Методическая статья

Светоиндуцированное моделирование и прививка скользких поверхностей на основе нанопористых структур с силановым покрытием

DOI:

10.3791/69270

⸱

14 ноября 2025 г.

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

* These authors contributed equally

В этой статье

Краткое содержание

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

Этот протокол представляет собой светоиндуцированный метод изготовления скользких трехмерных структур с помощью последовательного цифрового моделирования и прививки на нанопористые поверхности, покрытые силаном. Этот подход позволяет пространственно контролировать образование скользких областей, обеспечивая структурированную водоотталкивающую способность и количественный анализ межфазной скользкости, что позволяет применять его при работе с жидкостями и инженерии поверхностей.

Аннотация

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

Этот протокол описывает светоиндуцированный метод изготовления скользких поверхностей с пространственным рисунком с помощью цифровой обработки света (DLP) и фазового разделения, вызванного полимеризацией. Фотоотверждаемая полиуретановая акрилатная смола (PUA) смешивается с водорастворимым porogen (PEG-200) и селективно подвергается воздействию ультрафиолетового (УФ) света с помощью проекционной системы DLP. Этот процесс одновременно индуцирует сшивание полимеров и разделение порогенных фаз. После удаления порогена остается нанопористая структура, которая химически модифицируется с помощью активации УФ-озона и силанизации в паровой фазе для повышения гидрофобности. Затем силиконовое масло вливается и ковалентно прививается к поверхности с помощью многоволнового ультрафиолетового излучения, образуя стабильный слой кисти из полидиметилсилоксана (PDMS). Полученная поверхность обладает сильными водоотталкивающими свойствами, малым углом контакта, гистерезисом и высокой оптической прозрачностью. Смачиваемость количественно оценивается с помощью измерений угла контакта и гистерезиса с водой, октановым числом, медом и искусственной человеческой слюной. Этот метод обеспечивает селективную скользкость, о чем свидетельствует направление капель на водной основе от скользких областей к необработанным гидрофильным областям, образуя четко определенные жидкие узоры. Этот подход поддерживает изготовление без масок с высоким разрешением на гибких подложках и масштабируемое структурирование для приложений в микрофлюидике, транспортировке капель, сборе воды и биомедицинских устройствах.

Введение

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

Скользкие пористые поверхности с добавлением жидкости (SLIPS)1 представляют собой биоинспирированные интерфейсы, которые отталкивают широкий спектр жидкостей путем блокировки смазывающих жидкостей внутри микро- или наноструктурированных твердых каркасов 2,3. В отличие от супергидрофобныхповерхностей, вдохновленных лотосом4, SLIPS использует стабилизированную границу раздела жидкость-жидкость, что позволяет каплям перемещаться с минимальным трением. Они демонстрируют омнифобность, малый угол контакта, гистерезис и самовосстановление 3,5, обусловленное капиллярно-индуцированным перераспределением смазки6. Эти свойства делают СЛИПЫ привлекательными для применения в микрофлюидике7, противообрастающих 6,8, антиобледенительных 9,10,11, сборе воды 12,13,14 и самоочищающихся поверхностях 15.

Тем не менее, распространение SLIPS на геометрически сложные или пространственно структурированные поверхности остается сложной задачей. Традиционные методы изготовления пористых каркасов, такие как фотолитография16,17, анодирование18, гелеобразование 6,19 и электропрядение20, требуют много времени и нескольких этапов обработки. Моделирование методом наплавления (FDM)21,22, стандартный подход к 3D-печати, также использовался для создания SLIPS путем печати пористых полимеров и наполнения их смазочными материалами. Несмотря на то, что FDM более доступен, он имеет медленное, точечное осаждение и ограниченное разрешение, что затрудняет эффективное изготовление тонких элементов поверхности или массивов большой площади. Кроме того, СЛИПЫ, полученные с помощью этих методов, обычно равномерно скользкие, что ограничивает их полезность в приложениях, требующих селективного контроля жидкости.

Чтобы устранить эти ограничения, был введен светоиндуцированный метод для изготовления узорчатых скользких поверхностей с использованием цифровой обработки света (DLP)23. DLP обеспечивает быструю проекцию изображений с высоким разрешением на фотоотверждаемые материалы. При сочетании DLP с фазовым разделением, вызванным полимеризацией, образуются нанопористые микроструктуры, обладающие способностью удерживать смазку. Фотоотверждаемая полиуретановая акрилатная смола (PUA) смешивается с водорастворимым porogen и подвергается воздействию структурированного ультрафиолетового (УФ) света, вызывая сшивание и разделение фаз porogen. Последующая промывка удаляет пороген, оставляя пористую матрицу.

Затем поверхность силанизируется октадецилтрихлорсиланом (OTS) для повышения гидрофобности24 и пропитывается силиконовым маслом. Кратковременное воздействие ультрафиолета вызывает ковалентную прививку слоя кисти 6,19,25 полидиметилсилоксана (PDMS) на подложку, химически закрепляя смазку и улучшая долгосрочную межфазную стабильность. Количественно оцениваются характеристики изготовленных поверхностей, включая статический угол контакта, гистерезис угла контакта, угол скольжения, скорость скольжения и оптический коэффициент пропускания. Кроме того, испытание на нанесение жидкого рисунка демонстрирует селективную скользкость, направляя капли воды в необработанные участки. В этой работе представлено индуцированное светом структурированное производство SLIPS с помощью DLP, которое позволяет осуществлять пространственный контроль скользких областей без необходимости сложной фотолитографии, анодирования или гелеобразования. Путем химического связывания смазки с помощью фотоиндуцированной прививки на спроектированные нанопористые поверхности, предложенный метод позволяет получить стабильные скользкие поверхности с высоким разрешением, пригодные для селективных манипуляций с каплями в микрофлюидике13, системах сбора воды 12,13,14 и биомедицинских устройствах 26,27.

Протокол

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

ПРИМЕЧАНИЕ: Схематический обзор этого процесса представлен на рисунке 1. Материалы и оборудование, использованные в данном исследовании, перечислены в Таблице материалов.

1. Нанопористая поверхность

  1. Смешайте фотоотверждаемую смолу PUA с полиэтиленгликолем-200 (PEG-200) в качестве порогена в массовом соотношении 50 мас.%. Перемешивайте смесь при 500 об/мин в течение 5 минут с помощью магнитной мешалки.
  2. Рассыпьте смешанный раствор на пленке из полиэтилентерефталата (ПЭТ) в виде сидячих капель. Накройте капли фторированной этилен-пропиленовой пленкой (FEP) и приложите равномерное давление с помощью системы «рулон-пластина»28 для обеспечения равномерного распределения.
  3. Подвергните смолу PUA воздействию ультрафиолетового света (365 нм) с энергетической дозой 180 мДж/см2 с помощью светодиодной системы УФ-отверждения для индуцирования полимеризации. После отверждения снимите пленки FEP.
  4. Погрузите отвержденный образец в деионизированную (DI) воду на 1 ч для извлечения непрореагировавшего PEG-200. Высушите пористый образец в печи при температуре 70 °C в течение 1 часа, чтобы удалить остатки воды и завершить изготовление нанопористой поверхности (Рисунок 2).
    ПРИМЕЧАНИЕ: После высыхания белесый и матовый вид указывает на то, что PEG-200 был полностью удален и существуют нанопоры.

2. Обработанная OTS поверхность

  1. Обработку УФ-озоном на длинах волн 185 и 254 нм с интенсивностью УФ-излучения 25 мВт/см2 в течение 20 мин для введения гидроксильных групп на поверхность в качестве предварительной обработки для образования самоорганизующегося монослоя (SAM) OTS. Проводите этот процесс в стандартных лабораторных условиях окружающей среды при комнатной температуре и атмосферном давлении.
    ОСТОРОЖНОСТЬ: При обработке ультрафиолетовым озоном образуются озон (O3) и активные формы кислорода (АФК) при воздействии ультрафиолетового света с длиной волны 185 нм и 254 нм. Эти побочные продукты вредны для здоровья человека и могут раздражать дыхательную систему. Убедитесь, что система УФ-озона подключена к функциональной системе вытяжки или вытяжки дыма.
    Длительное воздействие ультрафиолетового озона более 20 минут может повредить поверхность полимера и вызвать структурную деформацию.
  2. Поместите горячую плиту в бардачок, заполненный азотом. Положите чистый стакан на горячую плиту и выдавите 1 мл раствора OTS на дно стакана в виде сидячей капли.
    ОСТОРОЖНОСТЬ: Октадецилтрихлорсилан обладает высокой реакционной способностью с влагой и при гидролизе образует коррозионный газообразный хлористый водород (HCl). Он может раздражать кожу, глаза и дыхательную систему. Обращайтесь с OTS только в бардачке, заполненном азотом, и надевайте соответствующие средства индивидуальной защиты (СИЗ), включая перчатки, защитные очки и лабораторный халат.
  3. Закрепите образцы из ПЭТ-пленки на предметных стеклах. Переверните предметные стекла и поместите их лицевой стороной вниз над стаканом, чтобы провести осаждение OTS в парофазной фазе. Нагрейте установку до 120 °C в течение 40 минут.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Чрезмерное покрытие OTS из-за чрезмерного нагрева или длительного воздействия может привести к появлению дефектов поверхности.
  4. Извлеките образцы из перчаточного ящика и очистите стакан безворсовой салфеткой.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Если стакан не очищен должным образом, остаточный OTS может затвердеть и стать белым, что повлияет на условия повторной обработки.

3. Светоиндуцированная прививка

  1. Проведите обработку УФ-озоном на длинах волн 185 и 254 нм с интенсивностью УФ-излучения 25 мВт/см2 в течение 20 мин на поверхности с покрытием OTS для введения гидроксильных групп в качестве этапа предварительной обработки для ковалентной прививки щеточного слоя PDMS. Этот процесс проводится в стандартных лабораторных условиях окружающей среды при комнатной температуре и атмосферном давлении.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Этот шаг имеет решающее значение. Без активации гидроксила слой щетки PDMS не формируется, и скользкая поверхность раздела не развивается.
  2. Нанесите силиконовое масло 20 μл/см2 из 10 сС на поверхность методом осаждения сидячих капель для обеспечения равномерного покрытия.
  3. Облучайте образец в течение 15 минут ультрафиолетовой лампой высокой интенсивности, расположенной на высоте 15 см над поверхностью. Используйте многоволновой источник с ярко выраженными пиками на длинах волн 207 нм (149 мВт/см2), 214 нм (155 мВт/см2), 296 нм (125 мВт/см2), 317 нм (93 мВт/см2) и 321 нм (89 мВт/см2). В результате облучения выделяется тепло, а температура подложки достигает 103,3 ± 5,2 °C, что способствует образованию ковалентной щетки.
    ВНИМАНИЕ: Во время высокоинтенсивного ультрафиолетового излучения силиконовое масло может достигать повышенных температур (>100 °C). Хотя силиконовое масло само по себе обладает низкой острой токсичностью, вдыхание масляного тумана может вызвать раздражение дыхательных путей. При повышенных температурах его летучесть увеличивается, а длительное нахождение в плохо проветриваемых или закрытых помещениях может представлять опасность для здоровья. Носите защитные очки, блокирующие ультрафиолетовое излучение, и обеспечьте достаточную вытяжную вентиляцию для отвода озона. Держите легковоспламеняющиеся или летучие материалы подальше от установки, чтобы предотвратить опасность возгорания от нагрева и ультрафиолетового излучения.
  4. Наклоните образец под углом 30° и подержите в течение 5 минут, чтобы излишки силиконового масла стекли с поверхности.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Успешный дренаж подтверждается, когда на поверхности присутствует тонкая однородная пленка силиконового масла без скопления или крупных видимых капель.

4. Изготовление узорчатых скользких конструкций

  1. Проектируйте желаемые формы с помощью программного обеспечения CAD (например, CATIA) и экспортируйте их в виде файлов STL (шестерня, лабиринт и текст JoVE; Дополнительный файл 1, Дополнительный файл 2, Дополнительный файл 3 и Дополнительный файл 4). Загрузите файлы STL в программное обеспечение для нарезки (например, Carima Slicer) для создания 2D-проекционных изображений, совместимых с 3D-принтером DLP. Отправьте полученные файлы на принтер для цифровой проекции света.
  2. Поместите пленку, покрытую полимерным раствором (из шага 1.2), на окно DLP-принтера. Подвергните образец воздействию ультрафиолетового излучения с длиной волны 365 нм с интенсивностью 180 мДж/см2 с помощью проекционного цифрового рисунка для селективного отверждения смолы.
  3. Погрузите экспонированный образец в деионизионную воду на 1 ч для извлечения PEG-200. Высушите образец в печи при температуре 70 °C в течение 1 часа, чтобы удалить остатки воды и получить нанопористую структуру. Проведите обработку поверхности OTS и светоиндуцированную прививку для завершения изготовления узорчатых скользких поверхностей.

Результаты

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

Нанопористые поверхности, изготовленные с помощью фазового разделения, вызванного полимеризацией, продемонстрировали доминирующее распределение пор по размерам 60-100 нм, как показано на рисунке 2. Это распределение было подтверждено тремя повторными измерениями с использованием СЭМ-визуализации с высоким разрешением. Изображения SEM были обработаны с помощью пиксельного анализа изображений в MATLAB для определения диаметров пор с учетом круглого сечения.

Статический угол контакта с водой, измеренный на пористой поверхности, составил 84,4 ± 1,4° на основании пяти повторных испытаний с каплями сидячей воды объемом 5 мкл (рис. 3A). Для оценки изменений смачиваемости поверхности контролировали угол контакта на всех этапах модификации поверхности, включая формирование нанопористой структуры, активацию УФ-озона, силанизацию и светоиндуцированную прививку PDMS. После силанизации поверхность стала гидрофобной; однако вторая обработка УФ-озоном, выполненная перед прививкой PDMS, временно уменьшила угол контакта, поскольку были введены гидроксильные группы. Это снижение было обращено вспять за счет образования ковалентно связанного щеточного слоя PDMS, восстанавливающего гидрофобность поверхности29. В отличие от покрытий на основе свободного силиконового масла, которые могут быстро истощаться, привязанная щетка PDMS обеспечивает стабильный и гибкий молекулярный слой, который удерживает смазку и обеспечивает длительное скользкое поведение11. Если процесс прививки не завершен, капли остаются прикрепленными к поверхности и не скользят, что указывает на то, что этап прививки имеет важное значение для достижения скользкого поведения.

Для проверки скользких свойств четырех типичных жидкостей (Рисунок 3B) - деионизированной воды, октанового числа (низкое поверхностное натяжение), меда (высокая вязкость) и искусственной человеческой слюны (имитатор биожидкости; коммерческий синтетический раствор) - их угол контакта (Рисунок 3C), угол скольжения (Рисунок 3D), скорость скольжения (Рисунок 3E) и гистерезис контактного угла (CAH) (Рисунок 3F)) были измерены. Для каждой жидкости для измерения углов контакта и скольжения использовали 5 мкл сидячей капли (скорость наклона: 0,8°/с), а еще 5 мкл капли помещали на наклоненную на 30° поверхность для измерения скорости скольжения на расстоянии 8,5 мм. В каждом случае была проведена количественная оценка ВГН. Все тесты на скользкое поведение проводились в пять раз. В каждом эксперименте углы скольжения оставались ниже 3°. Скорость скольжения меда была заметно ниже, потому что его высокая вязкость вызывает большее внутреннее вязкое рассеивание, которое сильно сопротивляется движению капель под действием той же движущей силы. Кроме того, ВГН оставалась ниже 10° (рис. 3F), что указывает на прочную, омнифобную скользкую границу раздела.

Перед реализацией протокола создания скользких шаблонов с проекцией DLP разрешение печати смолы PEG-PUA оценивалось с помощью линейно-пространственных тестовых шаблонов (рис. 4). Учитывая собственное пиксельное разрешение чипа DMD (50 мкм x 50 мкм), минимальная ширина линии была установлена на уровне 50 мкм, с постепенным увеличением до 300 мкм. Каждая ширина линии была изготовлена и проанализирована пять раз. Элементы размером 50 мкм продемонстрировали высокую точность в соответствии с проектируемой геометрией (50,3 ± 6,3 мкм). Тем не менее, отклонения размеров немного увеличивались с более широкими объектами, вероятно, из-за рассеяния света и боковой диффузии во время воздействия на более широкие участки, что приводило к перекуриванию за пределами предполагаемых границ узора. Эти эффекты переверждения обычно наблюдаются в фотополимерных смолах, которые не были специально разработаны для аддитивного производства. В этом исследовании смола PEG-PUA изначально была разработана для фотоструктурирования и не была оптимизирована для 3D-печати, что, вероятно, способствовало такому поведению. Тем не менее, такие ограничения могут быть смягчены за счет оптимизации состава смолы и характеристик фотополимеризации.

С помощью процесса DLP были успешно изготовлены нанопористые поверхности с узорчатыми (JoVE) и графическими (лабиринт, зубчатые колеса) конструкциями (рисунок 5A). После завершения всех этапов модификации поверхности, включая силанизацию, активацию УФ-озона, прививку PDMS и инфузию силиконового масла, узоры стали оптически прозрачными (Рисунок 5B). Этот переход возникает из-за несоответствия показателя преломления между воздухом (na = 1,0) и полимерной матрицей (np = 1,5), что приводит к рассеянию в незаполненных пористых структурах. После инфильтрации силиконовым маслом (ns = 1,4) контраст показателя преломления снижался, в результате чего получалась заметно прозрачная поверхность с коэффициентом пропускания, превышающим 90% (рис. 5C). При нанесении водосодержащих чернил капли избирательно мигрировали к необработанным гидрофильным областям (например, к пленке ПЭТ), избегая скользких областей (рисунок 5D), тем самым образуя четко определенные жидкие узоры (рисунок 5E). Эти результаты демонстрируют, что протокол обеспечивает эффективный пространственный контроль смачиваемости поверхности.

figure-results-1
Рисунок 1: Схема процесса изготовления скользкой поверхности с цифровой структурой, построенной на нанопористой структуре, покрытой силаном. (A) Процесс «рулон на пластину» для равномерного нанесения смолы PEG-PUA между ПЭТ-пленкой и пленкой FEP с последующим нанесением светового шаблона с помощью проекционной системы DLP. (B) Последовательность изготовления скользкой поверхности: (шаг 1) формирование нанопористой поверхности путем разделения фаз; (шаг 2) УФ-озоновая обработка с получением гидроксильных групп на нанопористой поверхности; (шаг 3) осаждение из паровой фазы OTS с образованием гидрофобного SAM; (шаг 4) вторая обработка УФ-озоном для введения гидроксильных групп на поверхность SAM; (шаг 5) инфильтрация силиконового масла; (шаг 6) Прививка поверхности, индуцированная светом, для формирования слоя кисти PDMS. Сокращения: PEG-PUA = Полиэтиленгликоль-Полиуретановый акрилат; ПЭТ = полиэтилентерефталат; FEP = Этиленпропилен фторированный; DLP = Цифровая обработка света; OTS = октадецилтрихлорсилан; SAM = Самоорганизующийся однослойный; PDMS = Полидиметилсилоксан. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

figure-results-2
Рисунок 2: Изготовленная нанопористая поверхность. (A) СЭМ-изображение и этапы обработки изображений для анализа размеров нанопор: (i) исходное СЭМ-изображение; (ii) карта глубины, показывающая относительную глубину пор с псевдоцветовой шкалой, полученной на основе яркости; (iii) бинаризованное изображение для сегментации пористых областей; (iv) маркировка пор, при которой каждой поре присваивается определенный цвет. Масштабная линейка = 500 нм. (B) Распределение нанопор по размерам. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

figure-results-3
Рисунок 3: Анализ смачиваемости поверхности. (A) Измерение угла контакта с водой (5 мкл) после каждого этапа изготовления: пористая поверхность (стадия 1), поверхность, обработанная УФ-озоном (стадия 2), поверхность с покрытием OTS (стадия 3), обработанная УФ-озоном SAM (стадия 4), поверхность, покрытая силиконовым маслом (стадия 5) и светопривитая поверхность (стадия 6). (B) Поверхностное натяжение различных жидкостей: октанового числа (28,7 ± 0,5 мН/м), воды (70,6 ± 4,4 мН/м), меда (51,0 ± 0,2 мН/м), искусственной слюны человека (66,7 ± 0,4 мН/м), (C) статического угла контакта, (D) угла скольжения (5 μL), (E) скорости скольжения (5 μL) и (F) гистерезиса контактного угла (CAH), измеренного для капель этих жидкостей. Все эксперименты проводились при комнатной температуре и относительной влажности воздуха 40 ± 5%. Столбцы и точки представляют средние значения, а полосы погрешностей указывают среднее значение ± SD (n = 5 независимых экспериментов). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

figure-results-4
Рисунок 4: Микролинейные структуры, напечатанные для тестирования разрешения DLP-системы, с шириной линии, измеренной в середине каждой линии (пять повторений). Масштабная линейка = 500 мкм. Точки обозначают средние значения, а полосы погрешности указывают на среднее значение ± SD (n = 5 независимых экспериментов). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

figure-results-5
Рисунок 5: Структурированные поверхности, изготовленные из цифровых изображений с помощью DLP-проекции. (A) Нанопористые поверхности до инфильтрации силиконового масла, показывающие непрозрачность. Шаблоны: (i) шестеренка, (ii) лабиринт, (iii) текст JoVE. Масштабная линейка: 10 мм. (B) Скользкие поверхности после инфильтрации силиконового масла, выглядят прозрачными. Шаблоны: (i) шестеренка, (ii) лабиринт, (iii) текст JoVE. (C) Сравнение оптического коэффициента пропускания между скользкой и пористой поверхностями. (D) Селективное удаление капель воды, направляемых в определенные гидрофильные области (ПЭТ-пленка) на скользкой поверхности. (E) Рисунок, управляемый жидкостью, с каплями воды на скользкой поверхности. Шаблоны: (i) шестеренка, (ii) лабиринт, (iii) текст JoVE. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Обсуждение

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

Важным этапом в этом протоколе является формирование нанопористой структуры путем индуцированного полимеризацией разделения фаз во время УФ-отверждения на основе DLP. Смешивание PEG-200 с фотоотверждаемой смолой PUA и последующее облучение смеси узорчатым ультрафиолетовым светом дает сшитые пористые сети и пространственно определенные структуры, которые эффективно удерживают смазочные материалы1. Для обеспечения возможности последующей прививки слоя кисти PDMS11-образующего основу стабильной скользкой границы раздела УФ-озоном обработка проводилась дважды в процессе: во-первых, для введения гидроксильных групп на поверхность пористого полимера перед силанизацией, а во-вторых, для реактивации силанизированной поверхности перед прививкой PDMS.

Необходимо соблюдать осторожность на обеих стадиях УФ-озона, так как воздействие высокоэнергетических условий, таких как коротковолновое ультрафиолетовое излучение и повышенные температуры, может повредить полимерную подложку или деформировать структуру поверхности. После второго этапа УФ-озона силиконовое масло наносилось на активированную поверхность. Последующее многоволновое воздействие ультрафиолетового излучения инициирует прививку цепей PDMS. В то время как реакция в основном управляется ультрафиолетовым светом, сопутствующая тепловая энергия поддерживает молекулярные взаимодействия и способствует прочному поверхностному соединению. Этот процесс прививки приводит к образованию ковалентно закрепленного щеточного слоя PDMS, в результате чего получаются стабильные скользкие границы, характеризующиеся малыми углами скольжения, низким CAH и высокой скоростью скольжения. Тем не менее, недостаточное гидроксилирование на любой из стадий УФ-озона может привести к плохой прививке и снижению скользкости. Кроме того, если интенсивность ультрафиолетового излучения, используемая на стадии отверждения для изготовления нанопористой поверхности, падает ниже рекомендуемого значения, поверхность имеет тенденцию становиться чрезмерно шероховатой, а размер пор крайне неравномерным, и нанопористый слой может даже отслаиваться от подложки из ПЭТ во время промывки23. Более того, хотя нанопористые поверхности могут быть изготовлены путем увеличения содержания PEG-200 выше 50 мас.%, полученные структуры часто демонстрируют расширенные поры и повышенную шероховатость поверхности, что может препятствовать скользкому поведению, поскольку капли застревают в крупных порах. Поэтому производственные параметры должны тщательно поддерживаться в заданных пределах.

Ограничение этого протокола касается изготовления больших или полностью 3D (миллиметровых) скользких конструкций с использованием рецептур прозрачных смол в аддитивном производстве. Благодаря высокому оптическому коэффициенту пропускания смолы PEG-PUA ультрафиолетовое излучение может проникать за пределы предполагаемого слоя воздействия и инициировать отверждение в углублениях или вогнутых областях. Это может привести к непреднамеренному затвердеванию и потере точности конструкции, особенно во внутренних полостях. Таким образом, распространение этого метода на объемные скользкие 3D-архитектуры остается сложной задачей без дальнейшей настройки оптических поглощающих свойств смолы23.

Несмотря на это ограничение, протокол имеет явные преимущества по сравнению с традиционными методами изготовления SLIPS. В отличие от подходов22 на основе FDM, которые ограничены низким разрешением и медленным методом точечного осаждения, или методами анодирования и гелеобразования20, требующими многоступенчатых процедур и жестких шаблонов, предлагаемый метод на основе DLP позволяет напрямую изготавливать пористые подложки, наполненные смазочными материалами, с помощью одноэтапного процесса проецирования без маски и с возможностью цифрового программирования. Такой подход не только сокращает время изготовления, но и упрощает процедуру и значительно увеличивает производительность моделирования, что позволяет эффективно изготавливать узорчатые поверхности. Кроме того, этот процесс совместим с гибкими подложками, такими как ПЭТ-пленки. Кроме того, стратегия разделения фаз, индуцированная светом, обеспечивает высокое разрешение, гибкость моделирования и упрощенное формирование пористых каркасов, способных удерживать смазочные материалы. Использование фотоиндуцированных процессов также облегчает интеграцию с структурированными подложками, обеспечивает избирательную скользкость и поддерживает масштабируемое производство многомасштабных структур. В совокупности эти преимущества делают метод особенно подходящим для таких применений, как направленный транспорт капель, микрофлюидика в открытом канале, противообрастающие покрытия8 и системы сбора воды13,14, где важен точный пространственный контроль смачиваемости поверхности.

Раскрытие информации

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

У авторов нет конфликта интересов, о котором можно было бы заявить.

Благодарности

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

Эта работа была поддержана грантами Национального исследовательского фонда Кореи (NRF), финансируемыми правительством Кореи (MSIT) (No 2023R1A2C3006499 и RS-2023-00238462). Это исследование также было поддержано инициативой LAMP (Global Learning & Academic Research Institution for Master's and PhD students and Postdocs) Национального исследовательского фонда Кореи (NRF), финансируемой Министерством образования (No. RS-2024-00444460).

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
365 нм система УФ-светодиодовЛихтценLZL-FL-220220-CОборудование для ультрафиолетового отверждения
Искусственная слюнаTMABIOTB0924Искусственная человеческая слюна (биофлюид-имитация; коммерческий синтетический раствор)
Carima SlicerCARIMAV2.0Программное обеспечение для нарезки
КАТИЯСистемы DassaultV5R20CAD-программное обеспечение
Деионизированная (DI) водаХИМИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА КОРЕИKCU-PW3Промывка и удаление порогена
DLP 3D-принтер (365 нм УФ)CARIMAIMD-CОборудование для цифрового узора
Плёнка с фторированным этиленпропиленом (FEP)АЛЬФАФЛОНFEP0250Релиз фильма
БардачокMADE LABG801Используется для безопасного обращения с опасными материалами
Мешалка для горячей плитыКорнингPC-420DГорячая плита и Магнитное оборудование для мешалки (5" x 7")
Многоволновая система ультрафиолетовых лампRaynicsRX-H1000SСветовое оборудование для прививки
Октадецилтрихлоросилан (ОТС)Сигма-Олдрич104817Гидрофобное поверхностное покрытие
ДуховкаSH ScientificSH-VDO-30NHИспользуется для сушки образцов
Фотоотверждаемая смолаТехнология MinutaMINS-311RMСмола на основе полиуретанового акрилата (PUA)
Полиэтиленгликоль (ПЭГ) 200Токийская химическая промышленностьP0840Порогены
Плёнка полиэтилентерефталат (ПЭТ)Синий DPПодложка для печати
Силиконовое маслоПолимер Shin-EtsuKF-96-10CS10cS
SmartDropФемтобиомедИзмерение угла контакта
УФ-озоночистительJaesung EngineeringUVC-30Оборудование для обработки ультрафиолетового озона
УФ-видимый/NIR-спектрофотометрJascoV-770Измерение светопропускаемости

Ссылки

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

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Digital Light ProcessingPolymerization Induced Phase SeparationSurface SilanizationUV Ozone TreatmentSilicone Oil GraftingContact Angle MeasurementDroplet TransportMicrofluidic Devices

Похожие статьи