激に応答して可逆的形状変化が可能なスマート材料であり、多くの分野の研究者の注目を集めています。研究のほとんどは、巨視的LCE構造（フィルム、繊維）に焦点を当て、それらの小型化はまだ始まったばかりです。近年、リソグラフィー技術を開発例えば 、マスク露光とレプリカ成形、のみLCE薄膜上に2次元構造を作成することを可能にします。直接レーザー書き込み（DLW）顕微鏡スケールで真に3D製作へのアクセスを開きます。しかし、同じ長さのスケールで作動トポロジとダイナミクスを制御することが課題です。 本稿では、任意の3次元形状のLCEの微細構造の液晶（LC）分子配向を制御する方法について報告します。これは、LCE構造の両方のための直接レーザー書き込みの組み合わせによってだけでなく、誘導microgratingパターンのために可能になりました地元の液晶配向。格子パターンのいくつかのタイプは、その後、LCE構造にパターニングすることができる別のLCアラインメントを導入するために使用されました。このプロトコルは、このように複数の機能することが可能な、1は複数の光学機械の作動を行うことが可能に設計整列してLCEの微細構造を得ることができます。アプリケーションは、調整可能なフォトニクス、マイクロロボット、ラボ・オン・チップ技術などの分野で予見することができます。

図1は、レーザー書き込み用の光学セットアップを示しています。システムは、100メガヘルツの繰り返し率で130フェムト秒パルスを発生する780nmのファイバレーザから成ります。レーザビームは、それが試料に集束される光学顕微鏡対物絞りにビームプロファイルを調整するために望遠鏡に反射されます。顕微鏡では、3Dピエゾステージは、2 nmの分解能で100ミクロン/秒の最大速度でサンプル翻訳のための300×300×300μmの3移動範囲と一緒にインストールされています。画像は、同じ対物レンズによって底部で収集され、CCDカメラにビームスプリッタによって反射される赤色ランプからの直線偏光が、上面から試料を照明します。カメラの前に、別の偏光板は、コントラストを高めるためのクロス偏光照明を得るために使用されます。 図2は、走査ELECを示していますレーザー書き込まIP-Lのmicrogratingパターン（工程1）のトロン顕微鏡（SEM）画像です。溝（上から谷）の高さは約700nmであるが、1200nmで - 溝間隔400の範囲内です。異なる方位を持つ格子パターンは、LCE要素の所望の作動に応じて、異なるLCアライメントを誘発することができます。 図3は 、IP-L格子パターン（ステップ2.7）により誘導されたLCモノマーの向きを示しています。まず、100×100μmの大きさを有する微細格子パターン4種類のそれぞれは、ガラスセル（概略的に図3aに示されている）の反対側に作製しました。表面アンカリングに、潜入LCモノマーは、このように、偏光顕微鏡（POM）画像（ 図3b）で45°のコントラスト反転を示す、格子線方向に沿って配向されています。 図4は、異なる向き（ステップ2.10）とIP-L格子ネットワーク上に作製LCEナノドット/ラインのSEM像を示します。格子ネットワーク内では、LCE構造がよりトルエン中の発展に非常に高い耐性を有する、閉じ込めになります。切断LCEの最小幅は、格子パターンなしDLWの解像度と一致している〜300nmであることが測定されました。フォトニックアプリケーションのためのもう一つの興味深いアプローチは、大規模な周期構造を実現することができた。 図4の（c、d）は 、マイクロ格子ネットワーク内で2D LCE周期構造を示しています。 図4（C、D）の挿入POMの画像に示すように、アライメントはよく、これらのナノ構造体の内部に保持されます。しかし、光による変形は、これらのナノ構造で得ることができませんでした。 IP-Lの格子内に、ナノLCE要素が非常に限定されており、接着性が目に見える変形を防止するためです。 </p&gt; マイクロマニピュレーションシステムは自家製に基づいて、顕微鏡を反射し、 図5に概略的に示されている。10X対物レンズを垂直に立て、光学ブレッドボード上に配置された鏡筒に固定されています。 730 nmのIRのLED光源は、非偏光ビームスプリッタを照明するために使用されます。反射像は、同じ対物レンズによって収集され、カメラに投影されます。連続的なソリッドステート532nmのレーザーを45°の入射角でロングパスダイクロイックミラー（567 nmで50％の透過および反射）によって客観に結合されます。電力計は、レーザパワーのリアルタイム検出のためのダイクロイックミラー後の透過光を測定します。直径150μm〜のゆるく集束レーザスポットは〜10 W / mm 2での最大照度を生成します。レーザ強度​​は​​、レーザの前方に配置された可変中性密度フィルタによって制御されます。客観以下は、3DマニュアルTRanslationステージは、サンプルの変換のために使用されます。並進ステージに設置加熱段階は0.5℃の精度で-20から120℃の範囲内の試料の温度を正確に制御するために使用されます。 2つの手動翻訳ステージ上に取り付けられた2つのガラスチップは、試料位置の近くに、左右に配置されています。構造マイクロ操作は注意深く並進ステージの助けを借りて、先端を移動させることによって実現することができます。 整列変形相関を実証するために、我々は、60ミクロンの直径及び20μmの高さを有する4つのLCE円筒構造を作製します。これらのシリンダは4異なって配向されたIP-L格子領域（1μmの期間）に書かれています。光励起下では、LCE内部の色素は光エネルギーを吸収し、ネットワークにそれを転送します。 LCE構造を加熱し、次いで（等方性ネマチック）相転移を起こしています。このような相転移も助けられ同じ光刺激下での染料のシス異性にトランスによって。このように、元の液晶配向ディレクターに沿って構造契約および垂直方向7に展開します。 図6（ステップ3.1）に示すように、IP-L格子により誘導される別のローカルアラインメントによって、これらの構造は、異なる方向に沿って変形します。 この技術は、単一構造のアライメントの複数のタイプが含まれている化合物のアクチュエータ、を作成することができます。模式的に図7（A）に示すように、アライメントパターンの二つのセクションで400×40×20μmの3サイズLCEストライプは、作製しました。これらのアライメントのセクションでは、異なる方向に各90°のねじれ配向が含まれています。平行配列契約を結んでいる面は、垂直アライメントを持つものは光照射下で展開されています。構造はπとなっていますマイクロマニピュレーションシステムによってアップcked、およびガラスチップによって空気中に開催されました。ダブル曲げは、光照射（ステップ3.3）で観察しました。 （光チョッパーを使用して）変調されたレーザビームは、周期的な変形を誘導することができます。 LCEは、レーザー変調周波数（&gt; 1K Hz）で、以下の応答することができます。しかし、変形振幅、周波数14の増加と共に減少します 。 <img alt="図1" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig1.jpg" /> 図1：直接レーザー書き込みのための光学セットアップ 780 nmのレーザー光（130フェムト秒パルス、100メガヘルツの繰り返し率）を顕微鏡に結合され、試料に光学顕微鏡の対物レンズによって集束されます。 300×300×300μmの3移動範囲で3Dピエゾステージは、レーザー露光中にサンプルの変換に使用されています。 <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/53744/53744fig1large.jpg" target="_blank">ラを表示するには、こちらをクリックしてください。</a><html>この図のrgerバージョン。 <img alt="図2" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig2.jpg" /> 図2：IP-Lマイクロ格子のSEM画像 a）は、単方向平行線構造。 b）は放射状格子パターン。スケールバー：10μmで<a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/53744/53744fig2large.jpg" target="_blank">、この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <img alt="図3" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig3.jpg" /> 図3：IP-L LCの向きを誘導するマイクロ-LC格子の向きのために設計されたマイクロ格子パターンのa）の模式図。 microgratingパターンによって誘導されるLCの向きのb）はPOMイメージ。スケールバーは50μmです。赤い色は、光重合を防止するフィルタによるものです。ge.jpg &quot;ターゲット=&quot; _空白 &quot;&gt;この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。 <img alt="図4" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig4.jpg" /> 図4：LCEナノドットは格子ネットワーク内で製造され、一方、IP-Lグレーティングネットワーク内に埋め込 ​​まLCEナノ構造のSEM画像 a）およびb）2つのマイクロ格子パターンは、異なる方向に沿ってDLWによって作製しました。 c）およびd）定期LCEナノ構造は、IP-L格子の同じタイプ内に埋め込ま。挿入図は、構造体のPOM像である。 <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/53744/53744fig4large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <img alt="図5" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig5.jpg" /> 図5：マイクロマニピュレーションのセットアップの概略 CW固体532nmのレーザがに結合されます<html>自家製の顕微鏡システム。 10Xの目的は、撮像及び励起532 nmのレーザーの焦点を合わせるために使用されます。ガラスチップマニピュレータを搭載した2つの手動翻訳ステージは、サンプルのマイクロ操作のために使用されている。 <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/53744/53744fig5large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <img alt="図6" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig6.jpg" /> 図6：四つの異なるIP-L Micrograting地域にLCEマイクロシリンダのライト作動異なる向きを有する 4つの異なる指向のマイクロ格子領域上に書かれた直径60μmと20μmの高さa）の四LCEの円筒構造、。。 532 nmのレーザー照射（10 W MM -2）にさらされたときB）LCEシリンダー）が格子誘発されるアラインメントによって（異なる軸に沿って変形します。スケールバー：100μmです。レ/ ftp_upload / 53744 / 53744fig6large.jpg &quot;ターゲット=&quot; _空白 &quot;&gt;この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。 <img alt="図7" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig7.jpg" /> 図7：複数の分子アラインメントとLCEの微細構造の光駆動型の変形単一LCEストライプで反対90°ねじれたアライメントの2セクションのa）の模式図。 b）及びc）532 nmのレーザー照射（W 3ミリメートルの下で反対方向に曲げ400μmの長いLCEストライプの光学画像-2）8。 <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/53744/53744fig7large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a>

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Free-form Light Actuators &#8212; Fabrication and Control of Actuation in Microscopic Scale

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.

自由形式のライトアクチュエータ - 顕微鏡スケールでの作製と作動の制御

Liquid crystalline elastomers (LCEs) are smart materials capable of reversible shape-change in response to external stimuli, and have attracted ...

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Universidad de Cartagena UDEC

Research

JoVE Journal

Engineering

9.2K ビュー.  University of Florence. 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.

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Fabrication And Characterization Of Photonic Crystal Slow Light Waveguides And Cavities

Slow light has been one of the hot topics in the photonics community in the past decade, generating great interest both from a fundamental point of view and for its considerable potential for practical applications. Slow light photonic crystal waveguides, in particular, have played a major part and have been successfully employed for delaying optical signals1-4 and the enhancement of both linear5-7 and nonlinear devices.8-11
Photonic crystal cavities achieve similar effects to that of slow light waveguides, but over a reduced band-width. These cavities offer high Q-factor/volume ratio, for the realization of optically12 and electrically13 pumped ultra-low threshold lasers and the enhancement of nonlinear effects.14-16 Furthermore, passive filters17 and modulators18-19 have been demonstrated, exhibiting ultra-narrow line-width, high free-spectral range and record values of low energy consumption.
To attain these exciting results, a robust repeatable fabrication protocol must be developed. In this paper we take an in-depth look at our fabrication protocol which employs electron-beam lithography for the definition of photonic crystal patterns and uses wet and dry etching techniques. Our optimised fabrication recipe results in photonic crystals that do not suffer from vertical asymmetry and exhibit very good edge-wall roughness. We discuss the results of varying the etching parameters and the detrimental effects that they can have on a device, leading to a diagnostic route that can be taken to identify and eliminate similar issues.
The key to evaluating slow light waveguides is the passive characterization of transmission and group index spectra. Various methods have been reported, most notably resolving the Fabry-Perot fringes of the transmission spectrum20-21 and interferometric techniques.22-25 Here, we describe a direct, broadband measurement technique combining spectral interferometry with Fourier transform analysis.26 Our method stands out for its simplicity and power, as we can characterise a bare photonic crystal with access waveguides, without need for on-chip interference components, and the setup only consists of a Mach-Zehnder interferometer, with no need for moving parts and delay scans.
When characterising photonic crystal cavities, techniques involving internal sources21 or external waveguides directly coupled to the cavity27 impact on the performance of the cavity itself, thereby distorting the measurement. Here, we describe a novel and non-intrusive technique that makes use of a cross-polarised probe beam and is known as resonant scattering (RS), where the probe is coupled out-of plane into the cavity through an objective. The technique was first demonstrated by McCutcheon et al.28 and further developed by Galli et al.29

Use of photonic crystal slow light waveguides and cavities has been widely adopted by the photonics community in many differing applications. Therefore fabrication and characterization of these devices are of great interest. This paper outlines our fabrication technique and two optical characterization methods, namely: interferometric (waveguides) and resonant scattering (cavities).

フォトニック結晶スローライト導波路とキャビティの作製と評価

Slow light has been one of the hot topics in the photonics community in the past decade, generating great interest both from a fundamental point of view ...

工学

Fabrication and Characterization of Disordered Polymer Optical Fibers for Transverse Anderson Localization of Light

We develop and characterize a disordered polymer optical fiber that uses transverse Anderson localization as a novel waveguiding mechanism. The developed polymer optical fiber is composed of 80,000 strands of poly (methyl methacrylate) (PMMA) and polystyrene (PS) that are randomly mixed and drawn into a square cross section optical fiber with a side width of 250 &mu;m. Initially, each strand is 200 &mu;m in diameter and 8-inches long. During the mixing process of the original fiber strands, the fibers cross over each other; however, a large draw ratio guarantees that the refractive index profile is invariant along the length of the fiber for several tens of centimeters. The large refractive index difference of 0.1 between the disordered sites results in a small localized beam radius that is comparable to the beam radius of conventional optical fibers. The input light is launched from a standard single mode optical fiber using the butt-coupling method and the near-field output beam from the disordered fiber is imaged using a 40X objective and a CCD camera. The output beam diameter agrees well with the expected results from the numerical simulations. The disordered optical fiber presented in this work is the first device-level implementation of 2D Anderson localization, and can potentially be used for image transport and short-haul optical communication systems.

We develop and characterize a disordered polymer optical fiber that uses transverse Anderson localization as a novel waveguiding mechanism. This microstructured fiber can transport a small localized beam with a radius that is comparable to the beam radius of conventional optical fibers.

ライトの横アンダーソン局在のために無秩序ポリマー光ファイバの作製と評価

We develop and characterize a disordered polymer optical fiber that uses transverse Anderson localization as a novel waveguiding mechanism. The developed ...

Real-Time DC-dynamic Biasing Method for Switching Time Improvement in Severely Underdamped Fringing-field Electrostatic MEMS Actuators

Mechanically underdamped electrostatic fringing-field MEMS actuators are well known for their fast switching operation in response to a unit step input bias voltage. However, the tradeoff for the improved switching performance is a relatively long settling time to reach each gap height in response to various applied voltages. Transient applied bias waveforms are employed to facilitate reduced switching times for electrostatic fringing-field MEMS actuators with high mechanical quality factors. Removing the underlying substrate of the fringing-field actuator creates the low mechanical damping environment necessary to effectively test the concept. The removal of the underlying substrate also a has substantial improvement on the reliability performance of the device in regards to failure due to stiction. Although DC-dynamic biasing is useful in improving settling time, the required slew rates for typical MEMS devices may place aggressive requirements on the charge pumps for fully-integrated on-chip designs. Additionally, there may be challenges integrating the substrate removal step into the back-end-of-line commercial CMOS processing steps. Experimental validation of fabricated actuators demonstrates an improvement of 50x in switching time when compared to conventional step biasing results. Compared to theoretical calculations, the experimental results are in good agreement.

The robust device design of fringing-field electrostatic MEMS actuators results in inherently low squeeze-film damping conditions and long settling times when performing switching operations using conventional step biasing. Real-time switching time improvement with DC-dynamic waveforms reduces the settling time of fringing-field MEMS actuators when transitioning between up-to-down and down-to-up states.

重度不足減衰フリンジフィールド静電MEMSアクチュエータに時間改善スイッチング用リアルタイムDC-ダイナミックバイアス方式

Mechanically underdamped electrostatic fringing-field MEMS actuators are well known for their fast switching operation in response to a unit step input ...

Fabrication Process of Silicone-based Dielectric Elastomer Actuators

This contribution demonstrates the fabrication process of dielectric elastomer transducers (DETs). DETs are stretchable capacitors consisting of an elastomeric dielectric membrane sandwiched between two compliant electrodes. The large actuation strains of these transducers when used as actuators (over 300% area strain) and their soft and compliant nature has been exploited for a wide range of applications, including electrically tunable optics, haptic feedback devices, wave-energy harvesting, deformable cell-culture devices, compliant grippers, and propulsion of a bio-inspired fish-like airship. In most cases, DETs are made with a commercial proprietary acrylic elastomer and with hand-applied electrodes of carbon powder or carbon grease. This combination leads to non-reproducible and slow actuators exhibiting viscoelastic creep and a short lifetime. We present here a complete process flow for the reproducible fabrication of DETs based on thin elastomeric silicone films, including casting of thin silicone membranes, membrane release and prestretching, patterning of robust compliant electrodes, assembly and testing. The membranes are cast on flexible polyethylene terephthalate (PET) substrates coated with a water-soluble sacrificial layer for ease of release. The electrodes consist of carbon black particles dispersed into a silicone matrix and patterned using a stamping technique, which leads to precisely-defined compliant electrodes that present a high adhesion to the dielectric membrane on which they are applied.

This manuscript shows the fabrication process for the manufacture of dielectric elastomer soft actuators based on silicone membranes. The three key stages of production are presented in detail: blade casting of thin silicone membranes; pad printing of compliant electrodes; and the assembly of all the components.

シリコーン系誘電エラストマーアクチュエータの製造工程

This contribution demonstrates the fabrication process of dielectric elastomer transducers (DETs). DETs are stretchable capacitors consisting of an ...

Using Synchrotron Radiation Microtomography to Investigate Multi-scale Three-dimensional Microelectronic Packages

Synchrotron radiation micro-tomography (SR&#181;T) is a non-destructive three-dimensional (3D) imaging technique that offers high flux for fast data acquisition times with high spatial resolution. In the electronics industry there is serious interest in performing failure analysis on 3D microelectronic packages, many which contain multiple levels of high-density interconnections. Often in tomography there is a trade-off between image resolution and the volume of a sample that can be imaged. This inverse relationship limits the usefulness of conventional computed tomography (CT) systems since a microelectronic package is often large in cross sectional area 100-3,600 mm2, but has important features on the micron scale. The micro-tomography beamline at the Advanced Light Source (ALS), in Berkeley, CA USA, has a setup which is adaptable and can be tailored to a sample&#39;s properties, i.e., density, thickness, etc., with a maximum allowable cross-section of 36 x 36 mm. This setup also has the option of being either monochromatic in the energy range ~7-43 keV or operating with maximum flux in white light mode using a polychromatic beam. Presented here are details of the experimental steps taken to image an entire 16 x 16 mm system within a package, in order to obtain 3D images of the system with a spatial resolution of 8.7 &#181;m all within a scan time of less than 3 min. Also shown are results from packages scanned in different orientations and a sectioned package for higher resolution imaging. In contrast a conventional CT system would take hours to record data with potentially poorer resolution. Indeed, the ratio of field-of-view to throughput time is much higher when using the synchrotron radiation tomography setup. The description below of the experimental setup can be implemented and adapted for use with many other multi-materials.

For this study synchrotron radiation micro-tomography, a non-destructive three-dimensional imaging technique, is employed to investigate an entire microelectronic package with a cross-sectional area of 16 x 16 mm. Due to the synchrotron&#39;s high flux and brightness the sample was imaged in just 3 min&#160;with an 8.7 &#181;m spatial resolution.

マルチスケール三次元マイクロエレクト​​ロニクスパッケージを調査するために放射光マイクロトモグラフィーを用いて、

Synchrotron radiation micro-tomography (SR&#181;T) is a non-destructive three-dimensional (3D) imaging technique that offers high flux for fast data ...

Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization

Polymer-based materials hold promise as low-cost, flexible efficient photovoltaic devices. Most laboratory efforts to achieve high performance devices have used devices prepared by spin coating, a process that is not amenable to large-scale fabrication. This mismatch in device fabrication makes it difficult to translate quantitative results obtained in the laboratory to the commercial level, making optimization difficult. Using a mini-slot die coater, this mismatch can be resolved by translating the commercial process to the laboratory and characterizing the structure formation in the active layer of the device in real time and in situ as films are coated onto a substrate. The evolution of the morphology was characterized under different conditions, allowing us to propose a mechanism by which the structures form and grow. This mini-slot die coater offers a simple, convenient, material efficient route by which the morphology in the active layer can be optimized under industrially relevant conditions. The goal of this protocol is to show experimental details of how a solar cell device is fabricated using a mini-slot die coater and technical details of running in situ structure characterization using the mini-slot die coater.

Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization

Here, we present a protocol to fabricate organic thin film solar cells using a mini-slot die coater and related in-line structure characterizations using synchrotron scattering techniques.

バルクヘテロ接合太陽電池の印刷作製と<em&gt;その場で</em&gt;形態キャラクタリゼーション

Polymer-based materials hold promise as low-cost, flexible efficient photovoltaic devices. Most laboratory efforts to achieve high performance devices ...

Fabrication of White Light-emitting Electrochemical Cells with Stable Emission from Exciplexes

The authors present an approach for fabricating stable white light emission from polymer light-emitting electrochemical cells (PLECs) having an active layer which consists of blue-fluorescent poly(9,9-di-n-dodecylfluorenyl-2,7-diyl) (PFD) and &#960;-conjugated triphenylamine molecules. This white light emission originates from exciplexes formed between PFD and amines in electronically excited states. A device containing PFD, 4,4&#39;,4&#39;&#39;-tris[2-naphthyl(phenyl)amino]triphenylamine (2-TNATA), Poly(ethylene oxide) and K2CF3SO3 showed white light emission with Commission internationale de l&#39;&#233;clairage (CIE) coordinates of (0.33, 0.43) and a Color Rendering Index (CRI) of Ra = 73 at an applied voltage of 3.5 V. Constant voltage measurements showed that the CIE coordinates of (0.27, 0.37), Ra of 67, and the emission color observed immediately after application of a voltage of 5 V were nearly unchanged and stable after 300 sec.

The authors present a method for fabricating stable white-light-emitting electrochemical cells utilizing emission from exciplexes formed between a blue-emitting fluorene polymer and aromatic amines.

エキシプレックスからの安定した発光と白色発光電気化学セルの作製

The authors present an approach for fabricating stable white light emission from polymer light-emitting electrochemical cells (PLECs) having an active ...

Fabrication of Soft Pneumatic Network Actuators with Oblique Chambers

Soft pneumatic network actuators have become one of the most promising actuation devices in soft robotics which benefits from their large bending deformation and low input. However, their monotonous bending motion form in two-dimensional (2-D) space keeps them away from wide applications. This paper presents a detailed fabrication method of soft pneumatic network actuators with oblique chambers, to explore their motions in three-dimensional (3-D) space. The design of oblique chambers enables actuators with tunable coupled bending and twisting capabilities, which gives them the possibility to move dexterously in flexible manipulators, to become biologically inspired robots and medical devices. The fabrication process is based on the molding method, including the silicone elastomer preparation, chamber and base parts fabrication, actuator assembly, tubing connections, checks for leaks, and actuator repair. The fabrication method guarantees the rapid manufacturing of a series of actuators with only a few modifications in the molds. The test results show the high quality of the actuators and their prominent bending and twisting capabilities. Experiments of the gripper demonstrate the advantages of the development in adapting to objects with different diameters and providing sufficient friction.

Here we present a fabrication method of soft pneumatic network actuators with oblique chambers. The actuators are capable of generating coupled bending and twisting motions, which broadens their application in soft robotics.

斜めの部屋に柔らかい空気ネットワーク アクチュエータの作製

Soft pneumatic network actuators have become one of the most promising actuation devices in soft robotics which benefits from their large bending ...

O-cresol Concentration Online Measurement Based On Near Infrared Spectroscopy Via Partial Least Square Regression

Unlike macroscopic process variables, near-infrared spectroscopy provides process information at the molecular level and can significantly improve the prediction of the components in industrial processes. The ability to record spectra for solid and liquid samples without any pretreatment is advantageous and the method is widely used. However, the disadvantages of analyzing high-dimensional near-infrared spectral data include information redundancy and multicollinearity of the spectral data. Thus, we propose to use partial least squares regression method, which has traditionally been used to reduce the data dimensionality and eliminate the collinearity between the original features. We implement the method for predicting the o-cresol concentration during the production of polyphenylene ether. The proposed approach offers the following advantages over component regression prediction methods: 1) partial least squares regression solves the multicollinearity problem of the independent variables and effectively avoids overfitting, which occurs in a regression analysis due to the high correlation between the independent variables; 2) the use of the near-infrared spectra results in high accuracy because it is a non-destructive and non-polluting method to obtain information at microscopic and molecular scales.

The protocol describes a method of predicting o-cresol concentration during the production of polyphenylene ether using near-infrared spectroscopy and partial least squares regression. To describe the process more clearly and completely, an example of predicting the o-cresol concentration during the production of polyphenylene is used to clarify the steps.

部分最小二乗回帰による近赤外分光法に基づくO-クレゾール濃度オンライン測定

Unlike macroscopic process variables, near-infrared spectroscopy provides process information at the molecular level and can significantly improve the ...

Fabrication of Microscope Stage for Vertical Observation with Temperature Control Function

Samples are usually placed onto a horizontal microscope stage for microscopic observation. However, to observe the influence of gravity on a sample or study afloat behavior, it is necessary to make the microscope stage vertical. To accomplish this, a sideways inverted microscope tilted by 90&#176; has been devised. To observe samples with this microscope, sample containers such as Petri dishes or glass slides must be secured to the stage vertically. A device that can secure sample containers in place on a vertical microscope stage has been developed and is described here. Attachment of this device to the stage allows observation of sample dynamics in the vertical plane. The ability to regulate temperature using a silicone rubber heater also permits observation of temperature-dependent sample behaviors. Furthermore, the temperature data is transferred to an internet server. Temperature settings and log monitoring can be controlled remotely from a PC or smartphone.

Presented here is a protocol using a temperature-controlled microscope stage that allows a sample container to be mounted on a vertical microscope.

温度制御機能を用いた垂直観察用顕微鏡ステージの製造

Samples are usually placed onto a horizontal microscope stage for microscopic observation. However, to observe the influence of gravity on a sample or ...

自由形式のライトアクチュエータ - 顕微鏡スケールでの作製と作動の制御

要約

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フォトニック結晶スローライト導波路とキャビティの作製と評価

ライトの横アンダーソン局在のために無秩序ポリマー光ファイバの作製と評価

重度不足減衰フリンジフィールド静電MEMSアクチュエータに時間改善スイッチング用リアルタイムDC-ダイナミックバイアス方式

シリコーン系誘電エラストマーアクチュエータの製造工程

マルチスケール三次元マイクロエレクトロニクスパッケージを調査するために放射光マイクロトモグラフィーを用いて、

バルクヘテロ接合太陽電池の印刷作製と

エキシプレックスからの安定した発光と白色発光電気化学セルの作製

斜めの部屋に柔らかい空気ネットワークアクチュエータの作製

部分最小二乗回帰による近赤外分光法に基づくO-クレゾール濃度オンライン測定

温度制御機能を用いた垂直観察用顕微鏡ステージの製造

自由形式のライトアクチュエータ - 顕微鏡スケールでの作製と作動の制御

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フォトニック結晶スローライト導波路とキャビティの作製と評価

ライトの横アンダーソン局在のために無秩序ポリマー光ファイバの作製と評価

重度不足減衰フリンジフィールド静電MEMSアクチュエータに時間改善スイッチング用リアルタイムDC-ダイナミックバイアス方式

シリコーン系誘電エラストマーアクチュエータの製造工程

マルチスケール三次元マイクロエレクト​​ロニクスパッケージを調査するために放射光マイクロトモグラフィーを用いて、

バルクヘテロ接合太陽電池の印刷作製と

エキシプレックスからの安定した発光と白色発光電気化学セルの作製

斜めの部屋に柔らかい空気ネットワーク アクチュエータの作製

部分最小二乗回帰による近赤外分光法に基づくO-クレゾール濃度オンライン測定

温度制御機能を用いた垂直観察用顕微鏡ステージの製造

マルチスケール三次元マイクロエレクトロニクスパッケージを調査するために放射光マイクロトモグラフィーを用いて、

斜めの部屋に柔らかい空気ネットワークアクチュエータの作製