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Engineering

Multiscale संरचनाओं कार्यात्मक सतहों के लिए अंकित Nanofibers द्वारा एकत्रित

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

प्रस्तुत एक आसान तरीका नैनो-माइक्रो multiscale संरचनाओं बनाना है, कार्यात्मक सतहों के लिए, nanofibers एक anodic एल्यूमीनियम ऑक्साइड फिल्टर का उपयोग कर गढ़े एकत्र द्वारा ।

Abstract

Multiscale सतह संरचनाओं को सतह उपकरणों में कई संभावित अनुप्रयोगों के कारण बढ़ती रुचि को आकर्षित किया है । हालांकि, क्षेत्र में एक मौजूदा चुनौती एक सतही, लागत प्रभावी, और उच्च प्रवाह विधि का उपयोग कर संकर माइक्रो नैनो संरचनाओं का निर्माण है । इन चुनौतियों से उबरने के लिए, इस पत्र के लिए एक प्रोटोकॉल का प्रस्ताव एक anodic एल्यूमीनियम ऑक्साइड के साथ केवल एक छाप प्रक्रिया का उपयोग कर multiscale संरचनाओं बनाना (ऐ) फिल्टर और एक वाष्पीकरण nanofibers की आत्म एकत्रीकरण की प्रक्रिया । पिछले प्रयास है कि nanofibers सीधा करने का उद्देश्य है के विपरीत, हम उच्च पहलू अनुपात के साथ multiscale एकत्रित nanofibers के लिए एक अनूठा निर्माण विधि का प्रदर्शन । इसके अलावा, विभिंन तरल पदार्थ पर इन संरचनाओं की सतह आकृति विज्ञान और गीला करने के लिए बहुआयामी सतहों में उनके उपयोग की सुविधा की जांच की गई ।

Introduction

नेनो textured संरचनाओं जैसे नैनोकणों, नैनोट्यूब, और nanofibers वैज्ञानिक समुदाय में ध्यान आकर्षित किया है, के रूप में वे विद्युत, बायोमेडिकल, ऑप्टिकल, और सतह सहित विभिंन अनुप्रयोगों में अद्वितीय विशेषताओं का प्रदर्शन अभियांत्रिकी१,२,३,४,५,६,७,८. विशेष रूप से, nanofibers व्यापक रूप से स्केलेबल और पारदर्शी इलेक्ट्रोड9, पहनने योग्य सेंसरों10,11,12,13, और नैनो-प्रकाशिकी अनुप्रयोगों में उपयोग किया जाता है 14. नेनो संरचनाओं के निर्माण के विभिंन तरीकों के अलावा, जैसे सोल-जेल तरीके, स्वयं विधानसभा, लिथोग्राफी, औरप्रतिकृति15,16,17,18, 19,20, प्रत्यक्ष प्रतिकृति एक टेम्पलेट का उपयोग वर्तमान में एक आशाजनक तरीका माना जाता है क्योंकि यह सरल है, लागत प्रभावी, और विभिन्न इलाज सामग्री के लिए लागू21,22 , 23 , 24 , 25 , 26.

नैनो पैमाने pores और सूक्ष्म पैमाने पर ऊंचाई की एक बड़ी संख्या होने अपनी multiscale संरचना के कारण, ऐ. ए. व्यापक रूप से एक उच्च पहलू अनुपात के साथ nanofibers और नैनोट्यूब के निर्माण के लिए टेम्पलेट के रूप में इस्तेमाल किया जाता है27,28,29 , 30. हालांकि, इस तरह के एक उच्च पहलू अनुपात में सतह तनाव के कारण, nanofibers को आसानी से कुल31,३२,३३करते हैं । मौजूदा अनुसंधान साबित कर दिया है कि nanofibers एक पहलू अनुपात 15:1 से अधिक होने ईमानदार खड़े नहीं है लेकिन इसके बजाय कुल, जबकि उन एक अनुपात 5:1 से कम कर रहे है व्यक्तिगत एकत्रीकरण३३,३४बिना अलग अलग हैं । केशिका बल और सतह तनाव एक खोदना है, जो nanofiber निर्माण के दौरान प्रक्रियाओं में से एक है का उपयोग कर एल्यूमिना को हटाने पर एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं । जब पहलू अनुपात बढ़ जाती है, nanofibers के बीच सतह तनाव उंहें एक दूसरे के करीब खींच जाता है, एकत्रीकरण के कारण । कई अध्ययनों से इस तरह के एकत्रीकरण३५है, जो विशेष रूप से बहुलक और धातु nanofibers में मनाया जाता है को रोकने के तरीकों पर ध्यान केंद्रित किया है । इन के अलावा, nanofiber सतह के जलयोजन ढेर कम हो सकता है क्योंकि जब एक तरल nanofibers के बीच रिक्त स्थान पर रह रहे हैं, सतह तनाव कम हो जाती है । इसके अलावा, फ्रीज-सुखाने विधि भी nanofibers के बीच सतह तनाव कम द्वारा एकत्रीकरण को कम कर सकते हैं । हालांकि, विभिंन प्रयासों के बावजूद, एक उच्च पहलू अनुपात के साथ nanofibers के सीधे एक चुनौती बनी हुई है ।

यह अंत करने के लिए, हम एक सकारात्मक तरीके से एकत्रीकरण घटना का दोहन द्वारा पेचीदा nanofiber के multiscale संरचनाओं के निर्माण के लिए एक अनूठी विधि की रिपोर्ट । यहां, nanofiber संरचना एक ऐ फिल्टर और acrylate (पुआ)-२५७.४ सीपी की चिपचिपाहट के साथ प्रकार रेजिन का उपयोग कर अंकित है । यूवी नैनो छाप लिथोग्राफी (यूवी शूंय) के बाद किया जाता है, मोल्ड एक NaOH समाधान के साथ धंसा हुआ है । प्रस्तावित multiscale संरचनाओं की विशेषता के लिए, हम एक स्वयं इकट्ठे monolayer और यूवी ओजोन उपचार के साथ कोटिंग के रूप में उचित सतह उपचार के बाद एकत्रित nanofibers और सतह गीला करने के साथ नमूने के पैटर्न व्यवहार की जांच . इसके अलावा, हम प्रस्ताव है कि multiscale छिद्र सतह एक फिसलना एक स्नेहपूर्ण प्रक्रिया का उपयोग कर सतह को बस में परिवर्तित किया जा सकता है ।

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Protocol

1. नैनो के निर्माण-माइक्रो Multiscale संरचना सतह एक ऐ फ़िल्टर का उपयोग कर (चित्रा 1)

  1. एक के आकार, ऊंचाई ताकना, और २०० एनएम, ६० µm, और 25 मिमी, क्रमशः के व्यास के साथ एक ऐ फिल्टर खरीद ।
  2. १.२. पॉलीथीन terephthalate की सतह को साफ (पीईटी) फिल्म १०० माइक्रोन की मोटाई वाले ९९.८% और isopropyl शराब (आइपीए) के साथ एसीटोन का उपयोग करने के लिए ९९.९% के साथ 5 मिनट के लिए, और पूरी तरह से 3 मिनट के लिए सूखी एक एयर गन का उपयोग कर ।
  3. संदूषणों के बिना एक सपाट सतह पर पालतू फिल्म प्लेस, और यूवी का इलाज-acrylate (पुआ)-सतह पर २५७.४ सीपीएस की चिपचिपाहट के साथ प्रकार राल की एक ०.१ मिलीलीटर ड्रॉप जोड़ें ।
  4. ३२ मिमी के व्यास के साथ एक रबर रोलर का उपयोग कर, राल पर ऐ फिल्टर प्लेस और समान रूप से प्रेस । राल के प्रसार नेत्रहीन की पुष्टि की है, तो रोलर बार और सावधानी से धक्का दिया जब दबाव होना चाहिए ।
    चेतावनी: ऐ फिल्टर भंगुर है और अगर अत्यधिक बल लागू किया जाता है टूट सकता है ।
  5. रोलिंग के बाद, पालतू और ऐ फिल्टर के साथ बनाया नमूना बेनकाब (राल का उपयोग कर संलग्न) 30 एस के लिए ३६५ एनएम के एक तरंग दैर्ध्य के साथ यूवी प्रकाश के लिए राल इलाज ।
  6. फ़िल्टर भंग करने के लिए 10 मिनट के लिए 2 एम NaOH समाधान के १०० मिलीलीटर में ठीक नमूना विसर्जित कर दिया ।
    नोट: SEM छवियां पार अनुभाग और संरचना की सतह (चित्रा 2) दिखाते हैं ।
  7. DI पानी के साथ नमूना साफ है, तो पूरी तरह से यह 3 मिनट के लिए एक एयर गन का उपयोग कर सूखी ।
    नोट: EDX विश्लेषण की पुष्टि की है कि ना और अल का पता नहीं था और पूरी तरह से धंसा (चित्रा 3) थे ।

2. भूतल उपचार

  1. यूवी ओजोन उपचार
  2. नैनो-माइक्रो multiscale 5 मिनट के लिए आइपीए और DI पानी का उपयोग संरचनाओं के साथ नमूना साफ है, तो यह 3 मिनट के लिए एक एयर गन का उपयोग कर सूखी ।
  3. विकीर्ण नमूना के multiscale संरचनाओं के पक्ष (multiscale संरचनाओं के साथ पक्ष) यूवी किरणों का उपयोग कर (185-254 एनएम की तरंग दैर्ध्य) ६० मिनट के लिए ।
    नोट: यूवी ओजोन उपकरण की तीव्रता है 25 मेगावाट/
  4. Octadecyltrichlorosilane (ओटीएस) स्व-विधानसभा
  5. दस्ताने बॉक्स के अंदर एक गर्म थाली प्लेस और एक भाप जमाव प्रक्रिया के लिए एक N2 वातावरण को बनाए रखने ।
  6. चिपकने वाला टेप का उपयोग कर एक गिलास या फ्लैट प्लेट पर नमूना के किनारे को ठीक करें । सुनिश्चित करें कि कांच या प्लेट का आकार एक चोंच के शीर्ष (व्यास के 8 मिमी और ऊंचाई के 13 मिमी के साथ) को कवर करने के लिए काफी बड़ा है ।
  7. हॉट प्लेट पर यूरिन को 5 "x7" के साथ रखें और एक पिपेट का इस्तेमाल करते हुए यूरिन के 2 एमएल का ओटीएस सॉल्यूशन डालें ।
  8. चोंच में नीचे का सामना करना पड़ नमूना के साथ कांच या प्लेट चेहरे पर, के साथ यूरिन कवर ।
  9. १०० डिग्री सेल्सियस पर ६० मिनट के लिए प्रक्रिया है, तो दस्ताने बॉक्स से नमूना हटा दें ।
    नोट: ओटीएस-कोटिंग प्रक्रिया के बाद यूरिन और दस्ताने बॉक्स को साफ करना होगा ।

3. स्नेहक इंजेक्शन द्वारा कार्यात्मक सतह का निर्माण

  1. ओटीएस-लेपित स्व -एग्रीगेट nanofiber असेंबली पर लगभग ०.२ मिलीलीटर perfluorocarbon (पीएफसी) लिक्विड जमा ।
  2. 5x-20X में एक उद्देश्य लेंस के साथ एक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप का उपयोग कर पीएफसी की गीला प्रक्रिया का निरीक्षण ।
  3. कुछ घंटों के लिए एक ऊर्ध्वाधर स्थिति में नमूने रखकर अतिरिक्त पीएफसी तरल निकालें ।

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Representative Results

हम multiscale नैनो के निर्माण के लिए एक तेजी से और सरल विधि का प्रदर्शन माइक्रो संकर संरचनाओं का उपयोग कर एक ऐ फिल्टर के रूप में एक प्रिंटिंग मोल्ड । पूरी प्रक्रिया 30 मिनट (चित्रा 4) लिया । यह उल्लेखनीय है कि NaOH का उपयोग कर नक़्क़ाशी प्रक्रिया के दौर से गुजर के बाद, परिणामी सतह सतह तनाव के कारण एकत्रित nanofiber विधानसभा के कारण, मूल ऐ फिल्टर के समान एक अपारदर्शी रंग प्रदर्शित किया गया था । इसके अलावा, EDX विश्लेषण के परिणाम की पुष्टि की है कि ऐ फिल्टर पूरी तरह से गीला रासायनिक नक़्क़ाशी (चित्रा 3) द्वारा हटा दिया गया था ।

सतह विशेषताओं नमूना 5 μL पानी की बूंदों की सतह पर छोड़ने के द्वारा संपर्क कोण को मापने के द्वारा निर्धारित किया गया । क्योंकि ऐ-फिल्टर में प्रयुक्त सामग्री-मध्यस्थता छाप प्रक्रिया प्रदर्शन superhydrophilicity, और गढ़े multiscale संरचनाओं अत्यधिक असुरक्षित नेटवर्क के कारण स्वयं एकत्रित nanofibers है, पानी की बूंदों को तात्कालिक रूप से हो जाते है सब्सट्रेट में अवशोषित । हालांकि, hydrophilicity उचित सतह उपचार का उपयोग hydrophobicity के लिए संशोधित किया जा सकता है । हम का प्रदर्शन किया, के रूप में चित्रा 5में दिखाया गया है कि अंकित multiscale संरचनाओं की सतह एक hydrophobic सतह के लिए लगभग ११७ डिग्री का एक संपर्क कोण ओटीएस कोटिंग के बाद के साथ संशोधित की गई थी । इसके अलावा, यूवी ओजोन उपचार आगे लगभग 10 डिग्री (चित्रा 6) द्वारा सतह के संपर्क कोण बढ़ा सकते हैं । क्रमिक रूप से अंकित की सतह पर ओटीएस कोटिंग और यूवी ओजोन उपचार प्रदर्शन करने के बाद, यह पुष्टि की गई थी कि परिणामी संपर्क कोण १३४ ° (चित्रा 7) की वृद्धि हुई ।

सतह और क्रॉस-धारा के साथ नमूना के ओटीएस कोटिंग शो एकत्रीकरण नैनो-तंतुओं (चित्रा 5), जो एक डिंपल संरचना में परिणाम. इस डिंपल स्ट्रक्चर का साइज और ओरिएंटेशन अनियमित है; हालांकि, इस घटना के नमूने की पूरी सतह भर में हुई । नमूना की सतह के बाद यह यूवी ओजोन उपचार प्रक्रिया३६ (चित्रा 6 और चित्रा 7) के अधीन किया गया था चिकनी हो गया । यही कारण है कि यूवी ओजोन उपचार प्रक्रिया के बाद सतह का संपर्क कोण बढ़ जाता है । यह घटना भी नमूना की सतह पर समान रूप से हुई, और संपर्क कोण की त्रुटि से कम 3 ° था ।

Figure 1
चित्रा 1: घुलनशील एल्यूमीनियम ऑक्साइड के साथ एक संरचना के निर्माण के लिए प्रक्रिया । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 2
चित्रा 2: एक नैनो के SEM छवियों-माइक्रो multiscale संरचना नक़्क़ाशी प्रक्रिया के बाद, सतह और पार अनुभाग दिखा रहा है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 3
चित्रा 3: नैनो-माइक्रो multiscale संरचनाओं के नक़्क़ाशी के बाद EDX विश्लेषण का परिणाम एक ऐ फिल्टर का उपयोग कर गढ़े । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 4
चित्रा 4: पूर्ण नक़्क़ाशी के बाद nanofibers के एकत्रीकरण के द्वारा एक नैनो-माइक्रो multiscale संरचना के निर्माण के लिए योजनाबद्ध । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 5
चित्रा 5: सतह और नैनो-माइक्रो संरचना पर ओटीएस कोटिंग के बाद संपर्क कोण । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 6
चित्रा 6: सतह और नैनो-माइक्रो संरचना पर यूवी ओजोन उपचार के बाद संपर्क कोण । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 7
चित्रा 7: क्रमिक रूप से सतह और नैनो-माइक्रो संरचना पर ओटीएस कोटिंग और यूवी ओजोन उपचार प्रदर्शन के बाद संपर्क कोण । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

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Discussion

स्व एकत्रित nanofiber विधानसभा के निर्माण में महत्वपूर्ण कदम यह सुनिश्चित करने के लिए कि भंगुर ऐ फिल्टर तोड़ नहीं है जब रबर रोलर्स के साथ राल लागू करने के लिए है । वास्तव में, यह सुनिश्चित किया जाना चाहिए कि ऐ फिल्टर नक़्क़ाशी कदम से पहले किसी भी बिंदु पर तोड़ नहीं है । क्योंकि ऐ फिल्टर व्यास में 25 मिमी है, सब्सट्रेट के आकार लगभग 30 x 30 मिमी है.

स्वयं एकत्रित nanofiber विधानसभा हमें उचित सतह के उपचार के माध्यम से विभिंन कार्यात्मक सतहों प्रदान करने के लिए अनुमति देता है । मुद्रण के बाद, प्राथमिक सतह हाइड्रोफिलिक है, लेकिन यह संशोधित किया जा सकता है और ओटीएस कोटिंग के बाद यूवी ओजोन उपचार और सतह ऊर्जा परिवर्तन के अधीन किया जा रहा द्वारा hydrophobic हो । इसके अलावा, प्रस्तावित multiscale छिद्रित संरचनाओं तरल स्नेहक-अर्क प्रक्रिया के माध्यम से एक फिसलन सतह में परिवर्तित किया जा सकता है ।

नैनो-माइक्रो multiscale संरचनाओं के साथ सतह अपारदर्शी, संभवतः एकीकृत nanofibers की अनियमितता के कारण है, और इस विशेषता ऑप्टिकल अनुप्रयोगों में नियोजित किया जा सकता है । इस प्रकार, बाद के अध्ययनों में, हम एक यूवी विज़-IR स्पेक्ट्रोमीटर का उपयोग सब्सट्रेट के ऑप्टिकल विशेषताओं की जांच करेगा । हम उंमीद करते है कि इस तरह की सतहों के ऑप्टिकल गुणों को लागू किया जा सकता है उद्योगों है कि प्रकाश की प्रतिबिंब फैलाना की आवश्यकता है ।

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Disclosures

लेखकों की कोई होड़ वित्तीय हितों का खुलासा नहीं है.

Acknowledgments

यह सामग्री कोरिया के नेशनल रिसर्च फाउंडेशन (एनआरएफ) विज्ञान, आईसीटी और भविष्य की योजना (एनआरएफ-2017R1A2B4008053) और व्यापार, उद्योग और ऊर्जा मंत्रालय द्वारा वित्त पोषित के माध्यम से बुनियादी विज्ञान अनुसंधान कार्यक्रम द्वारा समर्थित काम पर आधारित है ( मोती, कोरिया) के अंतर्गत औद्योगिक प्रौद्योगिकी नवाचार कार्यक्रम सं १००५२८०२ और कोरिया संस्थान (KIAT) प्रौद्योगिकी की उंनति के लिए आर्थिक सहयोग क्षेत्र (N0002310) के उद्योगों के लिए प्रोत्साहन कार्यक्रम के माध्यम से ।

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")

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References

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इंजीनियरिंग अंक १३९ Multiscale संरचना nanofibers anodic एल्यूमिनियम ऑक्साइड फिल्टर छाप एकत्रीकरण कार्यात्मक सतह
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