Method Article

Wieloskalowe struktury agregowane za pomocą nadrukowanych nanowłókien dla powierzchni funkcjonalnych

DOI:

10.3791/58356

⸱

September 11th, 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 This Article

Summary

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

Prezentowana jest prosta metoda wytwarzania nano-mikro wieloskalowych struktur dla funkcjonalnych powierzchni, poprzez agregację nanowłókien wytworzonych za pomocą anodowego filtra z tlenku glinu.

Abstract

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

Wieloskalowe struktury powierzchniowe cieszą się coraz większym zainteresowaniem ze względu na kilka potencjalnych zastosowań w urządzeniach powierzchniowych. Jednak istniejącym wyzwaniem w tej dziedzinie jest wytwarzanie hybrydowych struktur mikro-nano przy użyciu łatwej, opłacalnej i wysokoprzepustowej metody. Aby sprostać tym wyzwaniom, w niniejszym artykule zaproponowano protokół wytwarzania struktur wieloskalowych przy użyciu wyłącznie procesu odciskania z anodowym filtrem z tlenku glinu (AAO) i parownym procesem samoagregacji nanowłókien. W przeciwieństwie do poprzednich prób, które miały na celu wyprostowanie nanowłókien, prezentujemy unikalną metodę wytwarzania wieloskalowych zagregowanych nanowłókien o wysokich proporcjach. Ponadto zbadano morfologię powierzchni i zwilżalność tych struktur na różnych cieczach, aby ułatwić ich zastosowanie na powierzchniach wielofunkcyjnych.

Introduction

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

Teksturowane struktury w nanoskali, takie jak nanocząstki, nanorurki i nanowłókna, przyciągnęły uwagę społeczności naukowej, ponieważ wykazują unikalne cechy w różnych zastosowaniach, w tym w elektryce, biomedycynie, optyce i inżynierii powierzchni1,2,3,4,5,6,7,8. W szczególności nanowłókna są szeroko stosowane w rozciągliwych i przezroczystych elektrodach9, czujnikach do noszenia10,11, interconnections12,13 oraz nano-optics applications14. Wśród różnych metod wytwarzania struktur w nanoskali, takich jak metody zol-żel, samoorganizacja, litografia i replikacja15,16,17,18,19,20, bezpośrednia replikacja przy użyciu szablonu jest obecnie uważana za obiecującą metodę, ponieważ jest prosta, opłacalna i ma zastosowanie do różne materiały utwardzalne21,22,23,24,25,26.

Ze względu na swoją wieloskalową strukturę z dużą liczbą porów w skali nano i wysokością w skali mikro, AAO jest szeroko stosowany jako szablon do produkcji nanowłókien i nanorurek o wysokim współczynniku proporcji27,28,29,30. Jednak ze względu na napięcie powierzchniowe przy tak wysokim współczynniku kształtu, nanowłókna mają tendencję do łatwego agregowania31,32,33. Istniejące badania dowiodły, że nanowłókna o proporcjach większych niż 15:1 nie stoją pionowo, ale zamiast tego agregują, podczas gdy te o stosunku mniejszym niż 5:1 są indywidualnie izolowane bez agregacji33,34. Siła kapilarna i napięcie powierzchniowe odgrywają ważną rolę podczas usuwania tlenku glinu za pomocą wytrawiacza, co jest jednym z procesów podczas wytwarzania nanowłókien. Wraz ze wzrostem proporcji napięcie powierzchniowe między nanowłóknami ma tendencję do zbliżania ich do siebie, powodując agregację. Kilka badań koncentrowało się na metodach zapobiegania takiej agregacji35, która jest szczególnie obserwowana w przypadku nanowłókien polimerowych i metalicznych. Wśród nich uwodnienie powierzchni nanowłókien może zmniejszyć aglomerację, ponieważ gdy ciecz zajmuje przestrzenie między nanowłóknami, napięcie powierzchniowe spada. Co więcej, metoda liofilizacji może również zmniejszyć agregację poprzez zmniejszenie napięcia powierzchniowego między nanowłóknami. Jednak pomimo różnych wysiłków, prostowanie nanowłókien o wysokim współczynniku kształtu pozostaje wyzwaniem.

W tym celu przedstawiamy unikalną metodę wytwarzania wieloskalowych struktur ze splątanych nanowłókien poprzez wykorzystanie zjawiska agregacji w pozytywny sposób. W tym przypadku struktura nanowłókien jest odciskana za pomocą filtra AAO i żywic typu poliuretanowo-akrylowego (PUA) o lepkości 257,4 cP. Po wykonaniu litografii nano imprintu UV (UV-NIL) forma jest wytrawiana roztworem NaOH. Aby scharakteryzować proponowane struktury wieloskalowe, badamy zachowania wzoru próbki z zagregowanymi nanowłóknami oraz zwilżalność powierzchni po odpowiedniej obróbce powierzchni, takiej jak powlekanie samoorganizującą się monowarstwą i obróbka ozonem UV. Ponadto proponujemy, aby wieloskalową porowatą powierzchnię można po prostu przekształcić w śliską powierzchnię za pomocą procesu z dodatkiem smaru.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

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

1. Wytwarzanie powierzchni struktury nano-mikro wieloskalowej za pomocą filtra AAO (Rysunek 1)

  1. Kup filtr AAO o wielkości porów, wysokości i średnicy odpowiednio 200 nm, 60 μm i 25 mm.
  2. 1.2. Oczyścić powierzchnię folii z politereftalanu etylenu (PET) o grubości 100 μm za pomocą acetonu o stężeniu 99,8% i alkoholu izopropylowego (IPA) o stężeniu 99,9% przez 5 minut, a następnie całkowicie wyschnąć przez 3 minuty za pomocą pistoletu pneumatycznego.
  3. Umieść folię PET na płaskiej powierzchni bez zanieczyszczeń i dodaj na powierzchnię 0,1 ml kropli utwardzanej promieniami UV żywicy poliuretanowo-akrylowej (PUA) o lepkości 257,4 cPs.
  4. Umieść filtr AAO na żywicy i równomiernie dociśnij, używając gumowego wałka o średnicy 32 mm. Rozprowadzanie żywicy jest potwierdzone wizualnie, dlatego wałek należy wielokrotnie i ostrożnie popychać podczas prasowania.
    UWAGA: Filtr AAO jest kruchy i może pęknąć w przypadku przyłożenia nadmiernej siły.
  5. Po walcowaniu należy wystawić próbkę wykonaną z filtrem PET i AAO (przymocowanym za pomocą żywicy) na działanie światła UV o długości fali 365 nm przez 30 s w celu utwardzenia żywicy.
  6. Zanurzyć utwardzoną próbkę w 100 ml 2 M roztworu NaOH na 10 minut w celu rozpuszczenia filtra.
    UWAGA: Obrazy SEM pokazują przekrój i powierzchnię konstrukcji (Rysunek 2).
  7. Oczyść próbkę wodą DI, a następnie całkowicie wysusz ją przez 3 minuty za pomocą pistoletu pneumatycznego.
    UWAGA: Analiza EDX potwierdziła, że Na i Al nie zostały wykryte i zostały całkowicie wytrawione (Rysunek 3).

2. Obróbka powierzchniowa

  1. Obróbka ozonem UV
  2. Oczyścić próbkę za pomocą nano-mikro wieloskalowych struktur przy użyciu IPA i wody DI przez 5 minut, a następnie wysuszyć ją za pomocą pistoletu pneumatycznego przez 3 minuty.
  3. Naświetlić stronę struktur wieloskalowych próbki (stronę ze strukturami wieloskalowymi) za pomocą promieni UV (długość fali 185-254 nm) przez 60 min.
    UWAGA: Sprzęt do ozonowania UV ma intensywność 25 mW/cm2.
  4. Samodzielny montaż oktadecylotrichlorosilanu (OTS)
  5. Umieść płytę grzejną w schowku rękawicowym i utrzymuj środowiskoN2 do procesu osadzania z fazy gazowej.
  6. Przymocuj krawędź próbki do szklanej lub płaskiej płytki za pomocą taśmy klejącej. Upewnij się, że szklanka lub talerz są wystarczająco duże, aby zakryć górną część zlewki (o średnicy 8 mm i wysokości 13 mm).
  7. Umieść zlewkę na płycie grzejnej o wymiarach 5"x7" i dodaj 2 ml roztworu OTS do zlewki za pomocą pipety.
  8. Przykryj zlewkę szklanką lub płytką do przodu, próbką skierowaną w dół do zlewki.
  9. Przechowywać przez 60 minut w temperaturze 100 °C, a następnie wyjąć próbkę ze schowka na rękawiczki.
    UWAGA: Po zakończeniu procesu powlekania OTS zlewkę i schowek na rękawiczki należy wyczyścić.

3. Wytwarzanie powierzchni funkcjonalnej poprzez wtryskiwanie smarów

  1. Umieść około 0,2 ml cieczy perfluorowęglowodorowej (PFC) na samozagregowanym zespole nanowłókien pokrytym OTS.
  2. Obserwuj proces zwilżania PFC za pomocą mikroskopu optycznego z soczewką obiektywową o powiększeniu 5X-20X.
  3. Usunąć nadmiar płynu PFC, umieszczając próbki w pozycji pionowej na kilka godzin.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

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

Pokazaliśmy szybką i prostą metodę wytwarzania wieloskalowych struktur nano-mikro hybrydowych przy użyciu filtra AAO jako formy do odcisków. Cały proces trwał 30 minut (Rysunek 4). Zauważono, że po poddaniu się procesowi trawienia przy użyciu NaOH, uzyskana powierzchnia wykazywała nieprzezroczysty kolor podobny do oryginalnego filtra AAO, ze względu na zagregowany zespół nanowłókien spowodowany napięciem powierzchniowym. Co więcej, wyniki analizy EDX potwierd...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

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

Kluczowym krokiem w wytwarzaniu samozagregowanego zespołu nanowłókien jest zapewnienie, że kruchy filtr AAO nie pęknie podczas nakładania żywicy za pomocą gumowych wałków. W rzeczywistości należy upewnić się, że filtr AAO nie pęknie w żadnym momencie przed etapem trawienia. Ponieważ filtr AAO ma średnicę 25 mm, rozmiar podłoża wynosi około 30 x 30 mm.

Samozagregowany zespół nanowłókien pozwala nam zapewnić różne powierzchnie funkcjonalne poprzez odpowiednią obróbkę powierzchni. Po wdrukowaniu ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

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

Autorzy nie mają żadnych konkurencyjnych interesów finansowych do ujawnienia.

Acknowledgements

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

Ten materiał jest oparty na pracach wspieranych przez Program Badań Podstawowych przez Narodową Fundację Badawczą Korei (NRF) finansowany przez Ministerstwo Nauki, ICT i Planowania Przyszłości (NRF-2017R1A2B4008053) oraz Ministerstwo Handlu, Przemysłu i Energii (MOTIE, Korea) w ramach Programu Innowacji Technologii Przemysłowych nr 10052802 oraz Koreańskiego Instytutu Postępu Technologii (KIAT) poprzez Program Zachęty dla Przemysłu Gospodarczego. Region Współpracy (N0002310).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
MINS 511RMMinuta TechŻywica utwardzana promieniami UV
Oktadecylotrichlorosilan (OTS)AldrichObróbka powierzchniowa
Oksydanek soduSAMCHUNRoztwór do trawienia
Anopore Inoganic MembranyWhatman25mm/0,2µ m
MT-UV-A 47Sprzęt do utwardzania UVMeiji Techno
UVC-30Jaesung EngineeringSprzęt do obróbki UVO
Smart Drop PlusFEMTOFABPomiar kąta zwilżania
Fluorynowa płynna mieszanina FC-703Mcałkowicie fluorowanych związków alifatycznych
Folia z politereftalanu etylenuSunchemPodłoże
Aceton (99,8%)DaejungRoztwór czyszczący
Alkohol izopropylowy (99,9%)DaejungRoztwór czyszczący
, Gumowa rolkaHwahongDo nakładania żywicy,
Corning Mieszanie płyt grzejnych,CorningSprzęt do płyty grzejnej (5 "x 7")
: : , ,

References

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

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

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

Related Articles