Methodenartikel

Multiscale structuren samengevoegd door ingeprinte Nanofibers voor functionele oppervlakken

DOI:

10.3791/58356

⸱

11 september 2018

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Mechanical Engineering, Changwon National University, 2Department of Mechanical Engineering, Massachusetts Institute of Technology, 3Printed Electronics Research Team, Korea Institute of Machinery and Materials

* These authors contributed equally

In dit artikel

Samenvatting

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

Gepresenteerd is een eenvoudige methode om het fabriceren van nano-micro multiscale structuren, voor functionele oppervlakken, door samenvoeging van nanofibers die zijn vervaardigd met behulp van een filter anodic aluminium oxide.

Samenvatting

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

Multiscale oppervlakte structuren hebben steeds meer belangstelling als gevolg van de verschillende mogelijke toepassingen in oppervlakte apparaten. Een bestaande uitdaging in het veld is echter de fabricage van hybride micro-nano structuren met behulp van een methode facile, kosteneffectieve en hoge gegevensdoorvoer. Om deze uitdagingen te overwinnen, stelt dit document een protocol om multiscale structuren met behulp van alleen een opdruk met een anodic aluminium oxide (AAO)-filter en een verdampingsemissies zelf aggregatie proces van nanofibers. In tegenstelling tot eerdere pogingen die zijn gericht op het rechtzetten van nanofibers, tonen we een unieke fabricage methode voor multiscale geaggregeerde nanofibers met hoge hoogte-breedteverhoudingen. Bovendien, de bovengrondse morfologie en spuitbaarheid van deze structuren op verschillende vloeistoffen werden onderzocht om hun gebruik in multifunctionele oppervlakken.

Inleiding

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

Nanoschaal getextureerde structuren zoals nanodeeltjes, nanotubes en nanofibers hebben trok de aandacht in de wetenschappelijke gemeenschap, als ze unieke kenmerken in diverse toepassingen aantonen, met inbegrip van elektrische, biomedische, optische en oppervlakte Engineering1,2,3,4,5,6,7,8. Met name worden nanofibers veel gebruikt in rekbaar en transparant elektroden9, draagbare sensoren10,11, interconnecties12,13en nano-optics applicaties 14. onder de verschillende methoden van fabriceren nanoschaal structuren, zoals sol-gel methoden, zelf-assemblage, lithografie en replicatie15,16,17,18, 19,20, directe replicatie met behulp van een sjabloon wordt momenteel beschouwd als een veelbelovende methode omdat het is eenvoudig, kosteneffectief en toepassing op verschillende uithardende materialen21,22 , 23 , 24 , 25 , 26.

Vanwege haar multiscale structuur met een groot aantal nano-schaal poriën en micro-Schaalhoogte, is AAO gebruikte als de sjabloon voor de fabricage van nanofibers en nanotubes met een hoge hoogte-breedteverhouding27,28,29 , 30. echter, vanwege de oppervlaktespanning met dergelijke een hoge hoogte-breedteverhouding, nanofibers neiging om gemakkelijk statistische31,32,33. Bestaande onderzoek heeft aangetoond dat nanofibers met een hoogte-breedteverhouding groter is dan 15:1 doen staan niet rechtop maar in plaats daarvan aggregaat, overwegende dat degenen die een verhouding minder dan 5:1 afzonderlijk geïsoleerde zonder aggregatie33,34. Capillaire werking en oppervlaktespanning spelen een belangrijke rol bij het verwijderen van aluminiumoxide met behulp van een etchant, die tot de processen tijdens de fabricage van nanofiber behoort. Wanneer de hoogte-breedteverhouding toeneemt, neigt oppervlaktespanning onder nanofibers te trekken ze dichter naar elkaar, waardoor aggregatie. Verschillende studies hebben gericht op methoden om te voorkomen dat dergelijke samenvoeging35, die met name in polymeer en metalen nanofibers waargenomen wordt. Onder deze, kan hydratatie van het oppervlak van de nanofiber verminderen de agglomeratie omdat wanneer een vloeistof de ruimten tussen nanofibers beslaat, oppervlaktespanning verlaagt. De freeze-drying methode kan verder ook aggregatie verminderen door het verlagen van de oppervlaktespanning tussen nanofibers. Ondanks verschillende pogingen blijft het rechttrekken van nanofibers met een hoge hoogte-breedteverhouding echter een uitdaging.

Te dien einde rapporteren we een unieke methode voor het fabriceren van multiscale structuren van verwarde nanofiber door gebruik te maken van het verschijnsel van de globalisatie op een positieve manier. Hier is de structuur nanofiber bedrukt met behulp van een AAO filter en polyurethaan-acrylaat (PUA)-Typ harsen met een viscositeit van 257.4 cP. Nadat UV nano Impressum litho (UV-nihil) wordt uitgevoerd, wordt de mal is geëtst met een NaOH oplossing. Karakteriseren de voorgestelde multiscale structuren, onderzoeken we het gedrag van de patroon van het monster met geaggregeerde nanofibers en de oppervlakte spuitbaarheid na goede oppervlaktebehandelingen zoals coating met een zelf samengestelde enkelgelaagde en UV ozon behandeling . Bovendien stellen wij voor dat het multiscale poreuze oppervlak gewoon op een glad oppervlak met behulp van een glijmiddel-geïnfundeerd proces kan worden omgezet.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

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

1. fabricage van Nano-Micro Multiscale structuur oppervlak met behulp van een Filter AAO (Figuur 1)

  1. Koop een AAO-filter met een poriegrootte, hoogte en diameter van 200 nm 60 µm en 25 mm, respectievelijk.
  2. 1.2. het oppervlak van de polyethyleentereftalaat (PET) film, met een dikte van 100 μm met aceton 99,8% en isopropylalcohol (IPA) met 99,9% voor 5 min, schoon en volledig droog zijn voor 3 min met behulp van een lucht pistool.
  3. Plaats de PET-film op een vlakke ondergrond zonder verontreinigingen en voeg een druppel 0,1 mL van UV-drogende polyurethaan-acrylaat (PUA)-Typ hars met een viscositeit van 257.4 cPs op het oppervlak.
  4. Plaats het AAO-filter op de hars en druk op uniforme wijze, met een rubberen roller met een diameter van 32 mm. De verspreiding van de hars is visueel bevestigd, dus de roller moet worden herhaaldelijk en zorgvuldig geduwd bij het indrukken.
    Let op: Het AAO-filter is broos en kan breken als buitensporig geweld wordt toegepast.
  5. Na het rollen door het model gemaakt met het filter van het huisdier en AAO (verbonden met behulp van de hars) bloot te stellen aan UV-licht met een golflengte van 365 nm voor 30 s om te genezen van de hars.
  6. Dompel het genezen model in 100 mL 2 M NaOH oplossing voor 10 min te ontbinden van het filter.
    Opmerking: De SEM afbeeldingen tonen de dwarsdoorsnede en de oppervlakte van de structuur (Figuur 2).
  7. Het model met DI water schoon en volledig droog het gedurende 3 minuten met behulp van een lucht pistool.
    Opmerking: EDX analyse bevestigd dat Na Al niet zijn waargenomen en volledig werden geëtst (Figuur 3).

2. oppervlaktebehandelingen

  1. UV ozon behandeling
  2. Reinigen van het model met nano-micro multiscale structuren met behulp van IPA en DI-water gedurende 5 minuten, dan drogen met behulp van een lucht pistool voor 3 min.
  3. Bestralen van de kant van de multiscale structuren van het model (de kant met multiscale structuren) met behulp van UV-stralen (golflengte van 185-254 nm) voor 60 min.
    Opmerking: De UV ozon apparatuur heeft een intensiteit van 25 mW/cm2.
  4. Octadecyltrichlorosilane (OTS) zelf-assemblage
  5. Plaats een warmhoudplaat binnen het handschoenenkastje en handhaven van een N-2 omgeving voor een vapor deposition proces.
  6. De rand van het monster op een glas of vlakke plaat met plakband vast. Zorg ervoor dat de grootte van het glas of de plaat groot genoeg ter dekking van de bovenkant van een bekerglas (met 8 mm diameter en hoogte 13 mm).
  7. Plaats het bekerglas op de hete plaat met 5 "x 7" en voeg 2 mL OTS oplossing in het bekerglas met behulp van een precisiepipet.
  8. Dek het bekerglas af met het glas of plaat gezicht-op, met het model naar beneden in het bekerglas.
  9. Proces gedurende 60 minuten op 100 ° C, dan verwijderen het specimen van het handschoenenkastje.
    Opmerking: Na de OTS-coatingproces, het bekerglas en de handschoenenkastje moeten worden gereinigd.

3. fabricage van functionele oppervlak door het injecteren van smeermiddelen

  1. Storten van ongeveer 0,2 mL perfluorkoolstof (PFC) vloeistof op de OTS-gecoate zelf geaggregeerde nanofiber vergadering.
  2. Observeer het proces van de bevochtiging van PFC met behulp van een optische Microscoop met een objectief op 5 X-20 X.
  3. Verwijder de overtollige PFC vloeistof door het plaatsen van de monsters in een verticale positie voor een paar uur.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

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

We toonden een snelle en eenvoudige methode voor de fabrikatie van multiscale nano-micro-hybride structuren met behulp van een filter AAO als een inprenting schimmel. Het hele proces duurde 30 min (Figuur 4). Er werd opgemerkt dat het resulterende oppervlak na het ondergaan van de ETS-proces met behulp van NaOH, een dekkende kleur vergelijkbaar met de oorspronkelijke AAO-filter, als gevolg van de vergadering van de geaggregeerde nanofiber veroorzaakt door opp...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

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

De belangrijkste stap in de fabricage van de vergadering zelf geaggregeerde nanofiber is om ervoor te zorgen dat het broze AAO-filter niet breekt bij de toepassing van de hars met de rubber rollen. In feite, moet er worden gezorgd dat de AAO-filter op elk gewenst moment voor de ETS-stap niet breekt. Omdat het AAO-filter 25 mm in diameter is, is de grootte van het substraat ongeveer 30 x 30 mm.

De vergadering zelf geaggregeerde nanofiber kan wij bieden verschillende functionele oppervlakken doo...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

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

De auteurs hebben geen concurrerende financiële belangen openbaar te maken.

Dankbetuigingen

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

Dit materiaal is gebaseerd op werk gesteund door de fundamentele wetenschap Research Program via de nationale onderzoek Stichting van Korea (NRF) gefinancierd door het ministerie van wetenschap, ICT en toekomst Planning (NRF-2017R1A2B4008053) en de (Ministerie van handel, industrie en energie RISICOMANAGER, Korea) onder industriële technologie innovatie programma nr. 10052802 en de Korea-Instituut voor de vooruitgang van de technologie (KIAT) door het programma van aanmoediging voor de industrieën van economische samenwerking regio (N0002310).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
MINS 511RMMinuta TechUV-hardende hars
Octadecyltrichlorosilane (OTS)AldrichOppervlaktebehandeling
Sodium oxidanideSAMCHUNEtsoplossing
Anopore Inoganic MembranesWhatman25mm/0.2µm
MT-UV-A 47Meiji TechnoUV-uithardingsapparatuur
UVC-30Jaesung EngineeringUVO-behandelingsapparatuur
Smart Drop PlusFEMTOFABContacthoekmeting
Fluorinert FC-703Mvloeibare mengsel van volledig gefluoreerde alifatische verbindingen
PolyethyleentereftalaatfolieSunchemSubstraat
Aceton (99,8%)DaejungReinigingsoplossing
Isopropylalcohol (99,9%)DaejungReinigingsoplossing
Rubberen rollerHwahongVoor het aanbrengen van hars
Corning Stirring Hot PlatesCorningHotplate-apparatuur (5" x 7")

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Elghanian, R., Storhoff, J. J., Mucic, R. C., Letsinger, R. L., Mirkin, C. A. Selective colorimetric detection of polynucleotides based on the distance-dependent optical properties of gold nanoparticles. Science. 277, 1078-1081 (1997).
  2. Berdichevsky, Y., Lo, Y. H. Polypyrrole nanowire actuators. Advanced Materials. 18, 122-125 (2006).
  3. Mitchell, D. T., et al. Smart nanotubes for bioseparations and biocatalysis. Journal of the American Chemical Society. 124, 11864-11865 (2002).
  4. Nicewarner-Pena, S. R., et al. Submicrometer metallic barcodes. Science. 294, 137-141 (2001).
  5. Dersch, R., Steinhart, M., Boudriot, U., Greiner, A., Wendorff, J. H. Nanoprocessing of polymers: applications in medicine, sensors, catalysis, photonics. Polymers for Advanced Technologies. 16, 276-282 (2005).
  6. Baker, L. A., Jin, P., Martin, C. R. Biomaterials and biotechnologies based on nanotube membranes. Critical reviews in solid state and materials sciences. 30, 183-205 (2005).
  7. Xiang, H., et al. Block copolymers under cylindrical confinement. Macromolecules. 37, 5660-5664 (2004).
  8. Fei, G., et al. Electro-activated surface micropattern tuning for microinjection molded electrically conductive shape memory polyurethane composites. RSC Advances. 3, 24132-24139 (2013).
  9. Kim, K., et al. Stretchable and transparent electrodes based on in-plane structures. Nanoscale. 7, 14577-14594 (2015).
  10. Kim, J., et al. Wearable smart sensor systems integrated on soft contact lenses for wireless ocular diagnostics. Nature Communications. 8, 14997(2017).
  11. Park, J., et al. Wearable, wireless gas sensors using highly stretchable and transparent structures of nanowires and graphene. Nanoscale. 8, 10591-10597 (2016).
  12. An, B. W., et al. High-resolution printing of 3D structures using an electrohydrodynamic inkjet with multiple functional inks. Advanced Materials. 27, 4322-4328 (2015).
  13. Kim, M., et al. Fully-integrated, bezel-less transistor arrays using reversibly foldable interconnects and stretchable origami substrates. Nanoscale. 8, 9504-9510 (2016).
  14. Zhao, Y. S., Zhan, P., Kim, J., Sun, C., Huang, J. Patterned growth of vertically aligned organic nanowire waveguide arrays. American Chemical Society Nano. 4, 1630-1636 (2010).
  15. Kuo, C. W., Shiu, J. Y., Chen, P. Size-and shape-controlled fabrication of large-area periodic nanopillar arrays. Chemistry of Materials. 15, 2917-2920 (2003).
  16. Lee, S. B., Koepsel, R., Stolz, D. B., Warriner, H. E., Russell, A. J. Self-assembly of biocidal nanotubes from a single-chain diacetylene amine salt. Journal of the American Chemical Society. 126, 13400-13405 (2004).
  17. Gibson, J. M. Reading and writing with electron beams. Physics Today. 50, 56-61 (1997).
  18. Kramer, N., Birk, H., Jorritsma, J., Schönenberger, C. Fabrication of metallic nanowires with a scanning tunneling microscope. Applied Physics Letters. 66, 1325-1327 (1995).
  19. Jiang, P., Bertone, J. F., Colvin, V. L. A lost-wax approach to monodisperse colloids and their crystals. Science. 291, 453-457 (2001).
  20. Steinhart, M., et al. Polymer nanotubes by wetting of ordered porous templates. Science. 296, 1997(2002).
  21. Hong, S. H., Hwang, J., Lee, H. Replication of cicada wing's nano-patterns by hot embossing and UV nanoimprinting. Nanotechnology. 20, 385303(2009).
  22. Han, K. S., Shin, J. H., Yoon, W. Y., Lee, H. Enhanced performance of solar cells with anti-reflection layer fabricated by nano-imprint lithography. Solar Energy Materials and Solar Cells. 95, 288-291 (2011).
  23. Choo, S., Choi, H. J., Lee, H. Replication of rose-petal surface structure using UV-nanoimprint lithography. Materials Letters. 121, 170-173 (2014).
  24. Yu, Z., Chou, S. Y. Triangular profile imprint molds in nanograting fabrication. Nano Letters. 4, 341-344 (2004).
  25. Hirai, Y., Harara, S., Isaka, S., Kobayashi, M., Tanaka, Y. Nano-Imprint lithography using replicated mold by Ni electroforming. Japanese Journal of Applied Physics. 41, 4186(2002).
  26. Kim, J. H., Cho, Y. T., Jung, Y. G. Selection of absorptive materials for non-reflective wire grid polarizers. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing. 17, 903-908 (2016).
  27. St˛epniowski, W. J., Salerno, M. Fabrication of nanowires and nanotubes by anodic alumina template-assisted electrodeposition. Manufacturing Nanostructures. 12, 321-357 (2014).
  28. Sousa, C. T., et al. Nanoporous alumina as templates for multifunctional applications. Applied Physics Reviews. 1, 031102(2014).
  29. Hong, S. H., Bae, B. J., Lee, H., Jeong, J. H. Fabrication of high density nano-pillar type phase change memory devices using flexible AAO shaped template. Microelectronic Engineering. 87, 2081-2084 (2010).
  30. Schwirn, K., et al. Self-ordered anodic aluminum oxide formed by H2SO4 hard anodization. American Chemical Society Nano. 2, 302-310 (2008).
  31. Lee, P. S., et al. Vertically aligned nanopillar arrays with hard skins using anodic aluminum oxide for nano imprint lithography. Chemistry of Materials. 17, 6181-6185 (2005).
  32. Lopes, M. C., de Oliveira, C. P., Pereira, E. C. Computational modeling of the template-assisted deposition of nanowires. Electrochimica Acta. 53, 4359-4369 (2008).
  33. Choi, M. K., Yoon, H., Lee, K., Shin, K. Simple fabrication of asymmetric high-aspect-ratio polymer nanopillars by reusable AAO templates. Langmuir. 27, 2132-2137 (2011).
  34. Kim, Y. S., Lee, K., Lee, J. S., Jung, G. Y., Kim, W. B. Nanoimprint lithography patterns with a vertically aligned nanoscale tubular carbon structure. Nanotechnology. 19, 365305(2008).
  35. Chen, G., Soper, S. A., McCarley, R. L. Free-standing, erect ultrahigh-aspect-ratio polymer nanopillar and nanotube ensembles. Langmuir. 23, 11777-11781 (2007).
  36. Jeong, Y., et al. Fabrication of Nano-Micro Hybrid Structures by Replication and Surface Treatment of Nanowires. Crystals. , (2017).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Multiscale StructuresAnodic Aluminum OxideImprint ProcessSelf AggregationNanofiber AssemblySurface MorphologyWettability AnalysisUV Ozone TreatmentSelf Assembled MonolayerFunctional Surfaces

Gerelateerde artikelen