Responsive liquid crystal networks

Responsieve polymeren zijn interessant voor een groot aantal toepassingen, omdat de eigenschappen van deze materialen over een breed bereik ingesteld kunnen worden en het bovendien mogelijk is om ze tegen lage kosten en op grote schaal te fabriceren. Vloeibaar-kristallijne netwerken vormen een platformtechnologie voor deze responsieve materialen. Een groot aantal stimulusgevoelige moleculen kunnen worden toegevoegd om het polymeer gevoelig te maken voor warmte, licht, pH, waterdamp of biologische stimuli. De vloeibaar-kristallijne kernen van het polymere netwerk versterken de stimulus, wat snelle en grote responsies tot gevolg heeft. De responsies kunnen zowel mechanische als optische veranderingen zijn, en zijn naar wens reversibel of irreversibel te maken. In dit werk wordt het gebruik van deze materialen in microsystemen, zoals lab-on-a-chip, onderzocht. Actuatie met licht wordt gekozen omdat dit compatibel is met een natte omgeving en van afstand aangestuurd kan worden.Theoretische en experimentele resultaten laten zien dat door een optimalisatie van de moleculaire ordening in een ‘splaybend’ orientatie, de prestaties van buigende actuatoren sterk verbeterd kan worden. Daarnaast is er theorie ontwikkeld die de beweging van de actuator onder invloed van aansturing met licht beschrijft en deze theorie wordt door experimentele resultaten bevestigd. Voor toepassing in microfluidische systemen worden actuatoren ontworpen die gebaseerd zijn op cilia in natuurlijke organismen. Deze actuatoren kunnen dienen als pompen en mixers, maar daarvoor is het noodzakelijk dat de beweging van de cilia asymmetrisch in de tijd is. Verschillende manieren voor het genereren van deze asymmetrische beweging zijn onderzocht. Eén manier maakt gebruik van actuatoren bestaande uit verschillende delen die elk reageren op een andere kleur licht. Een andere manier maakt gebruik van een gradient in compositie van de actuator door de dikte van het materiaal, waardoor een sterk niet-lineaire responsie ontstaat. Verschillende methodes voor het miniaturiseren van deze actuatoren zijn verkend, waaronder lithografie en inkjet printen. Het is aangetoond dat met inkjet printen, actuatoren kleiner dan een millimeter gemaakt kunnen worden, zonder dat de prestaties van de actuatoren daaronder te leiden heeft. Behalve de toepassing van vloeibaar-kristallijne netwerken als actuatoren is de toepassing als sensor ook onderzocht. Als het materiaal een cholesterische ordening heeft, kan dit een gedeelte van het licht reflecteren. Als de reflectieband in het zichtbare gedeelte van het licht ligt, lijkt het materiaal een kleur te hebben. Net als bij de actuatoren kan het netwerk gedeformeerd worden door de moleculaire ordening te verstoren of door het te laten zwellen of krimpen, hetgeen een zichtbare verschuiving van de reflectieband tot gevolg kan hebben. Het is aangetoond dat door gebruik te maken van waterstofbruggen in het netwerk, cholesterische sensoren kunnen reageren op vluchtige amines, pH of temperatuur. Als alternatief voor de licht gestuurde actuatoren zijn magnetisch gedreven, ferromagnetische systemen onderzocht. Magnetische velden zijn net als licht compatibel met een nat milieu en kunnen van afstand aansturen. Twee methodes zijn onderzocht om kunstmatige magnetische cilia te maken: ‘glancing angle’ depositie van nikkel op PDMS scharnieren en electrolytisch gegroeid nikkel in een membraan. De beste resultaten werden bereikt met electrolytische gegroeide staafjes die vrij in een kanaal ronddreven. Toepassingen van de actuatoren uit dit onderzoek liggen in medische applicaties zoals lab-on-a-chip systemen, maar ook in andere toepassingen zoals mechatronica en textiel. Omdat de materialen in een continu proces aan de lopende band verwerkt kunnen worden, hebben ze de potentie om in goedkope systemen zoals slimme verpakkingen of wegwerp applicaties toegepast te worden

Nonlinear dynamics of optical absorption of intense beams

On traversing materials with absorbing dyes, weak optical beams decay exponentially (a Beer profile), while intense beams develop in time a profile that is spatially linear until at great depth it becomes spatially exponential. This anomalous, deep penetration, due to photobleaching of surface layers, is important for heavy dye loading and intense beams, for instance in photo-actuation. We address the problem of the evolution in time from initial Beer's Law to a finally deeply-penetrating optical profile in dyes. Our largely analytic solution of the coupled, nonlinear, partial differential equations governing the spatiotemporal decay of the Poynting flux and the nonlinear population dynamics of the photo-active molecules under intense irradiation has application to optomechanical devices

Nonlinear dynamics of optical absorption of intense beams

On traversing materials with absorbing dyes, weak optical beams decay exponentially (a Beer profile), while intense beams develop in time a profile that is spatially linear until at great depth it becomes spatially exponential. This anomalous, deep penetration, due to photobleaching of surface layers, is important for heavy dye loading and intense beams, for instance in photo-actuation. We address the problem of the evolution in time from initial Beer's Law to a finally deeply-penetrating optical profile in dyes. Our largely analytic solution of the coupled, nonlinear, partial differential equations governing the spatiotemporal decay of the Poynting flux and the nonlinear population dynamics of the photo-active molecules under intense irradiation has application to optomechanical devices

Printed artificial cilia from liquid-crystal network actuators modularly driven by light

Polymeric microactuators are potentially useful in micromechanical systems and lab-on-a-chip systems. However, manufacturing of miniature polymeric actuators has been complicated owing to the necessity of including electrodes for actuation or using lithographic techniques for patterning. Here, we demonstrate that all-polymer microdevices can be fabricated using inkjet printing technology in combination with self-organizing liquid-crystal network actuators. We exploit the self-assembling properties of the liquid crystal to create large strain gradients, and light-driven actuation is chosen to allow simple and remote addressing. By using multiple inks, microactuators with different subunits are created that can be selectively addressed by changing the wavelength of the light. The actuators mimic the motion of natural cilia. These artificial cilia have the potential to create flow and mixing in wet environments such as lab-on-a-chip applications. The process is easily adapted for roll-to-roll fabrication, allowing for large-scale and low-cost production of miniaturized active polymer systems

Reducing residual vibrations through iterative learning control, with application to a wafer stage

This paper uses iterative learning control (ILC) to remove terminal residual vibrations. By carefully selecting the ILC observation and actuation windows, ILC brings the system to rest within a finite time interval using feedforward. Experiments conducted on an industrial high-precision set-up show that the vibrations can be removed well within half the period of the dominant vibration. Estimation of the vibration state from different experiments shows that ILC does indeed remove the residual vibrations. Analysis of the experimental results show that the feedforward profile obtained through ILC outperforms feedforward profiles obtained through simulation of LQ-state feedback and does not suffer from model uncertainty

Optical device with anisotropic luminescent material

An optical device (1) is provided. The optical device comprising a switchable layer (2) at least one alignment layer (6) a light guiding system (5), whereas the switchable layer (2) comprises a luminescent material (3) for absorbing and emitting light, whereby the alignment of the luminescent material (3) is changeable and the light guiding system (5) guides the emitted light, whereby the switchable layer (2) is in contact with the at least one alignment layer (6) and the luminescent material (3) exhibits anisotropic properties, whereby the optical device (1) comprises a light energy-converting means (7), wherein the light guiding system (5) is in physical contact with the energy converting means (7)

Light-​actuated artificial cilia based on liquid crystal networks

The use of liquid crystal networks (LCNs) for trigger-driven cilia combines control over the deformation direction with a large work potential. Photopolymerization of mesogenic monomers in their nematic phase leads to well-ordered densely cross-linked, glassy polymers which can be structured into small cilia attached to a substrate. The fabrication of the cilia is compatible with standard micro-fabrication techniques such as lithography and printing. These techniques allow control of the molecular orientation both in the plane and into the third dimension through the thickness of the film. Patterned films can be created with various orientation patterns of the network molecules. The geometry change of the cilia is driven by small decreases in molecular order. Besides their response to heat and chemical agents the LCN cilia can be engineered to respond to light. Cilia with a splayed or twisted nematic director profile show large out-of-plane bending, amplifying the small in-plane deformations. Photo-responsive responsive cilia with these alignments show fast deformation kinetics and large, reversible responses. With a micro-fluidic application in mind, an example of inkjet-printed cilia is given here. The cilia have subunits that can be selectively driven by changing the wavelength of the light trigger. The example shows the ability to miniaturize these systems and the versatility of the LCNs