Waiting
Login processing...

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

Engineering

מבנים multiscale המצטברים על-ידי Nanofibers המוטבע על תפקודי משטחים

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

הציג היא שיטה קלה ליצור ננו-micro מבני multiscale, תפקודי משטחים, על-ידי צבירה nanofibers מפוברק באמצעות מסנן אנודי אלומיניום אוקסיד.

Abstract

מבנים משטח multiscale משכו עניין גובר בשל מספר יישומים פוטנציאליים במכשירים משטח. אולם, מהווה אתגר הקיימים בשטח היא הזיוף של מבנים מיקרו-ננו היברידית באמצעות שיטה נתיישב חסכונית, תפוקה גבוהה. כדי להתגבר על האתגרים הללו, מאמר זה מציע פרוטוקול מחומות המבנים multiscale רק תהליך ההטבעה עם מסנן אנודי אלומיניום אוקסיד (AAO) באמצעות תהליך צבירת עצמית אויר של nanofibers. בניגוד ניסיונות קודמים יש שמטרתו ליישר את nanofibers, נדגים שיטת ייצור ייחודית multiscale nanofibers צבור עם יחס גובה-רוחב גבוה. יתר על כן, wettability של המבנים הללו על נוזלים שונים ומורפולוגיה השטח נחקרו כדי להקל על השימוש שלהם משטחים רב תכליתיים.

Introduction

ננו מרקם מבנים כגון חלקיקים, צינורות ו nanofibers משכו תשומת לב בקהילה המדעית, שכן הוא מפגין מאפיינים ייחודיים ביישומים שונים כולל חשמל, ביו, אופטי של פני השטח הנדסה1,2,3,4,5,6,7,8. בפרט, nanofibers נמצאים בשימוש נרחב אלקטרודות מתיחה ושקופה9, חיישנים לביש10,11,12,שהתחייב13ויישומים ננו-אופטיקה 14. בין השיטות השונות של בדיית מבנים ננו, כגון שיטות סול-ג'ל, הרכבה עצמית, ליתוגרפיה, שכפול15,16,17,18, 19,20, שכפול ישירה באמצעות תבנית נחשבת כיום שיטה מבטיחה כי זה פשוט, חסכוני, החלים לריפוי חומרים שונים21,22 , 23 , 24 , 25 , 26.

בשל מבנהו multiscale שיש מספר רב של הנקבוביות בקנה מידה ננו וגובה מיקרו-סולם, AAO נעשה שימוש נרחב כתבנית עבור ייצור של nanofibers, צינורות עם28,27,גבוהה יחס גובה-רוחב29 , 30. עם זאת, בשל מתח הפנים בבית כזה גבוהה היבט יחס, nanofibers נוטים לצבור בקלות31,32,33. קיים מחקר הוכיח כי nanofibers יש יחס גובה-רוחב גדול מ- 15:1 לא לעמוד זקוף אבל במקום צבירה, ואילו אלה שיש להם יחס של 5:1 פחות מבודדים בנפרד ללא צבירת33,34. כוח נימי, מתח פנים לשחק תפקיד חשוב עם הסרת אלומינה באמצעות של etchant, אשר הוא אחד התהליכים במהלך ייצור nanofiber. כאשר יחס גדלה, מתח בין nanofibers נוטה למשוך אותם קרוב אחד למשנהו, גורם צבירה. מספר מחקרים התמקדו שיטות למניעת כזה צבירת35, אשר נצפית בעיקר בין פולימר מתכת nanofibers. בין אלה, הידרציה של פני השטח nanofiber עשויה להפחית את הצטברות כי כאשר נוזל תופס את החללים בין nanofibers, מפחית מתח. בהמשך, השיטה להקפיא ייבוש עשויה להפחית גם צבירה על-ידי הפחתת מתח בין nanofibers. עם זאת, למרות מאמצי שונים, יישור של nanofibers עם יחס רוחב-גובה גבוה נשאר אתגר.

למטרה זו, אנו מדווחים על שיטה ייחודית עבור בדיית multiscale מבני nanofiber סבוכים על ידי ניצול התופעה צבירת באופן חיובי. . הנה, המבנה nanofiber טבועה באמצעות מסנן AAO של פוליאוריטן-אקרילט (פואה)-הקלד שרפים צמיגות 257.4 cP. לאחר UV ננו חותם הדפס אבן (UV-אפס) מבוצע, כייר חרוטה עם פתרון NaOH. לאפיין את המבנים multiscale המוצע, נחקור את התנהגויות תבנית המדגם עם nanofibers צבור, wettability את פני השטח לאחר טיפולי שטח נאותה כגון ציפוי עם טפט שהורכב עצמית טיפול באוזון UV . יתר על כן, אנו מציעים כי השטח הנקבובי multiscale ניתן להמיר פשוט משטח חלקלק באמצעות תהליך חלוטים חומר סיכה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. ייצור ננו-Micro Multiscale מבנה פני השטח באמצעות מסנן AAO (איור 1)

  1. לרכוש מסנן AAO עם גודל הנקבוביות, גובה, קוטר 200 ננומטר, מיקרומטר 60 ו 25 מ מ, בהתאמה.
  2. 1.2. לנקות את השטח של הסרט terephthalate (PET) פוליאתילן בעל עובי של 100 μm לשימוש אצטון ועם 99.8% אלכוהול איזופרופיל (IPA) עם 99.9% עבור 5 דקות, ויבשים לחלוטין למשך 3 דקות באמצעות רובה אוויר.
  3. מניחים את הסרט חיית המחמד על משטח שטוח ללא מזהמים, ולהוסיף טיפה 0.1 מ"ל של UV-לריפוי פוליאוריתן-אקרילט (פואה)-סוג שרף עם צמיגות של cPs 257.4 על גבי המשטח.
  4. מקם את המסנן AAO על השרף והקש בצורה אחידה, באמצעות גלגלת גומי בקוטר של 32 מ מ. ההתפשטות של השרף הוא אישר באופן חזותי, כך רולר חייב להיות שוב ושוב, בזהירות דחף בעת לחיצה.
    התראה: המסנן AAO הוא שביר, עשוי לשבור אם בכוח מופרז מוחל.
  5. לאחר גלגול, לחשוף את הדגימה עם חיית המחמד, AAO המסנן (המחובר באמצעות השרף) לאור אולטרא סגול עם אורך גל של 365 nm ב-30 s כדי לרפא את השרף.
  6. לטבול את הדגימה נרפא ב- 100 מ של 2 מ' פתרון NaOH 10 דקות כדי להמיס את המסנן.
    הערה: תמונות SEM מציגות את חתך הרוחב ואת השטח של המבנה (איור 2).
  7. לנקות את הדגימה עם מים DI ולאחר מכן לחלוטין לייבש אותו למשך 3 דקות באמצעות רובה אוויר.
    הערה: ניתוח EDX אישר כי Na Al לא אותרו, היו לגמרי חרוט (איור 3).

2. טיפולי שטח

  1. טיפול באוזון UV
  2. לנקות את הדגימה במבנים multiscale ננו-micro באמצעות IPA ולחלק מים במשך 5 דקות, ואז לייבש אותו באמצעות רובה אוויר במשך 3 דקות.
  3. להאיר את הצד של המבנים multiscale של הדגימה (הצד עם מבנים multiscale) באמצעות קרני UV (אורך גל של 185-254 ננומטר) עבור 60 דקות.
    הערה: ציוד האוזון UV יש עוצמות של mW/cm 252.
  4. Octadecyltrichlorosilane (פאלו ורדה) הרכבה עצמית
  5. מניחים צלחת חמה בתוך הכפפות ולשמור על סביבה2 N עבור תהליך בתצהיר אדים.
  6. לתקן את הקצה של הדגימה על זכוכית או על צלחת שטוחה באמצעות סרט דביק. ודא כי הגודל של זכוכית או צלחת גדולה מספיק כדי לכסות את החלק העליון של גביע (עם 8 מ"מ קוטר, 13 מ מ גובה).
  7. מניחים את הספל על הכיריים עם 5 "x 7" ולהוסיף 2 מ"ל של פאלו ורדה פתרון כשהספל באמצעות פיפטה.
  8. לכסות את. הספל עם הזכוכית או צלחת פנים-און, עם הדגימה מופנות כלפי מטה לתוך הספל.
  9. תהליך עבור 60 דקות ב 100 ° C, ולאחר מכן הסר הדגימה מתא הכפפות.
    הערה: לאחר תהליך ציפוי פאלו ורדה, הספל ואת הכפפות יש לנקות.

3. ייצור של תפקודי השטח על ידי הזרקת חומרי סיכה

  1. להפקיד כ 0.2 מ"ל של perfluorocarbon (PFC) נוזל לתוך מצופים פאלו ורדה עצמית המצטברים nanofiber הרכבה.
  2. שים לב התהליך הרטבה של טוראי ראשון באמצעות מיקרוסקופ אופטי עם עדשת המטרה-5 X-20 X.
  3. הסר את הנוזל PFC עודף על-ידי הצבת הדגימות בצורה מאונכת לכמה שעות.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

אנחנו הפגינו שיטה מהירה ופשוטה הזיוף של מבנים ננו-micro multiscale היברידית באמצעות מסנן AAO כמו עובש החתמה... כל התהליך לקח 30 דקות (איור 4). צוין כי לאחר שעברו את התהליך איכול באמצעות NaOH, השטח הנובעת הציג צבע אטום בדומה למסנן AAO המקורית, בשל הרכבה nanofiber צבור הנגרמת על ידי מתח. עוד יותר, התוצאות של הניתוח EDX אישר המסנן AAO היה להסיר לחלוטין על ידי צריבה כימי רטוב (איור 3).

המאפיינים משטח נקבעו על ידי מדידת הזווית קשר על ידי יורד על גבי המשטח של הדגימה 5 μL של טיפות מים. כי החומרים המשמשים את תהליך ההטבעה AAO מסנן-בתיווך התערוכה superhydrophilicity, ויש המבנים multiscale מפוברק רשתות מוצרים נקבובי מאוד בשל nanofibers עצמית צבור, טיפות מים נוטים להיות באופן מיידי נספג לתוך סובסטרטים. עם זאת, hydrophilicity יכול להיות שונה כדי hydrophobicity באמצעות טיפולי שטח נכונה. הפגנו, כמו באיור איור 5, כי פני השטח של המבנים multiscale הדומיננטיות שונה על משטח הידרופוביות עם זווית הקשר של-117 ° לאחר ציפוי פאלו ורדה. בנוסף, טיפול באוזון UV יכולה להמשיך להגדיל את זווית מגע של פני השטח על-ידי כ 10° (איור 6). לאחר ביצוע ברצף פאלו ורדה ציפוי וטיפול האוזון UV על גבי המשטח הדומיננטיות, הוא אישר כי הזווית קשר וכתוצאה מכך גדל עד 134 ° צלזיוס (איור 7).

השטח ואת חתך רוחב של הדגימה עם ציפוי פאלו ורדה להראות צבירה של הננו-הסיבים (איור 5), דבר היוצר מבנה גומת חן. הגודל והכיוון של מבנה גומת חן זה לא סדיר; עם זאת, תופעה זו אירעה לאורך כל השטח כולו של הדגימה. פני השטח של הדגימה הפך חלקה אחרי זה היה נתון בתהליך36 טיפול באוזון UV (איור 6 ו איור 7). זהו גם למה זווית מגע של המשטח גדל לאחר תהליך הטיפול באוזון UV. תופעה זו גם אירעה בצורה אחידה על פני השטח של הדגימה, השגיאה של זווית הקשר היה פחות מ 3°.

Figure 1
איור 1: נוהל בדיית מבנה עם תחמוצת אלומיניום מסיסים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
איור 2: תמונות SEM של מבנה multiscale ננו-micro לאחר תהליך חריטה, מציג את השטח ואת חתך. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3: תוצאה של ניתוח EDX לאחר החריטה מבני multiscale ננו-micro מפוברק באמצעות מסנן AAO. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 4
איור 4: סכימטי על הזיוף של מבנה multiscale ננו-micro על-ידי צבירה של nanofibers לאחר איכול מלאה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 5
איור 5: זווית מגע לאחר ציפוי פאלו ורדה על פני השטח ואת מבנה ננו-micro- אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 6
איור 6: זווית מגע לאחר טיפול באוזון UV על פני השטח ואת מבנה ננו-micro- אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 7
איור 7: זווית קשר לאחר ביצוע ברצף פאלו ורדה ציפוי וטיפול האוזון UV על מבנה השטח, ננו-micro- אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

הצעד מפתח פבריקציה נוספת של הרכבה עצמית צבורים nanofiber נועד להבטיח כי המסנן AAO שבירות לשבור לא בשעת החלת השרף עם הגלילים גומי. למעשה, כדאי הבטיחו כי המסנן AAO לא לשבור בכל עת לפני השלב תחריט. משום שהמסנן AAO 25 מ מ קוטר, בגודל של המצע הוא כ 30 x 30 מ מ.

הרכבה עצמית צבורים nanofiber מאפשר לנו לספק שונים תפקודי משטחים באמצעות משטח הטיפול הנכון. לאחר ההטבעה המשטח הראשי הידרופיליות, אבל זה יכול להיות שונה ולהיות הידרופובי מאת נתון לשינוי UV האוזון טיפול, משטח האנרגיה לאחר ציפוי פאלו ורדה. בנוסף, ניתן להמיר את מבנה נקבובי multiscale שהוצע משטח חלקלק דרך התהליך נוזלי סיכה-אינפוזיה.

פני השטח עם מבנים multiscale ננו-micro אטום, ואולי בשל אי סדירות של nanofibers צבור, מאפיין זה יכול להיות מועסק ביישומים אופטי. לפיכך, במחקרים הבאים, אנחנו יחקרו את מאפייני אופטי של המצע באמצעות ספקטרומטר של UV-Vis-IR. אנו מצפים כי ניתן להחיל את התכונות האופטיות של משטחים כאלה תעשיות הדורשות כשמאירים השתקפות של אור.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים יש אינטרסים כלכליים מתחרים לא לחשוף.

Acknowledgments

חומר זה מבוסס על עבודה נתמכת על-ידי התוכנית מחקר מדעי בסיסי דרך לאומי מחקר קרן של קוריאה (ב- NRF) ממומן על ידי משרד המדע, תקשוב העתיד (ה-NRF-2017R1A2B4008053) ותכנון (משרד המסחר, התעשייה, האנרגיה מוטיה, קוריאה) תחת טכנולוגיה תעשייתית חדשנות תוכנית מס 10052802 ו קוריאה המכון לקידום טכנולוגיות (KIAT) דרך התוכנית לעידוד לתעשיות באזור שיתוף פעולה כלכלי (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

הנדסה גיליון 139 מבנה Multiscale nanofibers מסנן אנודי אלומיניום אוקסיד הטבעה מצבור משטח פונקציונלי
מבנים multiscale המצטברים על-ידי Nanofibers המוטבע על תפקודי משטחים
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