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 aggregert av trykt Nanofibers for funksjonell overflater

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

Presentert er en enkel metode å dikte nano-micro multiscale strukturer, for funksjonell overflater, ved å aggregere nanofibers fabrikasjon benytter en anodic aluminiumoksid filter.

Abstract

Multiscale overflate strukturer har tiltrukket seg økte interessen på grunn av flere bruksmuligheter i overflate enheter. Men er en eksisterende utfordring innen fabrikasjon av hybrid mikro-nano strukturer ved hjelp av en lettvinte, kostnadseffektiv og høy gjennomstrømming metode. For å overvinne disse utfordringene, foreslår notatet en protokoll for å dikte multiscale strukturer ved hjelp av bare et avtrykk prosessen med et anodic aluminiumoksid (AAO) filter og en Fordampingsavkjøling selv samling prosessen med nanofibers. I motsetning til tidligere forsøk som å rette nanofibers, viser vi en unik fabrikasjon metode for multiscale aggregert nanofibers med høy størrelsesforhold. Videre ble overflaten morfologi og wettability av disse strukturene på ulike væsker undersøkt for å lette bruken i multifunksjonelle overflater.

Introduction

Nanoskala teksturert strukturer som nanopartikler nanorør og nanofibers har tiltrukket seg oppmerksomhet i det vitenskapelige samfunnet, som viser de unike egenskaper i forskjellige programmer, inkludert elektriske, biomedisinsk, optisk og overflate Engineering1,2,3,4,5,6,7,8. Spesielt er nanofibers mye brukt i elastisk og gjennomsiktig elektroder9, wearable sensorer10,11, sammenkoblinger12,13og nano-optikk programmer 14. blant de forskjellige metodene å fabrikere nanoskala strukturer, for eksempel sol-gel metoder, selvstendig montering, litografi og replikering15,16,17,18, 19,20, direkte replikering ved hjelp av en mal er for tiden betraktet en lovende metode fordi det er enkelt, kostnadseffektivt og gjelder for ulike kureres materialer21,22 , 23 , 24 , 25 , 26.

På grunn av sin multiscale strukturen har et stort antall nano-skala porene og mikro-Skaler høyde, er AAO mye brukt som mal for fabrikasjon av nanofibers og nanorør med en høy størrelsesforholdet27,28,29 , 30. imidlertid på grunn av overflatespenningen med slik en høy størrelsesforhold, nanofibers tendens til å enkelt samle31,32,33. Eksisterende forskning har vist at nanofibers har et størrelsesforhold som er større enn 15:1 gjør ikke stå oppreist, men i stedet samlet, mens de som har en mindre enn 5:1-forhold er individuelt isolert uten aggregering33,34. Kapillær kraft og overflatespenning spiller en viktig rolle ved fjerning av alumina bruker en etsematerialer, som er en av prosessene i nanofiber fabrikasjon. Når størrelsesforholdet øker, overflatespenning blant nanofibers tendens til å trekke dem nærmere hverandre, forårsaker aggregering. Flere studier har fokusert på metoder for å hindre slike aggregering35, som er spesielt observert i polymer og metallisk nanofibers. Blant disse kan hydrering av nanofiber overflaten redusere agglomeration fordi når en væske tar mellomrommene mellom nanofibers, overflatespenning reduseres. Videre, fryse-tørking metoden kan også redusere samling ved å redusere overflatespenningen mellom nanofibers. Til tross for ulike forsøk imidlertid retting av nanofibers med høy størrelsesforholdet en utfordring.

Dette rapportere vi en unik metode for fabrikasjon multiscale strukturer av sammenfiltrede nanofiber ved å utnytte aggregering fenomenet på en positiv måte. Her nanofiber strukturen er preget med et AAO og polyuretan-acrylate (PUA)-type harpiks med en viskositet på 257.4 cP. Etter UV nano forlaget litografi (UV-NIL) er utført, mold er risset inn med en NaOH løsning. Betegner de foreslåtte multiscale strukturene, undersøker vi mønster atferd av prøven med samlet nanofibers og overflate wettability etter riktig overflatebehandling som belegg med en selv montert monolayer og UV-ozon behandling . Videre foreslår vi at multiscale porøse overflaten kan konverteres bare til en glatt overflate bruker en smøremiddel-tilført.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. fabrikasjon av Nano-Micro Multiscale struktur overflate ved hjelp av et AAO Filter (figur 1)

  1. Kjøpe et AAO filter med porestørrelse, høyde og diameteren på 200 nm, 60 µm og 25 mm, henholdsvis.
  2. 1.2. rengjør overflaten av polyetylen terephthalate (PET) filmen har en tykkelse på 100 μm å betjene med 99.8% og isopropylalkohol (IPA) med 99,9% etter 5 min, og helt tørt for 3 min bruker en luftkanon.
  3. Plasser PET filmen på en flat overflate uten forurensninger, og legge en dråpe 0,1 mL av UV-helbredelig polyuretan-akryl (PUA)-type harpiks med en viskositet på 257.4 cPs på overflaten.
  4. Plasser AAO filteret på harpiks og trykk jevnt, med en gummi roller med en diameter på 32 mm. Spredning av harpiks bekreftes visuelt, slik at valsen må gjentatte ganger og nøye skyves når du trykker.
    FORSIKTIG: AAO filteret er sprø og kan bryte hvis overdreven kraft.
  5. Etter rullende, utsette prøven med PET og AAO filteret (festet med harpiks) for UV-lys med en bølgelengde på 365 nm for 30 å kurere harpiks.
  6. Fordype kurert prøven i 100 mL 2 M NaOH løsning for 10 min å oppløse filteret.
    Merk: SEM bildene viser tverrsnitt og overflaten av strukturen (figur 2).
  7. Rengjør prøven med DI vann, så helt tørr det for 3 min bruker en luftkanon.
    Merk: EDX analyse bekreftet at Na og Al ikke ble oppdaget og var helt etset (Figur 3).

2. overflatebehandling

  1. UV-ozon behandling
  2. Rengjør prøven med nano-micro multiscale strukturer IPA og DI vann i 5 minutter og deretter tørke den med en luftkanon for 3 min.
  3. Irradiate siden av multiscale strukturer av prøven (siden med multiscale strukturer) bruker UV-stråler (bølgelengde på 185-254 nm) for 60 min.
    Merk: UV ozon utstyret har en intensitet av 25 mW/cm2.
  4. Octadecyltrichlorosilane (OTS) selvstendig montering
  5. Plasser en kokeplate inne i hanskerommet og opprettholde et N2 miljø for en damp deponering prosess.
  6. Fastsette kanten av prøven på et glass eller flat tallerken med teip. Kontroller at størrelsen på glass eller platen er stor nok til å dekke de et beaker (med 8 mm diameter og 13 mm høyde).
  7. Plasser begeret på kokeplate med 5 "x 7", og legger 2 mL OTS løsning begeret bruker en pipette.
  8. Dekk begeret med glass eller plate ansikt på med prøven vender nedover i begeret.
  9. Prosess for 60 minutter ved 100 ° C, deretter fjerne prøven fra i hanskerommet.
    Merk: Etter OTS belegg prosessen, den kanne og hanskerom må rengjøres.

3. fabrikasjon av funksjonelle overflaten ved å injisere smøremidler

  1. Innskudd ca 0,2 mL av perfluorocarbon (PFK) på OTS-belagt selv samlet nanofiber montering.
  2. Observere wetting prosessen med PFC bruker en optisk mikroskop med en linsen på 5 X-20 X.
  3. Fjern overflødig PFC væsken ved å plassere prøvene i vertikal posisjon for et par timer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Vi viste en rask og enkel metode for fabrikasjon av multiscale nano-micro hybrid strukturer ved hjelp av et AAO filter som en preging mold. Hele prosessen tok 30 min (Figur 4). Det ble bemerket at etter under etsing prosessen med NaOH, resulterende overflaten utstilt en ugjennomsiktig farge ligner det opprinnelige AAO filteret, på grunn av samlingen aggregert nanofiber forårsaket av overflatespenningen. Videre bekreftet resultatene av EDX analysen at AAO filteret ble fjernet av våt kjemisk etsing (Figur 3).

Overflate egenskaper ble bestemt ved å måle kontakt vinkel ved å slippe onto overflaten av prøven 5 μL vanndråper. Fordi materialer brukt i AAO-filter-mediert forlaget viser superhydrophilicity, og fremstille multiscale strukturer har svært porøs nettverk på grunn av selv aggregert nanofibers pleier vanndråpene å være umiddelbart absorbert inn i substrater. Hydrophilicity kan imidlertid endres til hydrophobicity ved hjelp av riktig overflatebehandling. Vi viste, som vist i figur 5, at overflaten av trykt multiscale strukturer ble endret til en hydrofobe overflate med en kontakt vinkel på ca 117 ° etter OTS belegg. I tillegg kan UV-ozon behandling øke kontakt vinkel på overflaten av ca 10° (figur 6). Etter sekvensielt utfører OTS belegg og UV-ozon behandling på trykt overflaten, ble det bekreftet at den resulterende kontakt vinkelen økt til 134° (figur 7).

Overflaten og tverrsnitt av prøven med OTS belegg viser samling av nano-fiber (figur 5), som resulterer i en smilehull struktur. Størrelsen og retningen på denne smilehull strukturen er uregelmessig; men skjedd dette fenomenet gjennom hele overflaten av prøven. Overflaten av prøven ble glatt etter at det ble utsatt for UV ozon behandling prosess36 (figur 6 og figur 7). Dette er også hvorfor kontakt vinkelen på overflaten økt etter UV ozon behandlingsprosessen. Dette fenomenet også skjedde jevnt på overflaten av prøven, og feil kontakt vinkelen var mindre enn 3°.

Figure 1
Figur 1: prosedyre for fabrikere en struktur med løselig aluminiumoksid. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2: SEM bilder av en nano-micro multiscale struktur etter etsing prosessen, viser overflaten og tverrsnitt. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3: resultat av EDX analyse etter etsing av nano-micro multiscale strukturer fabrikasjon benytter et AAO filter. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4: skjematisk for fabrikasjon av en nano-micro multiscale struktur av samling av nanofibers etter fullført etsning. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 5
Figur 5: kontakt vinkel etter OTS belegg på overflaten og nano-micro struktur. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 6
Figur 6: kontakt vinkel etter UV-ozon behandling på overflaten og nano-micro struktur. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 7
Figur 7: kontakt vinkel etter sekvensielt utføre OTS belegg og UV-ozon behandling på overflaten og nano-micro strukturen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Det viktigste trinnet i fabrikasjon av selv aggregert nanofiber er å sikre at sprø AAO filteret ikke bryte når harpiks med gummi valsene. Faktisk bør det sikres at AAO filteret ikke bryte helst før etsing trinn. AAO filteret er 25 mm i diameter, er størrelsen på underlaget ca 30 x 30 mm.

Samlingen selv aggregert nanofiber tillater oss å gi ulike funksjonelle flater gjennom riktig overflatebehandling. Etter preging, primære overflaten er hydrofile, men det kan endres og bli hydrofobe ved å bli utsatt for UV ozon behandling og overflate energi endring etter OTS belegg. I tillegg kan de foreslåtte multiscale porøse strukturene konverteres til en glatt overflate via flytende smøremiddel-infusjon prosessen.

Overflaten med nano-micro multiscale strukturer er ugjennomsiktig, muligens på grunn av uregelmessig den samlede nanofibers denne karakteristiske kan være ansatt i optisk programmer. Således, i studier, vi vil undersøke optiske egenskapene til underlaget med en UV-Vis-IR spectrometer. Vi forventer at den optiske egenskapene av slike overflater kan brukes til næringer som krever diffus refleksjon av lys.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingen konkurrerende økonomiske interesser å avsløre.

Acknowledgments

Dette materialet er basert på arbeid støttes av grunnleggende vitenskap forskningsprogrammet gjennom National Research Foundation av Korea (NRF) finansiert av departementet for vitenskap, IKT og fremtiden planlegging (NRF-2017R1A2B4008053) og departementet for handel og industri energi ( MOTIE, Korea) under industriell teknologi innovasjon Program. 10052802 og Korea Institutt for fremme av teknologi (KIAT) gjennom programmet oppmuntring for næringer økonomisk samarbeid regionen (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 problemet 139 Multiscale struktur nanofibers anodic aluminiumoksid filter forlag aggregering funksjonelle overflaten
Multiscale strukturer aggregert av trykt Nanofibers for funksjonell overflater
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