Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Multiscale strukturer kvadratnetceller påtrykt Nanofibers for funktionelle overflader

Published: September 11, 2018 doi: 10.3791/58356
Automatic Translation
*1, *2, 2, 1, 1, 1, 3, 1
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

Summary

Præsenteret er en nem metode til at fabrikere nano-micro multiscale strukturer, for funktionelle overflader, ved en sammenlægning af nanofibers opdigtet benytter en anodisk aluminiumoxid filter.

Abstract

Multiscale overfladen strukturer har tiltrukket sig stigende interesse på grund af flere potentielle anvendelser i overfladen enheder. Men en eksisterende udfordring i feltet er fabrikation af hybrid mikro-nano strukturer ved hjælp af en letkøbt, omkostningseffektive og høj overførselshastighed metode. For at overvinde disse udfordringer, foreslår dette papir en protokol til at fabrikere multiscale strukturer ved hjælp af kun et aftryk proces med en anodisk aluminiumoxid (AAO) filter og en fordampning selvstændig sammenlægning proces af nanofibers. I modsætning til tidligere forsøg, der har til formål at rette nanofibers, viser vi en unikke fabrikationsanlæg metode for multiscale aggregerede nanofibers med høj aspektforhold. Derudover blev overflade morfologi og befugtningen af disse strukturer på forskellige væsker undersøgt for at lette deres brug i multifunktionelle overflader.

Introduction

Nanoskala tekstureret strukturer såsom nanopartikler, nanorør og nanofibers har vakt opmærksomhed i det videnskabelige samfund, da de demonstrerer unikke egenskaber i forskellige programmer, herunder elektriske, biomedicinske, optisk og overflade ingeniør1,2,3,4,5,6,7,8. Især er nanofibers meget udbredt i elastisk og gennemsigtig elektroder9, wearable sensorer10,11, sammenkoblinger12,13og nano-optik applikationer 14. blandt de forskellige metoder til opdigte nanoskala strukturer, såsom sol-gel metoder, samlesæt, litografi, og replikering15,16,17,18, 19,20, direkte replikering ved hjælp af en skabelon er i øjeblikket betragtes som en lovende metode, fordi den er enkel, omkostningseffektiv og gælder for forskellige helbredes materialer21,22 , 23 , 24 , 25 , 26.

På grund af dens multiscale struktur har et stort antal nanoskala porer og mikro-skala højde, er AAO almindeligt anvendt som skabelon for fabrikation af nanofibers og nanorør med en høj skærmformat27,28,29 , 30. imidlertid på grund af overfladespænding på sådan en høj størrelsesforhold, nanofibers tendens til at nemt samle31,32,33. Eksisterende forskning har vist sig at nanofibers har et aspekt forholdet er større end 15:1 gør ikke stå oprejst men i stedet samle, mens dem, der har et forhold mindre end 5:1 er individuelt isoleret uden sammenlægning33,34. Kapillar kraft og overfladespænding spille en vigtig rolle ved fjernelse af alumina ved hjælp af en TIPkan, som er en af processerne under nanofiber fabrikation. Når størrelsesforholdet stiger, overfladespænding blandt nanofibers har tendens til at trække dem tættere på hinanden, forårsager sammenlægning. Flere studier har fokuseret på metoder til at forebygge sådanne sammenlægning35, som er især observeret i polymer og metalliske nanofibers. Blandt disse, kan hydrering af nanofiber overflade reducere byområdet, fordi når en flydende indtager mellemrum mellem nanofibers, nedsætter overfladespænding. Yderligere, den freeze-drying metode kan også reducere sammenlægning af faldende overfladespænding mellem nanofibers. Dog trods forskellige bestræbelser fortsat opretning af nanofibers med en høj formatforhold en udfordring.

Med henblik herpå rapporterer vi en unik metode til at opdigte multiscale strukturer af sammenfiltrede nanofiber ved at udnytte fænomenet sammenlægning på en positiv måde. Her, nanofiber struktur er præget ved hjælp af en AAO filter og polyurethan-acrylat (PUA)-Skriv harpikser med en viskositet på 257.4 cP. Efter UV nano aftryk litografi (UV-nul) udføres, ætset formen med en natriumhydroxidoploesning. For at karakterisere de foreslåede multiscale strukturer, undersøge vi mønster adfærd af prøven med aggregerede nanofibers og den overflade befugtningen efter korrekt overfladebehandling som belægning med en selvsamlede éncellelag og UV ozon behandling . Desuden foreslår vi, at den multiscale porøse overflade kan konverteres simpelthen til en glat overflade ved hjælp af et smøremiddel-infunderes proces.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. fremstilling af Nano-Micro Multiscale struktur overflade ved hjælp af en AAO Filter (figur 1)

  1. Købe en AAO filter med en porestørrelse, højde og diameter 200 nm, 60 µm og 25 mm, henholdsvis.
  2. 1.2. Rengør overfladen af polyethylenterephthalatfolie (PET) med en tykkelse på 100 μm at bruge acetone med 99,8% og isopropylalkohol (IPA) med 99,9% i 5 min, og fuldstændig tør i 3 min. ved hjælp af en luftpistol.
  3. Placer PET-folie på en flad overflade uden forurenende stoffer, og tilføje en 0,1 mL dråbe af UV-helbredes polyurethan-acrylat (PUA)-Skriv harpiks med en viskositet på 257.4 cPs på overfladen.
  4. Placer filteret AAO på harpiks og tryk ensartet, bruge en gummi roller med en diameter på 32 mm. Spredning af harpiks, der er visuelt bekræftet, så rullen skal gentagne gange og forsigtigt skubbes når du trykker på.
    Forsigtig: Filteret AAO er sprødt og kan bryde hvis overdreven kraft er anvendt.
  5. Efter valsningen, udsætte prøven lavet med PET og AAO filteret (fastgjort ved hjælp af harpiks) for UV-lys med en bølgelængde på 365 nm for 30 s til at helbrede harpiksen.
  6. Fordyb hærdede modellen i 100 mL 2 M NaOH opløsning i 10 minutter for at opløse filteret.
    Bemærk: SEM billeder viser tværsnit og overfladen af struktur (figur 2).
  7. Ren modellen med Deioniseret vand og derefter helt tørre det i 3 min ved hjælp af en luftpistol.
    Bemærk: EDX analyse bekræftet at Na og Al ikke blev opdaget og var helt ætset (figur 3).

2. overfladebehandling

  1. UV ozon behandling
  2. Ren modellen med nano-micro multiscale strukturer ved hjælp af IPA og DI vand i 5 min, så tør det med en luftpistol i 3 min.
  3. Bestråle side af modellen (siden med multiscale strukturer) multiscale strukturer ved hjælp af UV-stråler (bølgelængde af 185-254 nm) til 60 min.
    Bemærk: UV ozon udstyr har en intensitet på 25 mW/cm2.
  4. Octadecyltrichlorosilane (OTS) samlesæt
  5. Placer en varm tallerken inde i handskerummet og opretholde et N2 miljø for en damp deposition proces.
  6. Lave kanten af modellen på et glas eller en flad plade ved hjælp af selvklæbende tape. Sikre, at størrelsen på glas eller tallerken er stor nok til at dække toppen af et bægerglas (med 8 mm i diameter og 13 mm højde).
  7. Bægerglasset anbringes på varmeplade med 5 "x 7" og tilsættes 2 mL OTS over i bægerglasset, ved hjælp af en pipette.
  8. Bægerglasset dækkes med glas eller tallerken ansigt-on, med modellen vender nedad i bægerglasset.
  9. Processen for 60 min. ved 100 ° C, så fjern modellen fra handskerummet.
    Bemærk: Efter OTS-belægning processen, bægerglas og handskerummet skal rengøres.

3. fabrikation af funktionel overflade ved at indsprøjte smøremidler

  1. Deponering ca. 0,2 mL af perfluorcarbon (PFC) væske på OTS-belagt selv indsamlede nanofiber forsamling.
  2. Observere befugtning processen med PFC ved hjælp af en optisk mikroskop med et mål linse på 5 X-20 X.
  3. Fjern overskydende PFC væsken ved at placere prøverne i en lodret position i et par timer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Vi viste en hurtig og enkel metode til fabrikation af multiscale nano-micro hybrid strukturer ved hjælp af en AAO filter som en prægning skimmel. Hele processen tog 30 min (figur 4). Det skal bemærkes, at den resulterende overflade efter undergår ætsning processen ved hjælp af NaOH, udstillet en uigennemsigtig farve svarende til den oprindelige AAO filter, på grund af den aggregerede nanofiber forsamling forårsaget af overfladespænding. Yderligere, resultaterne af EDX analysen bekræftede, at filteret AAO blev fjernet helt af våde kemisk ætsning (figur 3).

De overfladekarakteristika var bestemmes ved måling kontakt vinklen af opgav på overfladen af eksemplar 5 μl af vanddråber. Fordi materialer i AAO-filter-medieret aftryk proces udviser superhydrophilicity, og de opdigtede multiscale strukturer har meget porøs net på grund af selvstændige aggregerede nanofibers, vanddråber tendens til at være øjeblikkeligt absorberes i substraterne. Hydrofiliciteten kan dog ændres til hydrophobicity ved hjælp af korrekt overfladebehandling. Vi viste som vist i figur 5, at overfladen af de påtrykt multiscale strukturer blev ændret til en hydrofobe overflade med en kontakt vinkel på ca. 117 ° efter OTS belægning. Derudover kan UV ozon behandling yderligere øge kontakt vinklen på overfladen ved ca. 10° (figur 6). Efter sekventielt udfører OTS belægning og UV ozon behandling påtrykt overfladen, blev det bekræftet, at den resulterende kontakt vinkel steget til 134° (figur 7).

Overflade og tværsnit af modellen med OTS belægning Vis aggregering af nano-fibers (figur 5), hvilket resulterer i en dimple struktur. Størrelsen og retningen af denne dimple struktur er uregelmæssig; Men fænomenet opstod i hele hele overfladen af modellen. Overfladen af prøven blev glat, efter at det blev udsat for UV ozon behandling proces36 (figur 6 og figur 7). Dette er også, hvorfor den kontakt vinkel på overfladen steget efter UV ozon behandlingsproces. Dette fænomen også opstod jævnt på overfladen af modellen, og fejlen af den kontakte vinkel var mindre end 3°.

Figure 1
Figur 1: Procedure for at fabrikere en struktur med opløseligt aluminium oxid. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2: SEM billeder af en nano-micro multiscale struktur efter ætsning proces, viser overflade og tværsnit. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3: resultatet af EDX analyse efter ætsning af nano-micro multiscale strukturer opdigtet benytter en AAO filteret. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4: skematisk for fabrikation af en nano-micro multiscale struktur ved sammenlægning af nanofibers efter komplet ætsning. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 5
Figur 5: kontakt vinkel efter OTS belægning på overfladen og nano-micro struktur. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 6
Figur 6: kontakt vinkel efter UV ozon behandling på overfladen og nano-micro struktur. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 7
Figur 7: kontakt vinkel efter sekventielt udfører OTS belægning og UV ozon behandling på den overflade og nano-micro struktur. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Det vigtigste skridt i fabrikation af den selvstændig aggregerede nanofiber forsamling er at sikre, at filteret sprødt AAO ikke bryder ved anvendelse af harpiks med gummi ruller. Faktisk bør det sikres, at filteret AAO ikke bryder på noget tidspunkt før trinnet ætsning. Fordi filteret AAO er 25 mm i diameter, er størrelsen af substratet ca 30 x 30 mm.

Den selvstændige aggregerede nanofiber forsamling tillader os at give forskellige funktionelle overflader gennem den korrekt overfladebehandling. Efter prægning, den primære overflade er hydrofile, men det kan ændres og blive hydrofobe ved at være udsat for UV ozon behandling og overflade energi ændring efter OTS belægning. Derudover kan de foreslåede multiscale porøse strukturer konverteres til en glat overflade via den flydende smøremiddel-infusion proces.

Overfladen med nano-micro multiscale strukturer er uigennemsigtig, muligvis på grund af en uregelmæssighed i den samlede nanofibers, og denne egenskab kan være ansat i optisk applikationer. Således i efterfølgende undersøgelser, vil vi undersøge de optiske egenskaber af substratet ved hjælp af en UV-Vis-IR spektrometer. Vi forventer, at de optiske egenskaber af sådanne overflader kan anvendes til industrier, der kræver diffust refleksion af lys.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingen konkurrerende finansielle interesser til at videregive.

Acknowledgments

Dette materiale er baseret på arbejde støttes af grundlæggende videnskab forskningsprogrammet gennem National Research Foundation af Korea (NRF) finansieret af Ministeriet for videnskab, IKT og fremtidige planlægning (NRF-2017R1A2B4008053) og ministeriet for handel, industri og energi ( MOTIE, Korea) under industriel teknologi Innovation Program No. 10052802 og Korea Institut for fremme af teknologi (KIAT) gennem programmet tilskyndelse til industrier af økonomisk samarbejde Region (N0002310).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
MINS 511RM Minuta Tech UV curable resin
Octadecyltrichlorosilane (OTS) Aldrich Surface treatment
Sodium oxidanide SAMCHUN Etching solution
Anopore Inoganic Membranes Whatman 25mm/0.2µm
MT-UV-A 47 Meiji Techno UV curing equipment
UVC-30 Jaesung Engineering UVO treatment equipment
Smart Drop Plus FEMTOFAB Contact angle measurement
Fluorinert FC-70 3M liquid mixture of completely fluorinated aliphatic compounds
Polyethylene terephthalate film Sunchem Substrate
Acetone (99.8%) Daejung Cleaning solution
Isopropyl alcohol (99.9%) Daejung Cleaning solution
Rubber roller Hwahong For application of resin
Corning Stirring Hot Plates Corning Hot plate equipment (5" x 7")

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

Engineering sag 139 Multiscale struktur nanofibers anodisk aluminiumoxid filter aftryk sammenlægning funktionel overflade
Multiscale strukturer kvadratnetceller påtrykt Nanofibers for funktionelle overflader
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Jeong, Y., Kim, S., Fang, N. X.,… More

Jeong, Y., Kim, S., Fang, N. X., Shin, S., Choi, H., Kim, S., Kwon, S., Cho, Y. T. Multiscale Structures Aggregated by Imprinted Nanofibers for Functional Surfaces. J. Vis. Exp. (139), e58356, doi:10.3791/58356 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter