Waiting
Login processing...

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

Engineering

Fonksiyonel yüzeyler için baskılı Nanofibers tarafından toplanan multiscale yapıları

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

Sunulan bir anodik alüminyum oksit filtresini kullanarak fabrikasyon nanofibers toplayarak, fonksiyonel yüzeyler için nano-mikro multiscale yapılar imal etmek kolay bir yöntemdir.

Abstract

Multiscale yüzey yapıları yüzey cihazlar birçok potansiyel uygulamaları nedeniyle artan ilgi çekmiştir. Ancak, bir varolan alanında facile, düşük maliyetli ve yüksek işlem hacmi yöntemiyle hibrid mikro-nano yapıların imalatı mücadeledir. Bu zorlukları aşmak için bu kağıt sadece bir baskı işlemi bir anodik alüminyum oksit (AAO) filtreli ve nanofibers bir buharlaşma kendini toplama süreci kullanarak multiscale yapılar imal etmek bir protokol öneren. Nanofibers düzeltmek için nişan önceki girişimleri farklı olarak yüksek boy oranları ile multiscale toplanan nanofibers için bir benzersiz imalat yöntemi göstermektedir. Ayrıca, yüzey morfolojisi ve bu yapıların çeşitli sıvılar üzerinde wettability çok fonksiyonlu yüzeylerde bunların kullanımı kolaylaştırmak için araştırıldı.

Introduction

Nano tanecikleri, nanotüpler ve nanofibers bilimsel topluluk ilgisini çekti var gibi onlar elektrik, biyomedikal, optik ve yüzey dahil olmak üzere çeşitli uygulamalarda benzersiz özellikleri göstermek gibi nano yapılar dokulu 1,2,3,4,5,6,7,8mühendislik. Özellikle, nanofibers yaygın olarak gerilebilir ve şeffaf elektrotlar9, giyilebilir sensörler10,11, bağlantıları12,13ve nano-optik uygulamalarında kullanılmaktadır 14. kendinden montajlı gibi sol-jel yöntemi, nano yapıların imalatı, taş baskı ve çoğaltma15,16,17,18, çeşitli yöntemler arasında çünkü basit, uygun maliyetli ve ilgili çeşitli tedavi edilebilir malzemeleri21,22 19,20, doğrudan çoğaltma bir şablonu kullanarak gelecek vaat eden bir yöntem şu anda kabul , 23 , 24 , 25 , 26.

Nano ölçekli gözenekler ve mikro ölçekli yüksekliği çok sayıda sahip multiscale yapısı sayesinde AAO yaygın şablon olarak nanofibers ve bir yüksek en-boy oranı27,28,29 ile nanotüpler imalatı için kullanılır , 30. ancak, yüksek bir en boy oranı, yüzey gerilimi nedeniyle nanofibers kolayca31,32,33toplam eğilimindedir. Bu oranı 5: 1'den küçük olan ayrı ayrı toplama33,34izole ise mevcut araştırma bir en boy oranı 15: 1'den büyük olan nanofibers dik duruyorum değil ama bunun yerine toplam, kanıtlamıştır. Kapiller kuvvetleri ve yüzey gerilimi nanofiber imalat sırasında süreçleri biridir bir etchant kullanarak alümina kaldırılması üzerine önemli bir rol oynamaktadır. En boy oranını artırır zaman, yüzey gerilimi nanofibers arasında daha yakın onları bir başkasına, toplama neden çekmek eğilimindedir. Çeşitli çalışmalarda özellikle polimer ve metalik nanofibers gözlenen bu tür toplama35, engellemek için yöntem üzerinde odaklanmıştır. Bir sıvı nanofibers arasında boşluk kaplar, yüzey gerilimi azalır çünkü bunlar arasında Topaklanmayı hidrasyon nanofiber yüzey azaltabilir. Ayrıca, freeze-drying yöntemi nanofibers arasındaki yüzey gerilimini azaltarak toplama de azaltabilir. Ancak, çeşitli çabalara rağmen nanofibers yüksek bir en boy oranıyla düzleştirme bir meydan kalır.

Bu amaçla, biz toplama fenomeni pozitif bir şekilde istismar tarafından karışık nanofiber multiscale yapıların imalatı için benzersiz bir yöntem raporu. Nanofiber yapısı bir AAO filtre ve poliüretan-akrilat (PUA) kullanarak burada, baskılı-yazın reçineler ile 257.4 viskozite cP. UV nano Künye litografi (UV-NIL) gerçekleştirildikten sonra kalıp NaOH çözüm ile kazınmış. Önerilen multiscale yapıları karakterize etmek için toplanan nanofibers ve yüzey wettability ile örnek desen davranışlarını kaplama ile kendi kendine monte monolayer gibi uygun yüzey işlemleri ve UV Ozon tedavisi sonra araştırma . Ayrıca, önerdiğimiz multiscale gözenekli yüzey bir yağ-infüzyon işlem kullanarak sadece bir kaygan yüzeyi için dönüştürülebilir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. bir AAO filtresi (Şekil 1) kullanarak Nano-küçük Multiscale yapısı yüzey imalatı

  1. Gözenek boyutu, yükseklik ve 200 nm, 60 µm ve 25 mm, çapı bir AAO filtresiyle sırasıyla satın alabilirsiniz.
  2. 1.2. 5 min için % 99.8 ve izopropil alkol (IPA) % 99.9 ile aseton kullanmak üzere 100 mikron kalınlığında sahip polietilen tereftalat (PET) film yüzeyini temizlemek ve 3 dk bir hava silah kullanarak tamamen kuru.
  3. Evde beslenen hayvan film kirletici madde olmadan düz bir yüzeye yerleştirin ve UV tedavi edilebilir poliüretan-akrilat (PUA) bir 0.1 mL damla eklemek-reçine bir viskozite yüzeyine 257.4 CPS ile yazın.
  4. AAO filtre bağlı yerleştirin ve düzgün, kauçuk silindir çapı 32 mm kullanarak basın. Silindir art arda ve dikkatle ne zaman acele basılması gerekir bu yüzden reçine yayılmasını görsel olarak doğrulanır.
    Dikkat: AAO filtre kırılgan ve aşırı güç uygulanırsa zarar.
  5. Sonra haddeleme, UV ışık dalga boyu 365 ile evde beslenen hayvan ve AAO filtre (reçine kullanarak ekli) ile yapılan numune maruz 30 nm reçine tedavi için s.
  6. Filtre çözülmeye tedavi numune 100 mL 2 M NaOH çözeltisi 10 dk içinde bırakın.
    Not: SEM görüntüleri göstermek kesit ve yüzey yapısı (Şekil 2).
  7. Numune DI su ile temizlik, sonra bir hava silah kullanarak 3 dakikadır kurumasını.
    Not: EDX analiz doğruladı Na ve Al algılanamadı ve tamamen edildi (Şekil 3) kazınmış.

2. yüzey işlemleri

  1. UV Ozon tedavisi
  2. Örnek 5 min için IPA ve DI su kullanarak nano-mikro multiscale yapılar ile temizlik, sonra bir hava silah 3 dakikadır kullanarak kuru.
  3. Numune (yan multiscale yapıları ile) multiscale yapıların tarafında ışınlatayım 60 dk için UV ışınları (185-254 nm dalga boyları) kullanarak.
    Not: UV Ozon cihazları 25 mW/cm2bir şiddeti vardır.
  4. Octadecyltrichlorosilane (OTS) kendinden montajlı
  5. Torpido içinde sıcak bir tabak yerleştirin ve bir buhar biriktirme işlemi için bir N2 ortamı korumak.
  6. Numune kenarına bir cam ya da yapışkan bant kullanarak düz plaka üzerinde düzeltmek. Cam veya plaka boyutunu bir ölçek (ile 8 mm çapında ve 13 mm yükseklik) üst kapsayacak kadar büyük olduğundan emin olun.
  7. Kabı sıcak plaka ile 5 "x 7" yerleştirin ve bir pipet kullanarak kabı 2 mL OTS çözeltisi ekleyin.
  8. Cam kabı kapağı veya numune kabı aşağı doğru bakan ile görülen, plaka.
  9. 60 dk 100 ° C, o zaman kaldır torpido örneği az işlemde.
    Not: kabı ve torpido OTS-kaplama işleminden sonra temizlenmesi gerekir.

3. Yağlama maddeleri enjekte edilerek işlevsel yüzey imalatı

  1. Yaklaşık 0.2 mL mevduat perfluorocarbon (PFC) sıvı OTS kaplı üzerine nanofiber derleme kendi kendine toplanan.
  2. Bir optik mikroskobu ile bir objektif lens kullanarak X-20 X 5 PFC ıslatma sürecinin gözlemlemek.
  3. Aşırı PFC sıvı örnekleri dikey konumda bir kaç saatliğine yerleştirerek kaldırın.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Biz bir basma kalıp olarak bir AAO filtresi kullanarak multiscale nano-micro hybrid yapılar imalatı için hızlı ve basit bir yöntem gösterdi. İşlemin tamamı 30 dk (Şekil 4) aldı. NaOH kullanarak büyütme işlemi geçiyor sonra sonuç yüzey bir opak renk benzer yüzey gerginliği neden toplanan nanofiber derleme nedeniyle orijinal AAO filtre sergilenen belirtilmişti. Ayrıca, bir EDX analiz sonuçları AAO filtre ıslak kimyasal aşındırma (Şekil 3) tarafından tamamen kaldırıldığını doğruladı.

Yüzey özellikleri tarafından atılan su damlacıkları numune 5 μL yüzeyine temas açısı ölçerek belirlenmiştir. AAO-filtre-aracılı Künye sürecinde kullanılan malzemeler superhydrophilicity sergi ve uydurma multiscale yapıları otomatik olarak toplanan nanofibers nedeniyle son derece gözenekli ağları var çünkü su damlacıkları anında olma eğilimi yüzeylerde emilir. Ancak, hydrophilicity uygun yüzey işlemleri kullanarak hydrophobicity için değiştirilebilir. Gösterdi biz gösterildiği Şekil 5, baskılı multiscale yapıları yüzeyine OTS kaplama sonra yaklaşık 117 ° temas açısı ile hidrofobik bir yüzey olacak şekilde değiştirilmiştir. Buna ek olarak, UV Ozon tedavisi yaklaşık 10 ° (Şekil 6) tarafından yüzey temas açısı daha da artırabilirsiniz. Sırayla OTS kaplama ve UV Ozon tedavisi baskılı yüzeyine gerçekleştirdikten sonra elde edilen kişi açı 134 ° (Şekil 7) artış doğrulandı.

Yüzey ve OTS kaplama ile numune kesit olan bir çukur yapıda toplama nano-elyaf (Şekil 5), göster. Boyutu ve yönü bu çukur yapının düzensiz; Ancak, bu fenomen örnek tüm yüzeyi oluştu. İçin UV ozon tedavi süreci36 maruz bırakıldı sonra numune yüzeyinin pürüzsüz oldu (Şekil 6 ve Şekil 7). Bu da neden UV Ozon tedavisi işleminden sonra yüzeye temas açısı artmış olduğunu. Bu olay da aynı şekilde numune yüzeyinde oluştu ve hata iletişim açının daha az 3 °.

Figure 1
Resim 1: bir yapı ile çözünür alüminyum oksit imalatı için yordam. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 2
Şekil 2: SEM görüntüleri yüzey ve kesit gösterilen gravür işleminden sonra bir nano-mikro multiscale yapısının. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 3
Şekil 3: sonuç bir EDX analiz sonra nano-mikro multiscale yapıları bir AAO filtresini kullanarak fabrikasyon gravür. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 4
Şekil 4: nano-küçük multiscale yapısı nanofibers toplama sonra tam gravür tarafından imalatı için şematik. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 5
Şekil 5: nano-küçük yapısı ve yüzey temas açısı OTS kaplama sonra. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 6
Şekil 6: nano-küçük yapısı ve yüzey UV ozon tedavisinden sonra temas açısı. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 7
Şekil 7: OTS kaplama ve UV Ozon tedavisi yüzey ve nano-mikro yapısı üzerinde sırayla yaptıktan sonra temas açısı. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Kendi kendine toplanan nanofiber montaj imalatı anahtar adımda kırılgan AAO filtre reçine kauçuk silindirler ile uygularken kesilmez sağlamaktır. Aslında, AAO filtre gravür adım önce herhangi bir noktada kesilmez sağlanmış. AAO filtre çapı 25 mm, belgili tanımlık substrate boyutunu yaklaşık 30 x 30 mm çünkü.

Kendi kendine toplanan nanofiber derleme uygun yüzey işlem aracılığıyla çeşitli fonksiyonel yüzeylerin sağlamamıza olanak tanır. Basma sonra birincil yüzey hidrofilik, ama değiştirilebilir ve UV Ozon tedavisi ve yüzey enerji değişikliği için OTS kaplama sonra tabi tarafından hidrofobik hale. Ayrıca, önerilen multiscale gözenekli yapıları sıvı yağ-infüzyon süreci ile kaygan bir yüzeye dönüştürülebilir.

Nano-mikro multiscale yapıları ile yüzey opak, muhtemelen toplanan nanofibers düzensizliği nedeniyle ve bu özelliği optik uygulamalarda istihdam edilecek. Böylece, sonraki çalışmalarda, UV-Vis-IR spektrometre kullanılarak substrat optik özelliklerini araştıracağız. Beklediğimiz gibi yüzeyler optik özelliklerini dağınık yansıma ışık gerektiren endüstriler için uygulanabilir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarlar ifşa rakip hiçbir mali ilgi alanlarına sahip.

Acknowledgments

Bu malzeme temel bilim araştırma programı aracılığıyla Ulusal Araştırma Vakfı, Kore (Bilim Bakanlığı, ICT ve gelecek planlama (NMK-2017R1A2B4008053) ve Ticaret Bakanlığı, sanayi ve enerji (tarafından finanse edilen NMG) tarafından desteklenen çalışma dayanır MOTIE, Kore) Endüstriyel teknoloji yenilik Program No 10052802 ve teknoloji (KIAT) teşvik programı aracılığıyla ilerleme ekonomik işbirliği bölgesi (N0002310) Sanayi için Kore Enstitüsü altında.

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

Mühendisliği sayı: 139 Multiscale yapısı nanofibers anodik alüminyum oksit filtre künye toplama işlevsel yüzey
Fonksiyonel yüzeyler için baskılı Nanofibers tarafından toplanan multiscale yapıları
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