مقالة منهجية

الزخرفة والتطعيم الناجم عن الضوء للأسطح الزلقة على أساس الهياكل النانوية المسامية المطلية بالسيلان

DOI:

10.3791/69270

⸱

نوفمبر 14, 2025

 ,  ,  ,  ,  , 
1Global Institute for Advanced Nanoscience & Technology, Changwon National University, 2Department of Smart Manufacturing Engineering, Changwon National University

* These authors contributed equally

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يقدم هذا البروتوكول طريقة ناتجة عن الضوء لتصنيع هياكل زلقة ثلاثية الأبعاد عبر الزخرفة الرقمية المتسلسلة والتطعيم على الأسطح النانوية المسامية المطلية بالسيلان. يتيح هذا النهج تكوين المناطق الزلقة التي يتم التحكم فيها مكانيا ، مما يتيح طارد السوائل المزخرف والتحليل الكمي للانزلاق البيني ، مع تطبيقات في معالجة السوائل وهندسة السطح.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يصف هذا البروتوكول طريقة ناتجة عن الضوء لتصنيع الأسطح الزلقة المزخرفة مكانيا عبر معالجة الضوء الرقمي (DLP) وفصل الطور الناجم عن البلمرة. يتم خلط راتنج أكريليت البولي يوريثين القابل للمعالجة الضوئية (PUA) مع مادة بوروجين قابلة للذوبان في الماء (PEG-200) وتعريضها بشكل انتقائي للأشعة فوق البنفسجية (UV) باستخدام نظام إسقاط DLP. تحفز هذه العملية في نفس الوقت تشابك البوليمر وفصل الطور البوروجيني. بعد إزالة البوروجين ، يبقى هيكل نانوي مسامي ، يتم تعديله كيميائيا عن طريق تنشيط الأوزون فوق البنفسجي وسيلانيزة طور البخار لتعزيز الكراهية للماء. ثم يتم غرس زيت السيليكون وتطعيمه تساهميا على السطح باستخدام ضوء الأشعة فوق البنفسجية متعدد الأطوال الموجية ، مما يشكل طبقة فرشاة بولي ديميثيل سيلوكسان (PDMS) مستقرة. يظهر السطح الناتج صد سائل قوي ، وتباطؤ زاوية تلامس منخفضة ، وشفافية بصرية عالية. يتم تقييم قابلية الببول كميا باستخدام قياسات زاوية التلامس والتباطؤ بالماء والأوكتان والعسل واللعاب البشري الاصطناعي. تتيح هذه الطريقة الانزلاق الانتقائي ، والذي يتضح من خلال توجيه القطرات المائية بعيدا عن المجالات الزلقة نحو المناطق المحبة للماء غير المعالجة ، وتشكيل أنماط سائلة محددة جيدا. يدعم هذا النهج التصنيع عالي الدقة وبدون قناع على ركائز مرنة ونمطية قابلة للتطوير للتطبيقات في الموائع الدقيقة ونقل القطرات وحصاد المياه والأجهزة الطبية الحيوية.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الأسطح المسامية الزلقة المملوءة بالسائل (SLIPS) 1 هي واجهات مستوحاة حيويا تصد مجموعة واسعة من السوائل عن طريق قفل سوائل التشحيم داخل الأطر الصلبة الدقيقة أو النانوية2،3. على عكس الأسطح الفائقة الكارهة للماء المستوحاة من اللوتس4 ، تستخدم SLIPS واجهة سائلة سائلة مستقرة ، مما يسمح للقطرات بالتحرك بأقل قدر من الاحتكاك. يظهرون رهاب كل شيء ، وتباطؤ زاوية اتصال منخفضة ، وسلوك الشفاءالذاتي 3،5 مدفوعا بإعادة توزيع زيوت التشحيم الناجمة عن الشعيرات الدموية6. تجعل هذه الخصائص SLIPS جذابة للتطبيقات في الموائع الدقيقة7 ، ومضاد الحشف6،8 ، ومضاد للجليد9،10،11 ، وحصاد المياه12،13،14 ، وأسطح التنظيف الذاتي15.

ومع ذلك ، فإن تمديد SLIPS إلى الأسطح المعقدة هندسيا أو المزخرفة مكانيا لا يزال يمثل تحديا. تقنيات التصنيع التقليدية للسقالات المسامية - مثل الطباعة الحجرية الضوئية16،17 ، والأنودة18 ، والتبلور6،19 ، والغزل الكهربائي20 - تستغرق وقتا طويلا وتتطلب خطوات معالجة متعددة. كما تم استخدام نمذجة الترسيب المنصهر (FDM) 21،22 ، وهو نهج قياسي للطباعة ثلاثية الأبعاد ، لإنشاء SLIPS عن طريق طباعة البوليمرات المسامية وغرسها بمواد التشحيم. على الرغم من سهولة الوصول إليها ، إلا أن FDM لديها ترسيب بطيء نقطة تلو الأخرى ودقة محدودة ، مما يجعل من الصعب تصنيع ميزات السطح الدقيقة أو أنماط المساحة الكبيرة بكفاءة. علاوة على ذلك ، فإن SLIPS التي تنتجها هذه التقنيات عادة ما تكون زلقة بشكل موحد ، مما يحد من فائدتها في التطبيقات التي تتطلب تحكما انتقائيا في السائل.

لمعالجة هذه القيود ، يتم تقديم طريقة ناتجة عن الضوء لتصنيع الأسطح الزلقة المزخرفة باستخدام معالجة الضوء الرقمي (DLP)23. يتيح DLP العرض السريع وعالي الدقة للصور المصممة على مواد قابلة للمعالجة الضوئية. من خلال الجمع بين DLP وفصل الطور الناجم عن البلمرة ، يتم تشكيل الهياكل المجهرية النانوية المسامية بقدرة الاحتفاظ بمواد التشحيم. يتم خلط راتنج أكريلات البولي يوريثين القابل للمعالجة الضوئية (PUA) مع مادة بوروجين قابلة للذوبان في الماء وتعريضها للأشعة فوق البنفسجية المزخرفة (UV) ، مما يؤدي إلى التشابك وفصل الطور البوروجيني. الغسيل اللاحق يزيل البوروجين ، تاركا مصفوفة مسامية.

يتم بعد ذلك سيلان السطح مع أوكتاديسيل ثلاثي كلوروسيلان (OTS) لتعزيز الكراهية للماء24 وغرس بزيت السيليكون. يؤدي التعرض القصير للأشعة فوق البنفسجية إلى التطعيم التساهمي لطبقة فرشاة بولي ديميثيل سيلوكسان (PDMS)6،19،25 على الركيزة ، مما يؤدي إلى تثبيت مادة التشحيم كيميائيا وتحسين ثبات الوجه على المدى الطويل. يتم تقييم خصائص الأسطح المصنعة - بما في ذلك زاوية التلامس الساكنة ، وتباطؤ زاوية التلامس ، وزاوية الانزلاق ، وسرعة الانزلاق ، والنفاذية البصرية - كميا. علاوة على ذلك ، يوضح اختبار الزخرفة السائلة الانزلاق الانتقائي من خلال توجيه قطرات الماء إلى المناطق غير المعالجة. في هذا العمل ، يتم تقديم تصنيع SLIPS المزخرف الناجم عن الضوء عبر DLP ، والذي يتيح التحكم المكاني في المجالات الزلقة دون الحاجة إلى الطباعة الحجرية الضوئية المعقدة أو الأنودة أو التبلور. من خلال ربط مادة التشحيم كيميائيا عن طريق التطعيم الضوئي على الأسطح النانوية المسامية المصممة ، تنتج الطريقة المقترحة أسطحا زلقة عالية الدقة ومستقرة مناسبة لمعالجة القطرات الانتقائية في الموائع الدقيقة13 ، وأنظمة حصاد المياه12،13،14 ، والأجهزة الطبية الحيوية26،27.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ملاحظة: تظهر نظرة عامة تخطيطية لهذه العملية في الشكل 1. المواد والمعدات المستخدمة في هذه الدراسة مدرجة في جدول المواد.

1. سطح نانوي مسامي

  1. امزج راتنج PUA القابل للعلاج الضوئي مع البولي إيثيلين جلايكول-200 (PEG-200) كمادة بوروجين بنسبة وزن 50٪ بالوزن. قلب الخليط عند 500 دورة في الدقيقة لمدة 5 دقائق باستخدام محرك مغناطيسي.
  2. ضعي المحلول المختلط على طبقة البولي إيثيلين تيريفثاليت (PET) على شكل قطرات لاطئة. قم بتغطية القطرات بغشاء بروبيلين إيثيلين مفلور (FEP) ، وقم بالضغط بشكل موحد باستخدام نظام لفة إلى لوحة28 لضمان الانتشار المتساوي.
  3. قم بتعريض راتنج PUA للأشعة فوق البنفسجية (365 نانومتر) بجرعة طاقة تبلغ 180 مللي جول / سم2 باستخدام نظام معالجة LED للأشعة فوق البنفسجية للحث على البلمرة. بعد المعالجة ، قم بإزالة أفلام FEP.
  4. اغمر العينة المعالجة في ماء منزوع الأيونات (DI) لمدة ساعة واحدة لاستخراج PEG-200 غير المتفاعل. جفف العينة المسامية في فرن 70 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة لإزالة الماء المتبقي وإنهاء تصنيع السطح المسامي النانوي (الشكل 2).
    ملاحظة: بعد التجفيف ، يشير المظهر الأبيض وغير اللامع إلى إزالة PEG-200 تماما ووجود المسام النانوية.

2. سطح معالج ب OTS

  1. قم بإجراء معالجة الأوزون بالأشعة فوق البنفسجية بأطوال موجية 185 و 254 نانومتر بكثافة للأشعة فوق البنفسجية تبلغ 25 ميجاوات / سم2 لمدة 20 دقيقة لإدخال مجموعات الهيدروكسيل على السطح كمعالجة مسبقة لتكوين أحادية الطبقة ذاتية التجميع (SAM) من OTS. قم بإجراء هذه العملية في ظل الظروف المحيطة المختبرية القياسية في درجة حرارة الغرفة والضغط الجوي.
    أنذر: تولد معالجة الأوزون بالأشعة فوق البنفسجية الأوزون (O 3) وأنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) عند التعرض لضوء الأشعة فوق البنفسجية 185 نانومتر و 254 نانومتر. هذه المنتجات الثانوية ضارة بصحة الإنسان ويمكن أن تهيج الجهاز التنفسي. تأكد من توصيل نظام الأوزون للأشعة فوق البنفسجية بنظام عادم وظيفي أو نظام استخراج الدخان.
    قد يؤدي التعرض المطول للأوزون للأشعة فوق البنفسجية لأكثر من 20 دقيقة إلى إتلاف سطح البوليمر ويسبب تشوها هيكليا.
  2. ضع طبقا ساخنا داخل صندوق قفازات مملوء بالنيتروجين. ضع كوبا نظيفا على لوح التسخين وقم بتوزيع 1 مل من محلول OTS على قاع الدورق كقطرة لاطئة.
    أنذر: أوكتاديسيل ثلاثي كلوروسيلان شديد التفاعل مع الرطوبة ويولد غاز كلوريد الهيدروجين المسبب للتآكل (HCl) عند التحلل المائي. يمكن أن تهيج الجلد والعينين والجهاز التنفسي. تعامل مع OTS فقط في صندوق قفازات مملوء بالنيتروجين ، وارتد معدات الحماية الشخصية المناسبة (PPE) ، بما في ذلك القفازات ونظارات السلامة ومعطف المختبر.
  3. قم بتأمين عينات فيلم PET على شرائح زجاجية. اقلب الشرائح وضعها ووجهها لأسفل فوق الدورق لإجراء ترسيب طور البخار ل OTS. سخني الإعداد إلى 120 درجة مئوية لمدة 40 دقيقة.
    ملاحظة: قد يتسبب الطلاء الزائد ل OTS بسبب التسخين المفرط أو التعرض لفترات طويلة في حدوث عيوب في السطح.
  4. أخرج العينات من صندوق القفازات ونظف الدورق باستخدام منديل خال من النسالة.
    ملاحظة: إذا لم يتم تنظيف الدورق بشكل صحيح ، فقد يتجمد OTS المتبقي ويظهر باللون الأبيض ، مما يؤثر على ظروف المعالجة المتكررة.

3. التطعيم الناجم عن الضوء

  1. قم بإجراء معالجة الأوزون بالأشعة فوق البنفسجية بأطوال موجية 185 و 254 نانومتر بكثافة للأشعة فوق البنفسجية تبلغ 25 ميجاوات / سم2 لمدة 20 دقيقة على السطح المطلي ب OTS لإدخال مجموعات الهيدروكسيل كخطوة معالجة مسبقة للتطعيم التساهمي لطبقة فرشاة PDMS. تتم هذه العملية في ظل ظروف محيطة مختبرية قياسية في درجة حرارة الغرفة والضغط الجوي.
    ملاحظة: هذه الخطوة بالغة الأهمية. بدون تنشيط الهيدروكسيل ، تفشل طبقة فرشاة PDMS في التكوين ، ولن تتطور واجهة زلقة.
  2. ضع 20 ميكرولتر / سم2 من زيت السيليكون 10 cS على السطح عن طريق ترسيب قطرات لاطئة لضمان طلاء موحد.
  3. قم بإشعاع العينة لمدة 15 دقيقة باستخدام مصباح الأشعة فوق البنفسجية عالي الكثافة على ارتفاع 15 سم فوق السطح. استخدم مصدرا متعدد الأطوال الموجية يتميز بقمم بارزة عند 207 نانومتر (149 ميجاوات / سم2) و 214 نانومتر (155 ميجاوات / سم2) و 296 نانومتر (125 ميجاوات / سم2) و 317 نانومتر (93 ميجاوات / سم2) و 321 نانومتر (89 ميجاوات / سم2). ينتج التشعيع حرارة ، وتصل درجة حرارة الركيزة إلى 103.3 ± 5.2 درجة مئوية ، مما يسهل تكوين الفرشاة التساهمية.
    تنبيه: أثناء الأشعة فوق البنفسجية عالية الكثافة ، قد يصل زيت السيليكون إلى درجات حرارة مرتفعة (>100 درجة مئوية). على الرغم من أن زيت السيليكون نفسه له سمية حادة منخفضة ، إلا أن استنشاق ضباب الزيت يمكن أن يسبب تهيج الجهاز التنفسي. في درجات الحرارة المرتفعة ، يزداد تقلبها ، ويمكن أن يشكل التعرض لفترات طويلة في الأماكن سيئة التهوية أو المغلقة مخاطر صحية. ارتد نظارات واقية مانعة للأشعة فوق البنفسجية وتأكد من تهوية العادم الكافية لتنفيس الأوزون. احتفظ بالمواد القابلة للاشتعال أو المتطايرة بعيدا عن الإعداد لمنع مخاطر الحريق من الحرارة والتعرض للأشعة فوق البنفسجية.
  4. قم بإمالة العينة بزاوية 30 درجة واحتفظ بها لمدة 5 دقائق للسماح لزيت السيليكون الزائد بالتصريف من السطح.
    ملاحظة: يتم تأكيد الصرف الناجح عندما يعرض السطح طبقة رقيقة وموحدة من زيت السيليكون دون تجميع أو قطرات كبيرة مرئية.

4. تصنيع الهياكل الزلقة المزخرفة

  1. صمم الأشكال المطلوبة باستخدام برنامج CAD (على سبيل المثال ، CATIA) وقم بتصديرها كملفات STL (الترس ، المتاهة ، ونص JoVE. الملف التكميلي 1 ، الملف التكميلي 2 ، الملف التكميلي 3 ، والملف التكميلي 4). قم بتحميل ملفات STL في برنامج التقطيع (على سبيل المثال ، Carima Slicer) لإنشاء صور عرض ثنائية الأبعاد متوافقة مع طابعة DLP ثلاثية الأبعاد. أرسل الملفات الناتجة إلى الطابعة لعرض الضوء الرقمي.
  2. ضع الفيلم المطلي بمحلول البوليمر (من الخطوة 1.2) على نافذة طابعة DLP. قم بتعريض العينة لضوء الأشعة فوق البنفسجية 365 نانومتر بكثافة 180 مللي جول / سم2 باستخدام النمط الرقمي المتوقع لمعالجة الراتنج بشكل انتقائي.
  3. اغمر العينة المكشوفة في ماء DI لمدة ساعة واحدة لاستخراج PEG-200. جفف العينة في فرن 70 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة لإزالة المياه المتبقية وإنتاج البنية النانوية. إجراء المعالجة السطحية OTS والتطعيم الناجم عن الضوء لإكمال تصنيع الأسطح الزلقة المزخرفة.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

أظهرت الأسطح النانوية المسامية المصنعة عن طريق فصل الطور الناجم عن البلمرة توزيعا سائدا لحجم المسام يتراوح بين 60 و 100 نانومتر ، كما هو موضح في الشكل 2. تم تأكيد هذا التوزيع من خلال ثلاثة قياسات مكررة باستخدام تصوير SEM عالي الدقة. تمت معالجة صور SEM عبر تحليل الصور المستند إلى البكسل في MATLAB لتحديد أقطار المسام ، بافتراض المقطع العرضي الدائري.

كانت زاوية ملامسة الماء الساكن المقاسة على السطح المسامي 84.4 ± 1.4 درجة ، بناء على خمسة اختبارات مكررة مع قطرات ماء لاطئة 5 ميكرولتر (الشكل 3 أ). لتقييم التغيرات في قابلية الترطيب السطحي ، تمت مراقبة زاوية التلامس عبر خطوات تعديل السطح - بما في ذلك تكوين الهيكل المسامي النانوي ، وتنشيط الأوزون فوق البنفسجي ، والسيلانة ، وتطعيم PDMS الناجم عن الضوء. بعد السيلانية ، أصبح السطح كارهة للماء. ومع ذلك ، فإن العلاج الثاني بالأشعة فوق البنفسجية بالأوزون ، الذي تم إجراؤه قبل تطعيم PDMS ، قلل مؤقتا من زاوية التلامس لأنه تم إدخال مجموعات الهيدروكسيل. تم عكس هذا التخفيض عن طريق تكوين طبقة فرشاة PDMS مرتبطة تساهميا ، مما يعيد الكراهية للماء للسطح29. على عكس طلاء زيت السيليكون الحر ، والذي يمكن أن ينضب بسهولة ، توفر فرشاة PDMS المربوطة طبقة جزيئية مستقرة ومرنة تحتفظ بمواد التشحيم وتمكن من السلوك الزلق على المدى الطويل11. إذا لم تكتمل عملية التطعيم ، تظل القطرات مثبتة على السطح وتفشل في الانزلاق ، مما يشير إلى أن خطوة التطعيم ضرورية لتحقيق سلوك زلق.

للتحقق من صحة السلوك الزلق لأربعة سوائل تمثيلية (الشكل 3 ب) - الماء منزوع الأيونات ، والأوكتان (التوتر السطحي المنخفض) ، والعسل (اللزوجة العالية) ، واللعاب البشري الاصطناعي (تقليد السوائل الحيوية ؛ محلول اصطناعي تجاري) - زاوية التلامس (الشكل 3 ج) ، زاوية الانزلاق (الشكل 3D) ، سرعة الانزلاق (الشكل 3E) ، وتباطؤ زاوية التلامس (CAH) (الشكل 3F) تم قياسها. لكل سائل ، تم استخدام قطرة لاطئة 5 ميكرولتر لقياس زوايا التلامس والانزلاق (معدل الإمالة: 0.8 درجة / ثانية) ، وتم وضع قطرة أخرى 5 ميكرولتر على سطح مائل بزاوية 30 درجة لقياس سرعة الانزلاق على مسافة 8.5 مم. تم قياس CAH كميا في كل حالة. تم إجراء جميع اختبارات السلوك الزلق في نسخة خماسية. في كل تجربة ، ظلت زوايا الانزلاق أقل من 3 درجات. كانت سرعة انزلاق العسل أقل بشكل ملحوظ لأن لزوجته العالية تسبب تبديدا لزجا داخليا أكبر ، مما يقاوم بشدة حركة القطرات تحت نفس القوة الدافعة. بالإضافة إلى ذلك ، ظل CAH أقل من 10 درجات (الشكل 3F) ، مما يشير إلى واجهة زلقة قوية ومرهية للجميع.

قبل تنفيذ بروتوكول الزخرفة الزلقة مع إسقاط DLP ، تم تقييم دقة الطباعة لراتنج PEG-PUA باستخدام أنماط اختبار الخط والفضاء (الشكل 4). بالنظر إلى دقة البكسل الأصلية لشريحة DMD (50 ميكرومتر × 50 ميكرومتر) ، تم ضبط الحد الأدنى لعرض الخط عند 50 ميكرومتر ، مع زيادات متزايدة تصل إلى 300 ميكرومتر. تم تصنيع كل عرض خط وتحليله خمس مرات. أظهرت ميزات 50 ميكرومتر دقة عالية للهندسة المصممة (50.3 ± 6.3 ميكرومتر). ومع ذلك ، زادت انحرافات الأبعاد بشكل طفيف مع الميزات الأوسع ، ويرجع ذلك على الأرجح إلى تشتت الضوء والانتشار الجانبي أثناء التعرض لمناطق أوسع ، مما يؤدي إلى تجاوز حدود النمط المقصودة. لوحظت تأثيرات المعالجة الزائدة هذه بشكل شائع في راتنجات البوليمر الضوئي التي لم يتم تصميمها لهذا الغرض للتصنيع الإضافي. في هذه الدراسة ، تم تطوير راتنج PEG-PUA في البداية للنمط الضوئي ولم يتم تحسينه للطباعة ثلاثية الأبعاد ، مما ساهم على الأرجح في هذا السلوك. ومع ذلك ، يمكن التخفيف من هذه القيود عن طريق تحسين تكوين الراتنج وخصائص البلمرة الضوئية.

تم تصنيع الأسطح النانوية المسامية المزخرفة التي تتميز بتصميمات على شكل حرف (JoVE) وتصميمات رسومية (متاهة ، ترس) بنجاح باستخدام عملية DLP (الشكل 5 أ). بعد الانتهاء من جميع خطوات تعديل السطح - بما في ذلك السيلانة ، وتنشيط الأوزون بالأشعة فوق البنفسجية ، وتطعيم PDMS ، وتسريب زيت السيليكون - أصبحت الأنماط شفافة بصريا (الشكل 5 ب). ينتج هذا الانتقال عن عدم تطابق معامل الانكسار بين الهواء (na = 1.0) ومصفوفة البوليمر (np = 1.5) ، مما يتسبب في التشتت في الهياكل المسامية غير المملوءة. بعد التسلل بزيت السيليكون (نث = 1.4) ، تم تقليل تباين معامل الانكسار ، مما أدى إلى سطح شفاف بشكل واضح مع نفاذية تتجاوز 90٪ (الشكل 5 ج). عندما تم تطبيق الحبر المحتوي على الماء ، هاجرت القطرات بشكل انتقائي نحو المناطق المحبة للماء غير المعالجة (على سبيل المثال ، فيلم PET) ، وتجنب المجالات الزلقة (الشكل 5 د) ، وبالتالي تشكيل أنماط سائلة محددة جيدا (الشكل 5 ه). توضح هذه النتائج أن البروتوكول يتيح التحكم المكاني الفعال في قابلية البلل السطحي.

figure-results-1
الشكل 1: تخطيطي لعملية التصنيع لسطح زلق منقوش رقميا مبني على هيكل نانوي مسامي مطلي بالسيلان. (أ) عملية لفة إلى لوحة لطلاء راتنجات PEG-PUA بشكل موحد بين فيلم PET وفيلم FEP ، متبوعا بزخرفة مستحثة بالضوء باستخدام نظام إسقاط DLP. (ب) تسلسل تصنيع السطح الزلق: (الخطوة 1) تكوين سطح نانوي مسامي عن طريق فصل الطور؛ (الخطوة 2) معالجة الأوزون بالأشعة فوق البنفسجية لتوليد مجموعات هيدروكسيل على السطح المسامي النانوي ؛ (الخطوة 3) ترسب بخار OTS لتشكيل SAM كارهة للماء ؛ (الخطوة 4) المعالجة الثانية بالأوزون بالأشعة فوق البنفسجية لإدخال مجموعات الهيدروكسيل على سطح SAM ؛ (الخطوة 5) تسلل زيت السيليكون. (الخطوة 6) التطعيم السطحي الناجم عن الضوء لتشكيل طبقة فرشاة PDMS. الاختصارات: PEG-PUA = بولي إيثيلين جلايكول-بولي يوريثين أكريلات; PET = البولي إيثيلين تيريفثاليت. FEP = بروبيلين الإيثيلين المفلور. DLP = معالجة الضوء الرقمي ؛ OTS = أوكتاديسيل ثلاثي كلوروسيلان. SAM = أحادية الطبقة ذاتية التجميع ؛ PDMS = بولي ديميثيل سيلوكسان. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-2
الشكل 2: سطح نانوي مسامي ملفق. (أ) خطوات معالجة صور وصور SEM لتحليل حجم المسام النانوية: (ط) صورة SEM الأصلية؛ (ثانيا) خريطة العمق التي توضح عمق المسام النسبي بمقياس لون زائف مشتق من السطوع ؛ (ثالثا) صورة ثنائية لتجزئة منطقة المسام. (رابعا) وضع العلامات على المسام ، حيث يتم تعيين لون مميز لكل مسام. شريط المقياس = 500 نانومتر. (ب) توزيع حجم المسام النانوية. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-3
الشكل 3: تحليل قابلية البلل السطحي. (أ) قياسات زاوية ملامسة الماء (5 ميكرولتر) بعد كل خطوة تصنيع: سطح مسامي (الخطوة 1) ، سطح معالج بالأشعة فوق البنفسجية بالأوزون (الخطوة 2) ، سطح مطلي ب OTS (الخطوة 3) ، SAM المعالج بالأشعة فوق البنفسجية والأوزون (الخطوة 4) ، سطح مطلي بزيت السيليكون (الخطوة 5) ، وسطح مطعمة بالضوء (الخطوة 6). (ب) التوتر السطحي للسوائل المختلفة: الأوكتان (28.7 ± 0.5 ملي نيوتن / م) ، الماء (70.6 ± 4.4 ملي نيوتن / م) ، العسل (51.0 ± 0.2 ملي نيوتن / م) ، لعاب الإنسان الاصطناعي (66.7 ± 0.4 ملي نيوتن / م) (ج) زاوية التلامس الثابتة ، (د) زاوية الانزلاق (5 ميكرولتر) ، (ه) سرعة الانزلاق (5 ميكرولتر) ، و (و) تباطؤ زاوية التلامس (CAH) المقاسة لقطرات هذه السوائل. تم إجراء جميع التجارب في درجة حرارة الغرفة والرطوبة النسبية 40 ± 5٪. تمثل الأشرطة والنقاط متوسط القيم ، وتشير أشرطة الخطأ إلى متوسط SD ± (ن = 5 تجارب مستقلة). الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-4
الشكل 4: هياكل الخط الدقيقة المطبوعة لاختبار الدقة لنظام DLP ، مع قياس عرض الخط عند نقطة المنتصف لكل سطر (خمسة تكرارات). شريط المقياس = 500 ميكرومتر. تمثل النقاط متوسط القيم ، وتشير أشرطة الخطأ إلى متوسط SD ± (ن = 5 تجارب مستقلة). الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-5
الشكل 5: الأسطح المزخرفة المصنعة من الصور المصممة رقميا عبر إسقاط DLP. (أ) الأسطح النانوية المسامية قبل تسرب زيت السيليكون ، مما يظهر التعتيم. الأنماط: (أنا) الترس ، (ثانيا) المتاهة ، (ثالثا) نص JoVE. شريط الميزان: 10 مم. (ب) الأسطح الزلقة بعد تسرب زيت السيليكون ، تبدو شفافة. الأنماط: (أنا) الترس ، (ثانيا) المتاهة ، (ثالثا) نص JoVE. (ج) مقارنة النفاذية البصرية بين الأسطح الزلقة والمسامية. (د) الإزالة الانتقائية لقطرات الماء الموجهة إلى مناطق معينة محبة للماء (فيلم PET) على السطح الزلق. (ه) الزخرفة الموجهة بالسائل مع قطرات الماء على السطح الزلق. الأنماط: (أنا) الترس ، (ثانيا) المتاهة ، (ثالثا) نص JoVE. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تتمثل الخطوة الحاسمة في هذا البروتوكول في تكوين بنية نانوية مسامية عبر فصل الطور الناجم عن البلمرة أثناء المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية القائمة على DLP. يؤدي مزج PEG-200 مع راتنج PUA القابل للمعالجة ضوئيا ثم تشعيع الخليط بضوء الأشعة فوق البنفسجية المزخرف إلى شبكات مسامية متشابكة وهياكل محددة مكانيا تحتفظ بمواد التشحيم بشكل فعال1. لتمكين التطعيم اللاحق لطبقة فرشاة PDMS11 - تشكيل الأساس لواجهة زلقة مستقرة - تم إجراء علاج الأوزون بالأشعة فوق البنفسجية مرتين أثناء العملية: أولا ، إدخال مجموعات الهيدروكسيل على سطح البوليمر المسامي قبل السيلانة ، وثانيا ، لإعادة تنشيط السطح السيلاني قبل تطعيم PDMS.

يجب توخي الحذر خلال كلتا خطوتي الأوزون للأشعة فوق البنفسجية ، لأن التعرض لظروف الطاقة العالية - مثل ضوء الأشعة فوق البنفسجية قصير الطول الموجي ودرجات الحرارة المرتفعة - قد يؤدي إلى إتلاف ركيزة البوليمر أو تشويه بنية السطح25. بعد الخطوة الثانية من الأشعة فوق البنفسجية والأوزون ، تم ترسيب زيت السيليكون على السطح المنشط. يبدأ التعرض اللاحق للأشعة فوق البنفسجية متعدد الأطوال الموجية في تطعيم سلاسل PDMS. في حين أن التفاعل مدفوع بشكل أساسي بضوء الأشعة فوق البنفسجية ، فإن الطاقة الحرارية المصاحبة تدعم التفاعلات الجزيئية وتعزز الترابط السطحي القوي. تؤدي عملية التطعيم هذه إلى تكوين طبقة فرشاة PDMS مثبتة تساهميا ، مما ينتج عنه واجهات زلقة مستقرة تتميز بزوايا انزلاق منخفضة ، وCAH منخفض ، وسرعة انزلاق سريعة. ومع ذلك ، فإن عدم كفاية الهيدروكسيل أثناء أي من خطوات الأوزون بالأشعة فوق البنفسجية يمكن أن يؤدي إلى ضعف التطعيم وتقليل الأداء الزلق. بالإضافة إلى ذلك ، إذا انخفضت شدة الأشعة فوق البنفسجية المستخدمة أثناء خطوة المعالجة لتصنيع السطح المسامي النانوي إلى أقل من القيمة الموصى بها ، فإن السطح يميل إلى أن يصبح خشنا بشكل مفرط وحجم المسام غير منتظم للغاية ، وقد تتفكك الطبقة النانوية المسامية من ركيزة PET أثناء الشطف23. علاوة على ذلك ، على الرغم من أنه يمكن تصنيع الأسطح النانوية المسامية عن طريق زيادة محتوى PEG-200 فوق 50٪ ، إلا أن الهياكل الناتجة غالبا ما تظهر مسام متضخمة وزيادة خشونة السطح ، مما قد يعيق السلوك الزلق حيث تصبح القطرات مثبتة داخل المسام الكبيرة. لذلك ، يجب الحفاظ على معلمات التصنيع بعناية ضمن النطاقات المحددة.

يتعلق أحد قيود هذا البروتوكول بتصنيع هياكل زلقة كبيرة أو ثلاثية الأبعاد بالكامل (مقياس ملليمتر) باستخدام تركيبات راتينج شفافة في التصنيع الإضافي. بسبب النفاذية البصرية العالية لراتنج PEG-PUA ، قد يخترق ضوء الأشعة فوق البنفسجية خارج طبقة التعرض المقصودة ويبدأ المعالجة في المناطق المريحة أو المقعرة. قد يتسبب هذا في التصلب غير المقصود وفقدان الدقة الهيكلية ، خاصة داخل التجاويف الداخلية. وبالتالي ، فإن توسيع هذه الطريقة لتشمل البنى ثلاثية الأبعاد الزلقة الحجمية لا يزال يمثل تحديا دون مزيد من ضبط خصائص الامتصاص البصري للراتنج23.

على الرغم من هذا القيد ، يوفر البروتوكول مزايا واضحة مقارنة بطرق تصنيع SLIPS التقليدية. على عكس الأساليب22 المستندة إلى FDM ، والتي تقتصر على الدقة المنخفضة والترسيب البطيء ، نقطة بنقطة ، أو تقنيات الأنودة والتبلور20 ، والتي تتطلب إجراءات متعددة الخطوات وقوالب صلبة ، تتيح الطريقة المقترحة القائمة على DLP التصنيع المباشر للركائز المسامية المليئة بمواد التشحيم من خلال عملية إسقاط أحادية الخطوة ، بدون قناع ، وقابلة للبرمجة رقميا. لا يقلل هذا النهج من وقت التصنيع فحسب ، بل يبسط الإجراء أيضا ويزيد بشكل كبير من إنتاجية الزخرفة ، مما يتيح الإنتاج الفعال للأسطح المزخرفة. علاوة على ذلك ، فإن العملية متوافقة مع ركائز مرنة مثل أفلام PET. بالإضافة إلى ذلك ، توفر استراتيجية فصل الطور الناجم عن الضوء دقة عالية ومرونة في الزخرفة وتشكيل مبسط للسقالات المسامية القادرة على الاحتفاظ بمواد التشحيم. يسهل استخدام العمليات المستحثة ضوئيا أيضا التكامل مع الركائز المزخرفة ، ويسمح بالانزلاق الانتقائي ، ويدعم التصنيع القابل للتطوير للهياكل متعددة المقاييس. مجتمعة ، تجعل هذه المزايا الطريقة مناسبة بشكل خاص لتطبيقات مثل نقل القطرات الاتجاهية ، والموائع الدقيقة ذات القناة المفتوحة ، والطلاء المضاد للحشف8 ، وأنظمة حصاد المياه13،14 ، حيث يكون التحكم المكاني الدقيق في قابلية البلل السطحي أمرا ضروريا.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ليس لدى أصحاب البلاغ تضارب في المصالح للإعلان.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تلقى هذا العمل دعما من منح المؤسسة الوطنية للبحوث الكورية (NRF) الممولة من الحكومة الكورية (MSIT) (رقم 2023R1A2C3006499 و RS-2023-00238462). تم دعم هذا البحث أيضا من قبل مبادرة LAMP (المؤسسة العالمية للتعلم والبحث الأكاديمي لطلاب الماجستير والدكتوراه وما بعد الدكتوراه) من منحة المؤسسة الوطنية للبحوث في كوريا (NRF) بتمويل من وزارة التربية والتعليم (رقم. RS-2024-00444460).

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
نظام LED فوق بنفسجي 365 نانومترليشتزنLZL-FL-220220-Cمعدات المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية
اللعاب الصناعيTMABIOTB0924لعاب بشري صناعي (محاكاة للسائل الحيوي؛ محلول صناعي تجاري)
كاريما سلايسركاريماV2.0برامج التقطيع
كاتياأنظمة داسوV5R20برامج CAD
الماء منزوع الأيونات (DI)كيمياء تنظيف كورياKCU-PW3الشطف وإزالة الجسام
طابعة DLP ثلاثية الأبعاد (365 نانومتر UV)كاريماIMD-Cمعدات النمط الرقمي
فيلم الإيثيلين البروبيليني المفلور (FEP)ألفافلونFEP0250فيلم الإصدار
صندوق القفازاتمختبر صنعG801يستخدم في التعامل الآمن مع المواد الخطرة
محرك التحريك بلوحة التسخينكورنينغPC-420Dالطبق الساخن و معدات التحريك المغناطيسي (5" × 7")
نظام مصابيح UV متعددة الأطوال الموجيةراينكسRX-H1000Sمعدات الطعم الناتجة عن الضوء
أوكتاديكيل تري كلوروسيلان (OTS)سيغما-ألدرتش104817طلاء السطح الكاره للماء
الفرنSH العلميSH-VDO-30NHيستخدم لتجفيف العينات
راتنج قابل للمعالجة بالأشعة الضوئيةتقنية مينوتامينز-311RMراتنج البولي يوريثان الأكريلات (PUA) القائم عليه
بولي إيثيلين جليكول (PEG) 200طوكيو للصناعة الكيميائيةP0840بوروجين
فيلم البولي إيثيلين التريفثالات (PET)بلو دي بيركيزة للطباعة
زيت السيليكونشين-إتسو بوليمرKF-96-10CS10cS
سمارت دروبالفيمتوبيوميدقياس زاوية التلامس
منظف الأوزون بالأشعة فوق البنفسجيةجيسونغ للهندسةUVC-30معدات معالجة الأوزون بالأشعة فوق البنفسجية
مقياس الطيف البصري للأشعة فوق البنفسجية/NIRجاسكوV-770قياس نفاذية الضوء

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Wong, T. S., et al. Bioinspired self-repairing slippery surfaces with pressure-stable omniphobicity. Nature. 477 (7365), 443-447 (2011).
  2. Yao, X., et al. Adaptive fluid-infused porous films with tunable transparency and wettability. Nat Mater. 12 (6), 529-534 (2013).
  3. Kreder, M. J., Alvarenga, J., Kim, P., Aizenberg, J. Design of anti-icing surfaces: smooth, textured or slippery. Nat Rev Mater. 1 (1), 1-15 (2016).
  4. Latthe, S. S., Terashima, C., Nakata, K., Fujishima, A. Superhydrophobic surfaces developed by mimicking hierarchical surface morphology of lotus leaf. Molecules. 19 (4), 4256-4283 (2014).
  5. Xiang, T., et al. Slippery liquid-infused porous surface for corrosion protection with self-healing property. Chem Eng J. 345, 147-155 (2018).
  6. Lee, S. H., et al. Implementation of a large-area slippery surface using a transparent organogel. Mater Today Chem. 39, 102187(2024).
  7. Wang, X., Zhuang, Z., Li, X., Yao, X. Droplet manipulation on bioinspired slippery surfaces: from design principle to biomedical applications. Small Methods. 8 (4), 2300253(2024).
  8. Tesler, A. B., et al. Extremely durable biofouling-resistant metallic surfaces based on electrodeposited nanoporous tungstite films on steel. Nat Commun. 6 (1), 8649(2015).
  9. Yuan, Y., et al. Self-repairing performance of slippery liquid infused porous surfaces for durable anti-icing. Adv Mater Interfaces. 9 (10), 2101968(2022).
  10. Eder, T., et al. Transparent PDMS surfaces with covalently attached lubricants for enhanced anti-adhesion performance. ACS Appl Mater Interfaces. 16 (8), 10942-10952 (2024).
  11. Zhao, X., et al. Macroscopic evidence of the liquidlike nature of nanoscale polydimethylsiloxane brushes. ACS Nano. 15 (8), 13559-13567 (2021).
  12. Dai, X., et al. Hydrophilic directional slippery rough surfaces for water harvesting. Sci Adv. 4 (3), eaaq0919(2018).
  13. Lv, P., Zhang, Y. L., Han, D. D., Sun, H. B. Directional droplet transport on functional surfaces with superwettabilities. Adv Mater Interfaces. 8 (12), 2100043(2021).
  14. Lian, Z., et al. Recent progress in bio-inspired macrostructure array materials with special wettability-from surface engineering to functional applications. Int J Extreme Manuf. 6 (1), 012008(2023).
  15. Yin, J., et al. Self-cleaning and antibiofouling enamel surface by slippery liquid-infused technique. Sci Rep. 6 (1), 25924(2016).
  16. Ucuncuoglu, R., Erbil, H. Y. Water drop evaporation on slippery liquid-infused porous surfaces (SLIPS): effect of lubricant thickness, viscosity, ridge height, and pattern geometry. Langmuir. 39 (18), 6514-6528 (2023).
  17. Zhang, P., Zhang, L., Chen, H., Dong, Z., Zhang, D. Surfaces inspired by the Nepenthes peristome for unidirectional liquid transport. Adv Mater. 29 (45), 1702995(2017).
  18. Song, T., et al. Fabrication of super slippery sheet-layered and porous anodic aluminium oxide surfaces and its anticorrosion property. Appl Surf Sci. 355, 495-501 (2015).
  19. Yoon, S. M., et al. Photo-induced liquid-based slippery materials for highly efficient particle aggregation. Appl Surf Sci. 682, 161638(2025).
  20. Mahmut, T. A. S., Memon, H., Xu, F., Ahmed, I., Hou, X. Electrospun nanofibre membrane based transparent slippery liquid-infused porous surfaces with icephobic properties. Colloids Surf A Physicochem Eng Asp. 585, 124177(2020).
  21. Mazzanti, V., Malagutti, L., Mollica, F. FDM 3D printing of polymers containing natural fillers: a review of their mechanical properties. Polymers. 11 (7), 1094(2019).
  22. Shams, H., Basit, K., Khan, M. A., Mansoor, A., Saleem, S. Scalable wear-resistant 3D printed slippery liquid-infused porous surfaces (SLIPS). Addit Manuf. 48, 102379(2021).
  23. Quan, H., et al. Photo-curing 3D printing technique and its challenges. Bioact Mater. 5 (1), 110-115 (2020).
  24. Belgardt, C., Graaf, H., Baumgärtel, T., Borczyskowski, C. V. Self-assembled monolayers on silicon oxide. Phys Status Solidi C. 7 (2), 227-231 (2010).
  25. Tesler, A. B., et al. A one-pot universal approach to fabricate lubricant-infused slippery surfaces on solid substrates. Adv Funct Mater. 31 (27), 2101090(2021).
  26. Huang, W. P., et al. Patterned slippery surface through dynamically controlling surface structures for droplet microarray. Chem Mater. 31 (3), 834-841 (2019).
  27. Sun, L., et al. Tailoring materials with specific wettability in biomedical engineering. Adv Sci. 8 (19), 2100126(2021).
  28. Kim, W. Y., et al. Quasi-seamless stitching for large-area micropatterned surfaces enabled by Fourier spectral analysis of moiré patterns. Nat Commun. 14 (1), 2202(2023).
  29. Pupillo, D., et al. Corrosion resistance of biodegradable zinc surfaces enhanced by UV-grafted polydimethylsiloxane coating. ACS Biomater Sci Eng. 10 (8), 4891-4900 (2024).

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

Slippery SurfacesDigital Light ProcessingNanoporous StructuresPolymerization Induced Phase SeparationSurface SilanizationUV Ozone TreatmentSilicone Oil GraftingContact Angle MeasurementDroplet TransportMicrofluidic Devices

مقالات ذات صلة