Methodenartikel

Lichtinduzierte Strukturierung und Veredelung für rutschige Oberflächen auf Basis silanbeschichteter nanoporöser Strukturen

DOI:

10.3791/69270

⸱

14. November 2025

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

* These authors contributed equally

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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

Dieses Protokoll stellt eine lichtinduzierte Methode zur Herstellung glitschiger dreidimensionaler Strukturen durch sequentielle digitale Strukturierung und Transplantation auf silanbeschichteten nanoporösen Oberflächen vor. Dieser Ansatz ermöglicht die räumlich kontrollierte Bildung von rutschigen Bereichen, was eine strukturierte Flüssigkeitsabweisung und die quantitative Analyse der Grenzflächengleitfähigkeit ermöglicht, mit Anwendungen in der Flüssigkeitsmanipulation und Oberflächentechnik.

Zusammenfassung

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

Dieses Protokoll beschreibt ein lichtinduziertes Verfahren zur Herstellung von räumlich gemusterten, rutschigen Oberflächen mittels digitaler Lichtverarbeitung (DLP) und polymerisationsinduzierter Phasentrennung. Ein lichthärtendes Polyurethan-Acrylat (PUA)-Harz wird mit einem wasserlöslichen Porogen (PEG-200) gemischt und mit einem DLP-Projektionssystem selektiv ultraviolettem (UV) Licht ausgesetzt. Dieser Prozess induziert gleichzeitig die Polymervernetzung und die Trennung der Porogenphase. Nach der Porogenentfernung verbleibt eine nanoporöse Struktur, die durch UV-Ozonaktivierung und Dampfphasensilanisierung chemisch modifiziert wird, um die Hydrophobie zu erhöhen. Silikonöl wird dann infundiert und mit Hilfe von UV-Licht mit mehreren Wellenlängen kovalent auf die Oberfläche gepfropft, wodurch eine stabile Bürstenschicht aus Polydimethylsiloxan (PDMS) entsteht. Die resultierende Oberfläche weist eine starke Flüssigkeitsabweisung, eine Hysterese mit niedrigem Kontaktwinkel und eine hohe optische Transparenz auf. Die Benetzbarkeit wird quantitativ anhand von Kontaktwinkel- und Hysteresemessungen mit Wasser, Oktan, Honig und künstlichem menschlichen Speichel bewertet. Diese Methode ermöglicht eine selektive Gleitfähigkeit, die dadurch demonstriert wird, dass wasserbasierte Tröpfchen von glitschigen Domänen weg in unbehandelte hydrophile Bereiche geleitet werden, wodurch gut definierte Flüssigkeitsmuster gebildet werden. Der Ansatz unterstützt die hochauflösende, maskenlose Herstellung auf flexiblen Substraten und skalierbare Strukturierung für Anwendungen in der Mikrofluidik, beim Tröpfchentransport, bei der Wassergewinnung und bei biomedizinischen Geräten.

Einleitung

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Glitschige, mit Flüssigkeit angereicherte poröse Oberflächen (SLIPS)1 sind bioinspirierte Grenzflächen, die eine Vielzahl von Flüssigkeiten abstoßen, indem sie Schmierflüssigkeiten in mikro- oder nanostrukturierten Festgerüsten einschließen 2,3. Im Gegensatz zu Lotus-inspirierten superhydrophoben Oberflächen4 verwenden SLIPS eine stabilisierte Flüssig-Flüssig-Grenzfläche, die es den Tröpfchen ermöglicht, sich mit minimaler Reibung zu bewegen. Sie weisen Omniphobie, Hysterese mit niedrigem Kontaktwinkel und Selbstheilungsverhalten 3,5 auf, das durch kapillarinduzierte Schmierstoffumverteilung angetrieben wird6. Diese Eigenschaften machen SLIPS attraktiv für Anwendungen in der Mikrofluidik7, Antifouling 6,8, Anti-Icing 9,10,11, Water Harvesting 12,13,14 und selbstreinigenden Oberflächen 15.

Die Ausweitung von SLIPS auf geometrisch komplexe oder räumlich gemusterte Oberflächen bleibt jedoch eine Herausforderung. Herkömmliche Herstellungstechniken für poröse Gerüste, wie z. B. Photolithographie16, 17, Eloxieren18, Gelieren6, 19 und Elektrospinnen20, sind zeitaufwändig und erfordern mehrere Verarbeitungsschritte. Fused Deposition Modeling (FDM)21,22, ein Standardansatz für den 3D-Druck, wurde auch zur Erstellung von SLIPS verwendet, indem poröse Polymere gedruckt und mit Schmiermitteln angereichert wurden. FDM ist zwar leichter zugänglich, verfügt aber über eine langsame Punkt-für-Punkt-Abscheidung und eine begrenzte Auflösung, was es schwierig macht, feine Oberflächenmerkmale oder großflächige Muster effizient herzustellen. Darüber hinaus sind die mit diesen Techniken hergestellten Schlicker in der Regel gleichmäßig rutschig, was ihren Nutzen bei Anwendungen einschränkt, die eine selektive Flüssigkeitskontrolle erfordern.

Um diese Einschränkungen zu überwinden, wird ein lichtinduziertes Verfahren zur Herstellung von gemusterten, rutschigen Oberflächen mittels digitaler Lichtverarbeitung (DLP) eingeführt23. DLP ermöglicht die schnelle, hochauflösende Projektion von gestalteten Bildern auf lichthärtende Materialien. Durch die Kombination von DLP mit polymerisationsinduzierter Phasentrennung werden nanoporöse Mikrostrukturen mit Schmiermittelrückhaltevermögen gebildet. Ein lichthärtendes Polyurethan-Acrylat (PUA)-Harz wird mit einem wasserlöslichen Porogen gemischt und gemustertem ultraviolettem (UV) Licht ausgesetzt, wodurch eine Vernetzung und Porogenphasentrennung induziert wird. Beim anschließenden Waschen wird das Porogen entfernt, so dass eine poröse Matrix zurückbleibt.

Die Oberfläche wird anschließend mit Octadecyltrichlorsilan (OTS) silanisiert, um die Hydrophobie24 zu erhöhen, und mit Silikonöl infundiert. Eine kurze UV-Exposition induziert das kovalente Pfropfen einer Polydimethylsiloxan (PDMS)-Bürstenschicht 6,19,25 auf das Substrat, wodurch das Schmiermittel chemisch verankert und die langfristige Grenzflächenstabilität verbessert wird. Die Eigenschaften der hergestellten Oberflächen - einschließlich des statischen Kontaktwinkels, der Kontaktwinkelhysterese, des Gleitwinkels, der Gleitgeschwindigkeit und der optischen Durchlässigkeit - werden quantitativ bewertet. Darüber hinaus zeigt ein Flüssigkeitsmusterungstest eine selektive Gleitfähigkeit, indem Wassertropfen in unbehandelte Bereiche geleitet werden. In dieser Arbeit wird eine lichtinduzierte strukturierte SLIPS-Fertigung mittels DLP vorgestellt, die die räumliche Kontrolle von Slippery Domains ermöglicht, ohne dass aufwändige Photolithographie, Eloxieren oder Gelieren erforderlich ist. Durch die chemische Bindung des Schmiermittels durch photoinduziertes Pfropfen auf designte nanoporöse Oberflächen erzeugt das vorgeschlagene Verfahren hochauflösende, stabile rutschige Oberflächen, die für die selektive Tröpfchenmanipulation in der Mikrofluidik13, in Wassergewinnungssystemen 12,13,14 und biomedizinischen Geräten 26,27 geeignet sind.

Protokoll

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HINWEIS: Eine schematische Übersicht über diesen Prozess finden Sie in Abbildung 1. Die in dieser Studie verwendeten Materialien und Geräte sind in der Werkstofftabelle aufgeführt.

1. Nanoporöse Oberfläche

  1. Mischen Sie das lichthärtende PUA-Harz mit Polyethylenglykol-200 (PEG-200) als Porogen bei einem Gewichtsverhältnis von 50 Gew.-%. Rühren Sie die Mischung bei 500 U/min 5 Minuten lang mit einem Magnetrührer um.
  2. Geben Sie die gemischte Lösung als sitzende Tröpfchen auf eine Polyethylenterephthalat (PET)-Folie. Die Tröpfchen werden mit einer Folie aus fluoriertem Ethylenpropylen (FEP) bedeckt und mit einem Rolle-zu-Platte-System28 gleichmäßiger Druck ausgeübt, um eine gleichmäßige Verteilung zu gewährleisten.
  3. Setzen Sie das PUA-Harz UV-Licht (365 nm) bei einer Energiedosis von 180 mJ/cm2 mit einem LED-UV-Härtungssystem aus, um die Polymerisation zu induzieren. Entfernen Sie nach dem Aushärten die FEP-Filme.
  4. Tauchen Sie die ausgehärtete Probe 1 h lang in deionisiertes (DI) Wasser, um nicht umgesetztes PEG-200 zu extrahieren. Trocknen Sie die poröse Probe 1 h lang in einem 70 °C-Ofen, um das Restwasser zu entfernen und die Herstellung der nanoporösen Oberfläche abzuschließen (Abbildung 2).
    HINWEIS: Nach dem Trocknen zeigt ein weißliches und mattes Aussehen an, dass PEG-200 vollständig entfernt wurde und Nanoporen vorhanden sind.

2. OTS-behandelte Oberfläche

  1. Führen Sie eine UV-Ozonbehandlung bei Wellenlängen von 185 und 254 nm mit einer UV-Intensität von 25 mW/cm2 für 20 Minuten durch, um Hydroxylgruppen als Vorbehandlung für die Bildung von OTS self-assembled monolayer (SAM) auf die Oberfläche einzubringen. Führen Sie diesen Prozess unter Standard-Laborumgebungsbedingungen bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck durch.
    VORSICHT: Bei der UV-Ozonbehandlung werden Ozon (O3) und reaktive Sauerstoffspezies (ROS) erzeugt, wenn sie 185 nm und 254 nm UV-Licht ausgesetzt werden. Diese Nebenprodukte sind schädlich für die menschliche Gesundheit und können die Atemwege reizen. Stellen Sie sicher, dass das UV-Ozonsystem an ein funktionsfähiges Abgas- oder Rauchabsaugsystem angeschlossen ist.
    Eine längere UV-Ozon-Exposition über 20 Minuten hinaus kann die Polymeroberfläche beschädigen und strukturelle Verformungen verursachen.
  2. Lege eine Kochplatte in ein mit Stickstoff gefülltes Handschuhfach. Stellen Sie ein sauberes Becherglas auf die Heizplatte und geben Sie 1 ml OTS-Lösung als sitzendes Tröpfchen auf den Boden des Becherglases.
    VORSICHT: Octadecyltrichlorsilan reagiert stark auf Feuchtigkeit und erzeugt bei der Hydrolyse korrosives Chlorwasserstoffgas (HCl). Es kann Haut, Augen und Atemwege reizen. Behandeln Sie OTS nur in einem mit Stickstoff gefüllten Handschuhfach und tragen Sie geeignete persönliche Schutzausrüstung (PSA), einschließlich Handschuhe, Schutzbrille und Laborkittel.
  3. Befestigen Sie die PET-Folienproben auf Objektträgern. Drehen Sie die Objektträger um und legen Sie sie mit der bedruckten Seite nach unten über das Becherglas, um die Dampfphasenabscheidung von OTS durchzuführen. Erhitzen Sie das Setup 40 Minuten lang auf 120 °C.
    HINWEIS: Eine Überbeschichtung von OTS aufgrund von übermäßiger Erwärmung oder längerer Einwirkung kann zu Oberflächenfehlern führen.
  4. Nehmen Sie die Proben aus dem Handschuhfach und reinigen Sie das Becherglas mit einem fusselfreien Tuch.
    HINWEIS: Wenn das Becherglas nicht ordnungsgemäß gereinigt wird, können sich OTS-Reste verfestigen und weiß erscheinen, was sich auf die Bedingungen für die wiederholte Verarbeitung auswirkt.

3. Lichtinduzierte Transplantation

  1. Führen Sie eine UV-Ozonbehandlung bei Wellenlängen von 185 und 254 nm mit einer UV-Intensität von 25 mW/cm2 für 20 Minuten auf der OTS-beschichteten Oberfläche durch, um Hydroxylgruppen als Vorbehandlungsschritt für die kovalente Veredelung der PDMS-Bürstenschicht einzuführen. Dieser Prozess wird unter normalen Laborumgebungsbedingungen bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck durchgeführt.
    HINWEIS: Dieser Schritt ist wichtig. Ohne Hydroxylaktivierung bildet sich die PDMS-Bürstenschicht nicht und es entwickelt sich keine rutschige Grenzfläche.
  2. Tragen Sie 20 μL/cm2 von 10 cS Silikonöl durch sessile Tröpfchenabscheidung auf die Oberfläche auf, um eine gleichmäßige Beschichtung zu gewährleisten.
  3. Bestrahlen Sie die Probe 15 Minuten lang mit einer hochintensiven UV-Lampe, die 15 cm über der Oberfläche positioniert ist. Verwenden Sie eine Multiwellenlängenquelle mit markanten Peaks bei 207 nm (149 mW/cm2), 214 nm (155 mW/cm2), 296 nm (125 mW/cm2), 317 nm (93 mW/cm2) und 321 nm (89 mW/cm2). Die Strahlung erzeugt Wärme, und das Substrat erreicht 103,3 ± 5,2 °C, was die Bildung kovalenter Bürsten erleichtert.
    ACHTUNG: Bei hochintensiver UV-Bestrahlung kann Silikonöl erhöhte Temperaturen (>100 °C) erreichen. Obwohl Silikonöl selbst eine geringe akute Toxizität aufweist, kann das Einatmen von Ölnebel zu Reizungen der Atemwege führen. Bei erhöhten Temperaturen nimmt die Flüchtigkeit zu, und eine längere Exposition in schlecht belüfteten oder geschlossenen Räumen kann ein Gesundheitsrisiko darstellen. Tragen Sie eine Schutzbrille mit UV-Schutz und sorgen Sie für eine ausreichende Absaugung, um Ozon abzulassen. Halten Sie brennbare oder flüchtige Materialien von der Einrichtung fern, um Brandgefahren durch Hitze und UV-Einwirkung zu vermeiden.
  4. Kippen Sie die Probe in einem Winkel von 30° und halten Sie sie 5 Minuten lang, damit überschüssiges Silikonöl von der Oberfläche abfließen kann.
    HINWEIS: Eine erfolgreiche Entwässerung ist bestätigt, wenn die Oberfläche einen dünnen, gleichmäßigen Film aus Silikonöl ohne Ansammlungen oder große sichtbare Tröpfchen aufweist.

4. Herstellung von gemusterten, rutschigen Strukturen

  1. Entwerfen Sie die gewünschten Formen mit CAD-Software (z. B. CATIA) und exportieren Sie sie als STL-Dateien (Zahnrad-, Labyrinth- und JoVE-Text; Ergänzende Akte 1, Ergänzende Akte 2, Ergänzende Akte 3 und Ergänzende Akte 4). Laden Sie die STL-Dateien in eine Slicing-Software (z. B. Carima Slicer), um 2D-Projektionsbilder zu generieren, die mit dem DLP-3D-Drucker kompatibel sind. Senden Sie die resultierenden Dateien zur digitalen Lichtprojektion an den Drucker.
  2. Legen Sie die mit Polymerlösung beschichtete Folie (aus Schritt 1.2) auf das Fenster des DLP-Druckers. Setzen Sie die Probe 365 nm UV-Licht mit einer Intensität von 180 mJ/cm2 mit dem projizierten digitalen Muster aus, um das Harz selektiv auszuhärten.
  3. Tauchen Sie die freiliegende Probe 1 h lang in DI-Wasser, um PEG-200 zu extrahieren. Trocknen Sie die Probe 1 h lang in einem 70 °C heißen Ofen, um Restwasser zu entfernen und die nanoporöse Struktur herzustellen. Führen Sie OTS-Oberflächenbehandlungen und lichtinduzierte Pfropfungen durch, um die Herstellung von gemusterten, rutschigen Oberflächen zu vervollständigen.

Ergebnisse

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Die nanoporösen Oberflächen, die durch Polymerisations-induzierte Phasentrennung hergestellt wurden, wiesen eine dominante Porengrößenverteilung von 60-100 nm auf, wie in Abbildung 2 gezeigt. Diese Verteilung wurde durch drei Replikatmessungen mit hochauflösender REM-Bildgebung bestätigt. Die REM-Bilder wurden mittels pixelbasierter Bildanalyse in MATLAB zur Bestimmung der Porendurchmesser unter der Annahme eines kreisförmigen Querschnitts verarbeitet.

Der auf der porösen Oberfläche gemessene Kontaktwinkel des statischen Wassers betrug 84,4 ± 1,4°, basierend auf fünf Wiederholungstests mit 5 μl sitzenden Wassertröpfchen (Abbildung 3A). Um die Veränderungen der Oberflächenbenetzbarkeit zu bewerten, wurde der Kontaktwinkel über die Schritte der Oberflächenmodifikation hinweg überwacht, einschließlich der Bildung nanoporöser Strukturen, der Aktivierung von UV-Ozon, der Silanisierung und der lichtinduzierten PDMS-Transplantation. Nach der Silanisierung wurde die Oberfläche hydrophob; Eine zweite UV-Ozon-Behandlung, die vor der PDMS-Transplantation durchgeführt wurde, verringerte jedoch vorübergehend den Kontaktwinkel, da Hydroxylgruppen eingebracht wurden. Diese Reduktion wurde durch die Bildung einer kovalent gebundenen PDMS-Bürstenschicht rückgängig gemacht, wodurch die Hydrophobie der Oberfläche wiederhergestelltwurde 29. Im Gegensatz zu freien Silikonölbeschichtungen, die sich leicht erschöpfen können, bietet die angebundene PDMS-Bürste eine stabile und flexible Molekülschicht, die das Schmiermittel zurückhält und ein langfristiges Rutschverhalten ermöglicht11. Wenn der Pfropfvorgang nicht abgeschlossen ist, bleiben die Tröpfchen auf der Oberfläche haften und gleiten nicht, was darauf hindeutet, dass der Pfropfschritt für das Erreichen eines rutschigen Verhaltens unerlässlich ist.

Zur Validierung des rutschigen Verhaltens von vier repräsentativen Flüssigkeiten (Abbildung 3B) – deionisiertes Wasser, Oktan (niedrige Oberflächenspannung), Honig (hohe Viskosität) und künstlicher menschlicher Speichel (eine Biofluid-Nachahmung; kommerzielle synthetische Lösung) – ihr Kontaktwinkel (Abbildung 3C), Gleitwinkel (Abbildung 3D), Gleitgeschwindigkeit (Abbildung 3E) und Kontaktwinkelhysterese (CAH) (Abbildung 3F)) wurden gemessen. Für jede Flüssigkeit wurde ein 5 μl sessiler Tropfen zur Messung des Kontakt- und Gleitwinkels (Kippgeschwindigkeit: 0,8°/s) verwendet, und ein weiterer 5 μl Tropfen wurde auf eine um 30° geneigte Oberfläche gelegt, um die Gleitgeschwindigkeit über einen Abstand von 8,5 mm zu messen. CAH wurde jeweils quantifiziert. Alle Rutschverhaltenstests wurden in fünffacher Ausführung durchgeführt. In jedem Versuch blieben die Gleitwinkel unter 3°. Die Gleitgeschwindigkeit von Honig war deutlich niedriger, da seine hohe Viskosität eine größere interne viskose Ableitung verursacht, die der Tröpfchenbewegung bei gleicher Antriebskraft stark widersteht. Darüber hinaus blieb CAH unter 10° (Abbildung 3F), was auf eine robuste, omniphobe rutschige Grenzfläche hinweist.

Vor der Implementierung des Slippery-Patterning-Protokolls mit DLP-Projektion wurde die Druckauflösung des PEG-PUA-Harzes mit Hilfe von Zeilen- und Leerzeichen-Testmustern bewertet (Abbildung 4). Aufgrund der nativen Pixelauflösung des DMD-Chips (50 μm x 50 μm) wurde die minimale Linienbreite auf 50 μm festgelegt, mit inkrementellen Erhöhungen bis zu 300 μm. Jede Linienbreite wurde fünfmal fabriziert und analysiert. Die 50-μm-Merkmale wiesen eine hohe Wiedergabetreue der entworfenen Geometrie auf (50,3 ± 6,3 μm). Die Dimensionsabweichungen nahmen jedoch bei breiteren Merkmalen leicht zu, wahrscheinlich aufgrund von Lichtstreuung und lateraler Streuung während der Belichtung breiterer Bereiche, was zu einer Überhärtung über die beabsichtigten Mustergrenzen hinaus führte. Diese Überhärtungseffekte werden häufig bei Photopolymerharzen beobachtet, die nicht speziell für die additive Fertigung entwickelt wurden. In dieser Studie wurde das PEG-PUA-Harz ursprünglich für die Fotostrukturierung entwickelt und war nicht für den 3D-Druck optimiert, was wahrscheinlich zu diesem Verhalten beigetragen hat. Nichtsdestotrotz können solche Einschränkungen durch Optimierung der Harzzusammensetzung und der Photopolymerisationseigenschaften gemildert werden.

Gemusterte nanoporöse Oberflächen mit buchstabenförmigen (JoVE) und grafischen (Labyrinth, Zahnrad) Designs wurden erfolgreich mit dem DLP-Verfahren hergestellt (Abbildung 5A). Nach Abschluss aller Schritte der Oberflächenmodifizierung – einschließlich Silanisierung, UV-Ozon-Aktivierung, PDMS-Transplantation und Silikonölinfusion – wurden die Muster optisch transparent (Abbildung 5B). Dieser Übergang resultiert aus der Brechungsindex-Diskrepanz zwischen Luft (na = 1,0) und der Polymermatrix (np = 1,5), die eine Streuung in den ungefüllten porösen Strukturen verursacht. Nach der Infiltration mit Silikonöl (ns = 1,4) wurde der Brechungsindexkontrast reduziert, wodurch eine sichtbar transparente Oberfläche mit einem Transmissionsgrad von über 90 % entstand (Abbildung 5C). Beim Auftragen von wasserhaltiger Tinte wanderten die Tröpfchen selektiv in unbehandelte hydrophile Bereiche (z. B. die PET-Folie), wodurch die rutschigen Domänen vermieden wurden (Abbildung 5D) und so gut definierte Flüssigkeitsmuster gebildet wurden (Abbildung 5E). Diese Ergebnisse zeigen, dass das Protokoll eine effektive räumliche Kontrolle der Oberflächenbenetzbarkeit ermöglicht.

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Abbildung 1: Schematische Darstellung des Herstellungsprozesses einer digital strukturierten, rutschigen Oberfläche, die auf einer silanbeschichteten nanoporösen Struktur aufbaut. (A) Rolle-zu-Platte-Verfahren zur gleichmäßigen Beschichtung von PEG-PUA-Harz zwischen einer PET-Folie und einer FEP-Folie, gefolgt von lichtinduzierter Strukturierung mit einem DLP-Projektionssystem. (B) Herstellungssequenz der rutschigen Oberfläche: (Schritt 1) Bildung einer nanoporösen Oberfläche durch Phasentrennung; (Schritt 2) UV-Ozonbehandlung zur Erzeugung von Hydroxylgruppen auf der nanoporösen Oberfläche; (Schritt 3) OTS-Gasphasenabscheidung zur Bildung eines hydrophoben SAM; (Schritt 4) zweite UV-Ozonbehandlung, um Hydroxylgruppen auf der SAM-Oberfläche einzuführen; (Schritt 5) Infiltration von Silikonöl; (Schritt 6) Lichtinduzierte Oberflächenveredelung zur Bildung einer PDMS-Bürstenschicht. Abkürzungen: PEG-PUA = Polyethylenglykol-Polyurethan-Acrylat; PET = Polyethylenterephthalat; FEP = Fluoriertes Ethylenpropylen; DLP = Digitale Lichtverarbeitung; OTS = Octadecyltrichlorsilan; SAM = Selbstorganisierende Monoschicht; PDMS = Polydimethylsiloxan. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

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Abbildung 2: Hergestellte nanoporöse Oberfläche. (A) REM-Bild und Bildverarbeitungsschritte für die Analyse der Nanoporengröße: (i) Original-REM-Bild; (ii) Tiefenkarte, die die relative Porentiefe mit einer aus der Helligkeit abgeleiteten Pseudofarbskala zeigt; (iii) binarisiertes Bild für die Segmentierung der Porenregionen; (iv) Porenmarkierung, wobei jeder Pore eine bestimmte Farbe zugewiesen wird. Maßstabsleiste = 500 nm. (B) Größenverteilung der Nanoporen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

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Abbildung 3: Analyse der Oberflächenbenetzbarkeit. (A) Messungen des Kontaktwinkels des Wassers (5 μl) nach jedem Herstellungsschritt: poröse Oberfläche (Schritt 1), UV-ozonbehandelte Oberfläche (Schritt 2), OTS-beschichtete Oberfläche (Schritt 3), UV-Ozon-behandeltes SAM (Schritt 4), silikonölbeschichtete Oberfläche (Schritt 5) und lichtgepfropfte Oberfläche (Schritt 6). (B) Oberflächenspannung verschiedener Flüssigkeiten: Oktan (28,7 ± 0,5 mN/m), Wasser (70,6 ± 4,4 mN/m), Honig (51,0 ± 0,2 mN/m), künstlicher menschlicher Speichel (66,7 ± 0,4 mN/m), (C) Statischer Kontaktwinkel, (D) Gleitwinkel (5 μL), (E) Gleitgeschwindigkeit (5 μL) und (F) Kontaktwinkelhysterese (CAH), gemessen für die Tröpfchen dieser Flüssigkeiten. Alle Versuche wurden bei Raumtemperatur und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 40 ± 5% durchgeführt. Balken und Punkte stellen Mittelwerte dar, und Fehlerbalken geben den Mittelwert ± SD an (n = 5 unabhängige Experimente). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

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Abbildung 4: Mikrolinienstrukturen, die für den Auflösungstest des DLP-Systems gedruckt wurden, wobei die Linienbreiten am Mittelpunkt jeder Linie gemessen wurden (fünf Wiederholungen). Maßstabsleiste = 500 μm. Punkte stellen Mittelwerte dar, und Fehlerbalken geben mittlere ± SD an (n = 5 unabhängige Experimente). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

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Abbildung 5: Gemusterte Oberflächen, die aus digital gestalteten Bildern mittels DLP-Projektion hergestellt wurden. (A) Nanoporöse Oberflächen vor dem Eindringen von Silikonöl, die Opazität aufweisen. Muster: (i) Zahnrad, (ii) Labyrinth, (iii) JoVE-Text. Maßstabsleiste: 10 mm. (B) Rutschige Oberflächen nach dem Eindringen von Silikonöl, die transparent erscheinen. Muster: (i) Zahnrad, (ii) Labyrinth, (iii) JoVE-Text. (C) Optischer Transmissionsvergleich zwischen rutschigen und porösen Oberflächen. (D) Selektive Entfernung von Wassertröpfchen, die in bestimmte hydrophile Bereiche (PET-Folie) auf der rutschigen Oberfläche gelenkt werden. (E) Flüssigkeitsgeführte Strukturierung mit Wassertropfen auf der rutschigen Oberfläche. Muster: (i) Zahnrad, (ii) Labyrinth, (iii) JoVE-Text. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Diskussion

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Ein kritischer Schritt in diesem Protokoll ist die Bildung einer nanoporösen Struktur durch polymerisationsinduzierte Phasentrennung während der DLP-basierten UV-Härtung. Durch das Mischen von PEG-200 mit einem lichthärtenden PUA-Harz und die anschließende Bestrahlung des Gemisches mit gemustertem UV-Licht entstehen vernetzte poröse Netzwerke und räumlich definierte Strukturen, die Schmierstoffe effektiv zurückhalten1. Um das anschließende Pfropfen einer PDMS-Bürstenschicht11 zu ermöglichen, die die Grundlage für eine stabile rutschige Grenzfläche bildet, wurde während des Prozesses zweimal eine UV-Ozonbehandlung durchgeführt: erstens, um Hydroxylgruppen vor der Silanisierung auf die poröse Polymeroberfläche einzubringen, und zweitens, um die silanisierte Oberfläche vor der PDMS-Transplantation zu reaktivieren.

Bei beiden UV-Ozon-Schritten ist Vorsicht geboten, da die Einwirkung von hochenergetischen Bedingungen - wie kurzwelligem UV-Licht und erhöhten Temperaturen - das Polymersubstrat beschädigen oder die Oberflächenstruktur verformen kann25. Nach dem zweiten UV-Ozon-Schritt wurde Silikonöl auf der aktivierten Oberfläche abgeschieden. Die anschließende UV-Belichtung mit mehreren Wellenlängen initiiert die Transplantation von PDMS-Ketten. Während die Reaktion in erster Linie durch UV-Licht angetrieben wird, unterstützt die begleitende Wärmeenergie molekulare Wechselwirkungen und fördert eine robuste Oberflächenbindung. Dieser Pfropfprozess führt zur Bildung einer kovalent verankerten PDMS-Bürstenschicht, was zu stabilen rutschigen Grenzflächen führt, die sich durch geringe Gleitwinkel, niedrige CAH und schnelle Gleitgeschwindigkeit auszeichnen. Eine unzureichende Hydroxylierung während eines der beiden UV-Ozon-Schritte kann jedoch zu einer schlechten Veredelung und einer verminderten Gleitleistung führen. Sinkt darüber hinaus die UV-Intensität, die während des Aushärtungsschritts zur Herstellung der nanoporösen Oberfläche verwendet wird, unter den empfohlenen Wert, neigt die Oberfläche dazu, übermäßig rau und die Porengröße sehr unregelmäßig zu werden, und die nanoporöse Schicht kann sich während des Spülens sogar vom PET-Substrat ablösen23. Obwohl nanoporöse Oberflächen durch Erhöhung des PEG-200-Gehalts auf über 50 Gew.-% hergestellt werden können, weisen die resultierenden Strukturen oft vergrößerte Poren und eine erhöhte Oberflächenrauheit auf, was das rutschige Verhalten behindern kann, da sich Tröpfchen in den großen Poren festsetzen. Daher sollten die Herstellungsparameter sorgfältig innerhalb der vorgeschriebenen Bereiche gehalten werden.

Eine Einschränkung dieses Protokolls betrifft die Herstellung von großen oder vollständig 3D-(Millimeter-Skalen) rutschigen Strukturen unter Verwendung transparenter Harzformulierungen in der additiven Fertigung. Aufgrund der hohen optischen Durchlässigkeit des PEG-PUA-Harzes kann UV-Licht über die vorgesehene Belichtungsschicht hinaus eindringen und die Aushärtung in vertieften oder konkaven Bereichen einleiten. Dies kann zu einer unbeabsichtigten Verfestigung und einem Verlust der Strukturtreue führen, insbesondere in internen Hohlräumen. Daher bleibt die Ausweitung dieses Verfahrens auf volumetrische rutschige 3D-Architekturen ohne weitere Abstimmung der optischen Absorptionseigenschaften des Harzes23 eine Herausforderung.

Trotz dieser Einschränkung bietet das Protokoll klare Vorteile gegenüber herkömmlichen SLIPS-Herstellungsmethoden. Im Gegensatz zu FDM-basierten Ansätzen22, die durch eine geringe Auflösung und langsame Punkt-für-Punkt-Abscheidung begrenzt sind, oder Eloxal- und Gelierungstechniken20, die mehrstufige Verfahren und starre Schablonen erfordern, ermöglicht das vorgeschlagene DLP-basierte Verfahren die direkte Herstellung von mit Gleitmittel angereicherten porösen Substraten durch einen einstufigen, maskenlosen und digital programmierbaren Projektionsprozess. Dieser Ansatz reduziert nicht nur die Fertigungszeit, sondern vereinfacht auch das Verfahren und erhöht den Durchsatz bei der Strukturierung erheblich, was die effiziente Herstellung von strukturierten Oberflächen ermöglicht. Darüber hinaus ist das Verfahren mit flexiblen Substraten wie PET-Folien kompatibel. Darüber hinaus bietet die lichtinduzierte Phasentrennungsstrategie eine hohe Auflösung, Flexibilität bei der Strukturierung und eine vereinfachte Bildung von porösen Gerüsten, die Schmierstoffe zurückhalten können. Der Einsatz von photoinduzierten Prozessen erleichtert auch die Integration mit strukturierten Substraten, ermöglicht selektive Gleitfähigkeit und unterstützt die skalierbare Herstellung von Multiskalenstrukturen. Zusammengenommen eignen sich diese Vorteile besonders gut für Anwendungen wie den gerichteten Tröpfchentransport, die Mikrofluidik in offenen Kanälen, Antifouling-Beschichtungen8 und Wassergewinnungssysteme13,14, bei denen eine präzise räumliche Steuerung der Oberflächenbenetzbarkeit unerlässlich ist.

Offenlegungen

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Die Autoren haben keine Interessenkonflikte anzugeben.

Danksagungen

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

Diese Arbeit wurde durch Zuschüsse der National Research Foundation of Korea (NRF) unterstützt, die von der koreanischen Regierung (MSIT) finanziert wurden (Nr. 2023R1A2C3006499 und RS-2023-00238462). Diese Forschung wurde auch durch die LAMP-Initiative (Global Learning & Academic Research Institution for Master's and PhD Students and Postdocs) der National Research Foundation of Korea (NRF) unterstützt, die vom Bildungsministerium finanziert wurde (Nr. RS-2024-00444460).

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
365 nm UV-LED-SystemLichtzenLZL-FL-220220-CUV-Aushärtungsgeräte
Künstlicher SpeichelTMABIOTB0924Künstlicher menschlicher Speichel (ein Biofluid-Nachahmer; kommerzielle synthetische Lösung)
Carima SlicerCARIMAV2.0Slicing-Software
CATIADassault-SystemeV5R20CAD-Software
Deionisiertes (DI) WasserKOREA-REINIGUNGSCHEMIEKCU-PW3Spülen und Porogenentfernung
DLP 3D-Drucker (365 nm UV)CARIMAIMD-CDigitale Musterungsgeräte
Fluorinierter Ethylenpropylenfilm (FEP)ALPHAFLONFEP0250Veröffentlichungsfilm
HandschuhfachLABOR GEMACHTG801Verwendet für den sicheren Umgang mit gefährlichen Materialien
Rührer mit heißer PlatteCorningPC-420DHeißplatte & Magnetische Rührgeräte (5" x 7")
Mehrwellenlängen-UV-LampensystemRaynicsRX-H1000SLichtinduzierte Veredelungsgeräte
Octadecyltrichlorilan (OTS)Sigma-Aldrich104817Hydrophobe Oberflächenbeschichtung
OfenSH WissenschaftlichSH-VDO-30NHVerwendung zum Trocknen von Proben
Fotohärtbares HarzMinuta-TechnologieMINS-311RMHarz auf Basis von Polyurethanacrylat (PUA)
Polyethylenglykol (PEG) 200Tokioter ChemieindustrieP0840Porogen
Polyethylenterephthalat (PET)-FilmBlauer DPSubstrat für Prägung
SilikonölShin-Etsu-PolymerKF-96-10CS10cS
SmartDropFemtobiomedKontaktwinkelmessung
UV-OzonreinigerJaesung EngineeringUVC-30UV-Ozonbehandlungsanlagen
UV-sichtbares/NIR-SpektrophotometerJascoV-770Lichtdurchlässigkeitsmessung

Referenzen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Wong, T. S., et al. Bioinspired self-repairing slippery surfaces with pressure-stable omniphobicity. Nature. 477 (7365), 443-447 (2011).
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