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Engineering

Multiescala estructuras agregadas por nanofibras impreso para superficies funcionales

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

Presentado es un método sencillo para fabricar nano-micro estructuras multiescala, para superficies funcionales, agregando nanofibras fabricado utilizando un filtro de óxido de aluminio anódico.

Abstract

Estructuras superficiales multiescala han atraído mayor interés debido a varios potenciales aplicaciones en dispositivos de superficie. Sin embargo, un reto actual en el campo es la fabricación de estructuras de micro-nano híbrido utilizando un método fácil, rentable y de alto rendimiento. Para superar estos desafíos, este trabajo propone un protocolo para fabricar estructuras multiescala utilizando sólo un proceso de impresión con un filtro de óxido de aluminio anódico (AAO) y un proceso de uno mismo-agregación de evaporación de nanofibras. A diferencia de intentos anteriores que se han destinado a enderezar nanofibras, demostramos un método de fabricación único de nanofibras multiescala de agregados con altos cocientes de aspecto. Además, la morfología superficial y la humectación de estas estructuras en varios líquidos fueron investigados para facilitar su uso en superficies multifuncionales.

Introduction

Nanoescala textura estructuras tales como nanopartículas, nanotubos y nanofibras han atraído la atención de la comunidad científica, como demuestran características únicas en diversas aplicaciones, incluyendo eléctrico, biomédico, óptico y superficie Ingeniería1,2,3,4,5,6,7,8. En particular, nanofibras son ampliamente utilizados en elástico y transparente electrodos9, sensores vestibles10,11, interconexiones12,13y aplicaciones de nano-óptica 14. entre los distintos métodos de fabricación de estructuras a nanoescala, como métodos sol-gel, autoensamblaje, litografía y replicación15,16,17,18, 19,20, replicación directa mediante una plantilla se considera actualmente un método prometedor porque es simple, rentable y aplicable a diversos materiales curables21,22 , 23 , 24 , 25 , 26.

Debido a su estructura multiescalar tener un gran número de poros de nano-escala y altura de micro escala, AAO es ampliamente utilizada como plantilla para la fabricación de nanofibras y nanotubos con una alta proporción de28,27,29 , 30. sin embargo, debido a la tensión superficial en el tal alto cociente de aspecto, nanofibras tienden a agregar fácilmente31,32,33. La investigación existente ha demostrado que nanofibras de tener una relación de aspecto mayor que 15:1 no pare pero en lugar de otro agregado, mientras que los que tienen una relación de menos de 5:1 son individualmente aislados sin agregación33,34. Fuerza capilar y la tensión superficial juegan un papel importante en la extracción de alúmina usando un grabador, que es uno de los procesos durante la fabricación de nanofibras. Cuando aumenta la proporción de aspecto, tensión superficial entre las nanofibras tiende a sacarlos más cerca uno al otro, provocando la agregación. Varios estudios se han centrado sobre los métodos para prevenir dicha agregación35, que se observa particularmente en polímero y nanofibras metálico. Entre estos, hidratación de la superficie de nanofibras puede reducir la aglomeración porque cuando un líquido ocupa los espacios entre las nanofibras, disminuye la tensión superficial. Además, el método de liofilización también puede reducir la agregación disminuyendo la tensión superficial entre las nanofibras. Sin embargo, a pesar de varios esfuerzos, el alisado de nanofibras con un colmo cociente de aspecto sigue siendo un desafío.

Para ello, se presenta un método único para la fabricación de estructuras multiescala de nanofibras enredado explotando el fenómeno de agregación de una manera positiva. Aquí, la estructura de nanofibras se imprime usando un filtro AAO y poliuretano-acrilato (PUA)-tipo de resinas con una viscosidad de 257.4 cP. Después de realiza la litografía de impresión de nano de ultravioleta (UV-NIL), el molde está grabado con una solución de NaOH. Para caracterizar las estructuras propuestas multiescala, investigamos el comportamiento del patrón de la muestra con nanofibras de agregados y la humectabilidad superficial después del tratamiento de ozono UV y tratamientos superficiales adecuados como capa con una monocapa uno mismo-montado . Además, proponemos que la superficie porosa multi-escala puede convertirse simplemente en una superficie resbaladiza, mediante un proceso de infusión de lubricante.

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Protocol

1. fabricación de Nano-Micro estructura multiescalar superficie utilizando un filtro AAO (figura 1)

  1. Comprar un filtro AAO con tamaño de poro, altura y diámetro de 200 nm, 60 μm y 25 mm, respectivamente.
  2. 1.2. limpiar la superficie de la película de polietileno tereftalato (PET) con un grosor de 100 μm a usar acetona 99.8% y alcohol isopropílico (IPA) con 99.9% por 5 min y totalmente seco durante 3 minutos, utilizando una pistola de aire.
  3. La película de PET en una superficie plana sin contaminantes y añadir una gota de 0,1 mL de acrilato de poliuretano UV-curable (PUA)-tipo de resina con una viscosidad de 257,4 cPs sobre la superficie.
  4. Coloque el filtro de la AAO en la resina y presionar uniformemente, utilizando un rodillo de caucho con un diámetro de 32 mm. La difusión de la resina se confirma visualmente, por lo que el rodillo se debe varias veces y con cuidado empujar al pulsar.
    PRECAUCIÓN: El filtro de la AAO es frágil y puede romperse si se aplica una fuerza excesiva.
  5. Después de rodar, exponer la muestra con el filtro PET y AAO (junto con la resina) a los rayos UV con una longitud de onda de 365 nm de 30 s para curar la resina.
  6. Sumerja la muestra curada en 100 mL de solución de NaOH de 2 M durante 10 minutos para disolver el filtro.
    Nota: Las imágenes de SEM muestran la sección transversal y la superficie de la estructura (figura 2).
  7. Limpiar a la muestra con agua desionizada y secar completamente durante 3 minutos, utilizando una pistola de aire.
    Nota: El análisis EDX confirmó que Na y Al no fueron detectados y eran totalmente al ácido (figura 3).

2. los tratamientos superficiales

  1. Tratamiento de ozono UV
  2. Limpiar a la muestra con nano-micro estructuras multiescala usando IPA y DI el agua durante 5 minutos, luego secarlo utilizando una pistola de aire por 3 minutos.
  3. Irradiar a la parte de las estructuras multiescala de la muestra (el lado con estructuras multiescala) con los rayos UV (longitud de onda de 185-254 nm) de 60 minutos.
    Nota: El equipo de ozono UV tiene una intensidad de 25 mW/cm2.
  4. Octadecyltrichlorosilane (OTS) uno mismo-Asamblea
  5. Coloque una placa dentro de la guantera y mantener un ambiente de2 N para un proceso de deposición de vapor.
  6. Fijar el borde de la muestra en un vidrio o placa plana con cinta adhesiva. Asegúrese de que el tamaño de la placa o cristal es lo suficientemente grande como para cubrir la parte superior de un vaso de precipitados (con 8 mm de diámetro y 13 mm de altura).
  7. Coloque el vaso sobre la placa caliente con 5 "x 7" y añadir 2 mL de solución de OTS en el vaso con una pipeta.
  8. Cubrir el vaso con el cristal o la placa de cara, con la muestra hacia abajo en el vaso.
  9. Proceso por 60 min a 100 ° C, luego retire el espécimen de la guantera.
    Nota: Después del proceso de recubrimiento de OTS, el vaso y la caja de guante deben limpiarse.

3. fabricación de superficie funcional mediante la inyección de lubricantes

  1. Aproximadamente 0.2 mL de depósito de líquido perfluorocarbono (PFC) sobre la OTS-revestido uno mismo-agregado Asamblea de nanofibras.
  2. Observar el proceso de adherencia de soldadura de PFC utilizando un microscopio óptico con una lente objetivo 5 X X-20.
  3. Retire el exceso de líquido PFC colocando las muestras en posición vertical durante unas horas.

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Representative Results

Hemos demostrado un método rápido y simple para la fabricación de estructuras de multiescala nano-micro híbrido utilizando un filtro AAO como un molde de impresión. Todo el proceso llevo 30 min (figura 4). Se observó que después de experimentar el proceso de grabado con NaOH, la superficie resultante exhibe un color opaco similar al filtro original de AAO, debido a la Asamblea de nanofibras agregada causada por tensión superficial. Además, los resultados del análisis EDX confirmaron que el filtro de la AAO fue quitado totalmente por la aguafuerte química mojada (figura 3).

Las características superficiales se determinaron midiendo el ángulo de contacto por caer sobre la superficie de la muestra 5 μL de las gotas de agua. Porque los materiales utilizados en el proceso de impresión de la AAO-filtro-mediada por exhibición superhydrophilicity, y las estructuras multiescala fabricadas tienen redes altamente porosas debido a nanofibras uno agregado, las gotitas de agua tienden a ser instantáneamente absorbido por el sustrato. Sin embargo, puede modificarse la hidrofilicidad de hidrofobicidad mediante tratamientos superficiales adecuados. Hemos demostrado, como se muestra en la figura 5, que se modificó la superficie de las estructuras multiescala impresas a una superficie con un ángulo de contacto de aproximadamente 117 ° después de capa de OTS. Además, el tratamiento de ozono UV puede aumentar aún más el ángulo de contacto de la superficie por aprox. 10° (figura 6). Después de realizar secuencialmente OTS recubrimiento y tratamiento de ozono UV sobre la superficie impresa, se confirmó que el ángulo de contacto resultante aumentó a 134° (figura 7).

La superficie y sección transversal de la muestra con la capa del OTS Mostrar agregación de las nano-fibras (figura 5), que se traduce en una estructura de hoyuelo. El tamaño y la orientación de esta estructura de hoyuelo es irregular; sin embargo, este fenómeno se produjo a lo largo de toda la superficie de la muestra. La superficie de la muestra se convirtió en suave después de que se ha sometido a la UV ozono tratamiento proceso36 (figura 6 y figura 7). Esto es también por qué el ángulo de contacto de la superficie del aumentado después del proceso de tratamiento de ozono UV. Este fenómeno también se produjo uniformemente en la superficie de la muestra y el error del ángulo del contacto fue menos de 3°.

Figure 1
Figura 1: procedimiento para la fabricación de una estructura con óxido de aluminio soluble. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: imágenes de SEM de una nano-micro estructura multiescalar después del proceso de grabado, que muestra la superficie y sección transversal. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: resultado de análisis EDX después del grabado de nano-micro estructuras multiescala fabricado utilizando un filtro AAO. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: esquema para la fabricación de una estructura de nano-micro multiescala por agregación de nanofibras después del grabado completo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 5
Figura 5: ángulo de contacto después de capa de OTS en la superficie y estructura de nano-micro. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 6
Figura 6: ángulo de contacto después de tratamiento con ozono UV en la superficie y estructura de nano-micro. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 7
Figura 7: ángulo de contacto después de secuencialmente realizar OTS recubrimiento y tratamiento de ozono UV en la estructura superficial y micro nano. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

El paso clave en la fabricación de la Asamblea de nanofibras por agregados es asegurar que el filtro AAO frágil no se rompe al aplicar la resina con los rodillos de goma. De hecho, debe garantizarse que el filtro de la AAO no rompe en cualquier momento antes del paso de grabado. Porque el filtro de la AAO es 25 mm de diámetro, el tamaño del sustrato es aproximadamente de 30 x 30 mm.

La Asamblea de nanofibras auto agregada nos permite ofrecer diversas superficies funcionales mediante el tratamiento superficial apropiado. Después de la impresión, la principal superficie es hidrofílica, pero puede ser modificado y ser hidrofóbico por ser sometido a cambio de energía de ozono tratamiento y superficie de UV después capa de OTS. Además, las estructuras porosas multiescala propuestas se pueden convertir en una superficie resbaladiza por el proceso de infusión de lubricante líquido.

La superficie con nano-micro estructuras multiescala es opaca, posiblemente debido a la irregularidad de las nanofibras agregadas, y esta característica puede ser empleada en aplicaciones ópticas. Así, en posteriores estudios, vamos a investigar las características ópticas del sustrato utilizando un espectrómetro de UV-Vis-IR. Esperamos que las propiedades ópticas de estas superficies pueden aplicarse a industrias que requieren de reflexión difusa de la luz.

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Disclosures

Los autores tienen intereses financieros que compiten a revelar.

Acknowledgments

Este material está basado en trabajo apoyado por el programa de investigación de ciencia básica a través de la nacional investigación Fundación de Corea (NRF) financiado por el Ministerio de ciencia, TIC y futuro planificación (NRF-2017R1A2B4008053) y el (Ministerio de comercio, industria y energía MOTIE, Corea) bajo tecnología Industrial Innovación Programa Nº 10052802 y el Instituto de Corea para el avance de la tecnología (KIAT) a través del programa de fomento para las industrias de la región de cooperación económica (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")

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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).

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