Summary
Presenteras är en enkel metod att fabricera nano-micro multiscale strukturer, för funktionella ytor, genom sammanläggning nanofibrer dikta ihop användande en anodisk aluminiumoxid filter.
Abstract
Multiscale ytstrukturer har rönt ökande intresse på grund av flera potentiella tillämpningar i surface-enheter. Tillverkning av hybridstrukturer mikro-nano med en lättköpt, kostnadseffektiva och hög genomströmning metod är dock en befintlig utmaning i fältet. För att övervinna dessa utmaningar, föreslår detta papper ett protokoll för att fabricera multiscale strukturer med hjälp av endast ett avtryck med ett anodisk aluminiumoxid (AAO) filter och en evaporativ själv aggregering processen av nanofibrer. Till skillnad från tidigare försök som har syftar till att räta ut nanofibrer, visar vi en unik fabrication metod för multiskalproblem aggregerade nanofibrer med hög proportioner. Dessutom undersöktes den ytan morfologi och Vätbarheten av dessa strukturer på olika vätskor för att underlätta deras användning i multifunktionella ytor.
Introduction
Nanoskala texturerat strukturer såsom nanopartiklar, nanorör och nanofibrer har uppmärksammats i det vetenskapliga samfundet, eftersom de visar unika egenskaper i olika applikationer inklusive elektriska, biomedicinsk, optiska och yta teknik1,2,3,4,5,6,7,8. I synnerhet används nanofibrer allmänt i töjbart och transparenta elektroder9, kroppsburna sensorer10,11, sammankopplingar12,13och nano-optik applikationer 14. bland de olika metoderna att tillverka nanoskala strukturer, såsom sol-gel metoder, självmontering, litografi och replikering15,16,17,18, 19,20, direkta replikering med en mall anses för närvarande en lovande metod eftersom det är enkelt, kostnadseffektivt och tillämpas på olika botas material21,22 , 23 , 24 , 25 , 26.
På grund av dess multiscale struktur med ett stort antal nano-skala porer och mikroskala höjd, används AAO allmänt som mallen för tillverkning av nanofibrer och nanorör med en hög bildförhållande27,28,29 , 30. men på grund av ytspänningen på sådan en hög bildförhållande, nanofibrer tenderar att enkelt sammanställa31,32,33. Befintlig forskning har visat att nanofibrer har ett bildförhållande som är större än 15:1 gör inte stå upprätt men istället aggregerar, medan de som har ett förhållande mindre än 5:1 är individuellt isolerade utan aggregering33,34. Kapillär kraft och ytspänning spelar en viktig roll vid avlägsnande av aluminiumoxid med ett etsmedel, som är en av processerna under nanofiber fabrication. När bildförhållandet ökar tenderar ytspänning bland nanofibrer att dra dem närmare varandra, orsakar aggregering. Flera studier har fokuserat på metoder för att förhindra sådan aggregering35, som är särskilt observerade i polymer och metalliska nanofibrer. Bland dessa, kan hydrering av nanofiber ytan minska gytter eftersom när en vätska upptar utrymmena mellan nanofibrer, ytspänning minskar. Ytterligare, den frystorkning metoden kan också minska aggregation genom att minska ytspänningen mellan nanofibrer. Men trots olika insatser fortfarande uträtning av nanofibrer med bildförhållandet hög en utmaning.
I detta syfte rapportera vi en unik metod för tillverkning av trassliga nanofiber multiscale strukturer genom att utnyttja aggregering fenomenet på ett positivt sätt. Här, nanofiber strukturen är märkt med en AAO filter och polyuretan-akrylat (PUA)-Skriv hartser med en viskositet av 257.4 cP. Efter UV nano imprint litografi (UV-NIL) utförs, är mögel etsad med en NaOH-lösning. För att karakterisera de föreslagna multiscale strukturerna, undersöka vi mönster beteenden av provet med aggregerade nanofibrer och den ytan Vätbarheten efter korrekt ytbehandling såsom beläggning med en själv monterade enskiktslager och UV ozonrening . Dessutom föreslår vi att multiscale porösa ytan kan konverteras helt enkelt till en hal yta med en smörjmedel-infunderas process.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. tillverkning av Nano-Micro Multiscale struktur Surface med en AAO Filter (figur 1)
- Köp en AAO filter med en porstorlek, höjd och diameter på 200 nm, 60 µm och 25 mm, respektive.
- 1.2. rengöra ytan på den polyetentereftalat (PET) film har en tjocklek av 100 μm till använda aceton med 99,8% och isopropylalkohol (IPA) med 99,9% för 5 min, och helt torr för 3 min med en luftpistol.
- Placera den PET-filmen på en plan yta utan föroreningar och tillsätt en 0,1 mL droppe UV-härdande polyuretan-akrylat (PUA)-Skriv harts med en viskositet av 257.4 cPs på ytan.
- Placera filtret AAO på kådan och tryck jämnt, använda en gummi rulle med en diameter på 32 mm. Spridningen av kådan bekräftas visuellt så rullen måste upprepade gånger och försiktigt skjutas när du trycker på.
FÖRSIKTIGHET: AAO filtret är sprött och kan bryta om överdrivet våld används. - Efter valsningen, utsätta preparatet med PET och AAO filtret (fäst med hjälp av kådan) för UV-ljus med en våglängd av 365 nm för 30 s att bota kådan.
- Fördjupa härdade förlagan i 100 mL 2 M NaOH lösning för 10 min för att lösa upp filtret.
Obs: SEM bilderna visar tvärsnitt och ytan av strukturen (figur 2). - Rengör preparatet med DI-vatten och sedan torka den helt för 3 min med en luftpistol.
Obs: EDX analys bekräftat att Na och Al upptäcktes inte och var helt etsade (figur 3).
2. ytbehandling
- UV ozonrening
- Rengör preparatet med nano-micro multiscale strukturer med IPA och DI vatten för 5 min, sedan torka den med en luftpistol för 3 min.
- Bestråla sidan multiscale strukturer av preparatet (sidan med multiscale strukturer) med hjälp av UV-strålar (våglängd av 185-254 nm) för 60 min.
Obs: UV ozon utrustningen har en intensitet på 25 mW/cm2. - Octadecyltrichlorosilane (OTS) självmontering
- Placera en värmeplatta innanför handskfacket och upprätthålla en N2 miljö för en vapor deposition process.
- Fast kanten av preparatet på ett glas eller en platta med tejp. Kontrollera att storleken på glaset eller plattan är tillräckligt stor för att täcka upp i en bägare (med 8 mm i diameter och 13 mm höjd).
- Placera bägaren på värmeplattan med 5 ”x 7” och tillsätt 2 mL av OTS-lösning till bägaren med pipett.
- Täck bägaren med glaset eller platta ansikte-on, med preparatet nedåt i bägaren.
- Processen för 60 min vid 100 ° C och sedan ta bort preparatet från handskfacket.
Obs: Efter OTS-beläggning processen, bägaren och handskfacket måste rengöras.
3. tillverkning av funktionella ytan genom att injicera smörjmedel
- Sätta in ungefär 0,2 mL av perfluorkarboner (PFC) vätska på de OTS-belagd själv samlade nanofiber församling.
- Observera att vätning PFC med ett ljusmikroskop med ett objektiv på 5 X-20 X.
- Avlägsna överflödigt PFC vätskan genom att placera proverna i vertikalt läge för några timmar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Vi visade en snabb och enkel metod för tillverkning av multiscale nano-micro hybridstrukturer med ett AAO-filter som en imprinting mögel. Hela processen tog 30 min (figur 4). Det noterades att den resulterande ytan efter att ha genomgått etsning processen med NaOH, uppvisade en ogenomskinlig färg som liknar det ursprungliga AAO filtret, på grund av den aggregerade nanofiber församlingen orsakas av ytspänning. Dessutom bekräftade resultaten av EDX analysen att filtret AAO helt togs bort av våta kemisk etsning (figur 3).
Ytegenskaper bestämdes genom att mäta kontaktvinkel genom släppa på ytan av preparatet 5 μL av vattendroppar. Eftersom de material som används i processen AAO-filter-medierad avtryck uppvisar superhydrophilicity, och de fabricerade multiscale strukturerna har mycket porösa nätverk på grund av egen aggregerade nanofibrer, tenderar vattendropparna att vara omedelbart absorberas i substratesna. Hydrophilicitet kan dock ändras till vattenavvisande egenskaper använder korrekt ytbehandling. Vi visat, som visas i figur 5, att ytan av präglade multiscale strukturer ändrades till en hydrofoba yta med en kontaktvinkel cirka 117 ° efter OTS beläggning. Dessutom kan UV ozon behandling öka ytterligare kontakt vinkeln på ytan av ungefär 10° (figur 6). Efter sekventiellt OTS beläggning och ozonrening UV på präglade ytan, bekräftades det att den resulterande kontaktvinkel ökat till 134° (figur 7).
Ytan och tvärsnitt av preparatet med OTS beläggning visar aggregering av nano-fibrer (figur 5), vilket resulterar i en grop struktur. Format och orientering av denna dimple struktur är oregelbunden; Detta fenomen inträffade dock under hela ytan av preparatet. Ytan av preparatet blev smidig efter det utsattes för den UV ozon behandling process36 (figur 6 och figur 7). Detta är också varför kontakt vinkeln på ytan ökade efter UV ozon behandlingsprocessen. Detta fenomen inträffade också jämnt på ytan av preparatet, och felet av kontaktvinkel var mindre än 3°.
Figur 1: förfarandet för att fabricera en struktur med lösliga aluminiumoxid. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: SEM-bilder av en nano-micro multiscale struktur efter etsning processen, visar ytan och tvärsnitt. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: resultat av EDX analys efter etsningen av nano-micro multiscale strukturer dikta ihop användande en AAO filter. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: Schematisk för tillverkning av en nano-micro multiscale struktur genom aggregering av nanofibrer efter komplett etsning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5: kontakt vinkel efter OTS beläggning på ytan och nano-micro struktur. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6: kontakt vinkel efter UV ozon behandling på ytan och nano-micro struktur. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 7: kontakt vinkel efter sekventiellt OTS beläggning och UV ozon behandling på den yta och nano-micro strukturen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Det viktigaste steget i tillverkning av församlingens egen aggregerade nanofiber är att säkerställa att filtret sprött AAO inte bryter vid tillämpning av kådan med gummi rullarna. I själva verket bör det säkerställas att filtret AAO inte bryter vid något tillfälle innan steget etsning. Eftersom filtret AAO är 25 mm i diameter, är storleken på substratet ca 30 x 30 mm.
Själv aggregerade nanofiber församlingen tillåter oss att ge olika funktionella ytor genom korrekt ytbehandling. Efter imprinting, primära ytan är hydrofil, men det kan ändras och bli hydrofoba genom att utsättas för UV ozon behandling och ytan energi förändring efter OTS beläggning. De föreslagna multiscale porösa strukturerna kan dessutom konverteras till en hal yta via den flytande smörjmedel-infusion processen.
Ytan med nano-micro multiscale strukturer är ogenomskinlig, möjligen på grund av oegentligheter i den aggregerade nanofibrer, och detta kännetecken kan vara anställd i optiska tillämpningar. Således i efterföljande studier, kommer vi att undersöka de optiska kännetecknen av underlagsmaterialet med hjälp av en UV-Vis-IR spektrometer. Vi förväntar oss att de optiska egenskaperna hos sådana ytor kan tillämpas på branscher som kräver diffus reflektion av ljus.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har ingen konkurrerande ekonomiska intressen att avslöja.
Acknowledgments
Detta material bygger på arbete stöds av grundläggande vetenskap forskningsprogrammet genom den nationella Research Foundation i Korea (NRF) finansieras av ministeriet för vetenskap, IKT och framtida planering (NRF-2017R1A2B4008053) och på handels-, industri- och energi ( MOTIE, Korea) under Industrial Technology Innovation Program nr 10052802 och Sydkorea Institutet för främjande av teknik (KIAT) genom uppmuntran Program för branscher av ekonomiskt samarbete Region (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") |
References
- 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).
- Berdichevsky, Y., Lo, Y. H. Polypyrrole nanowire actuators. Advanced Materials. 18, 122-125 (2006).
- Mitchell, D. T., et al. Smart nanotubes for bioseparations and biocatalysis. Journal of the American Chemical Society. 124, 11864-11865 (2002).
- Nicewarner-Pena, S. R., et al. Submicrometer metallic barcodes. Science. 294, 137-141 (2001).
- 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).
- 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).
- Xiang, H., et al. Block copolymers under cylindrical confinement. Macromolecules. 37, 5660-5664 (2004).
- Fei, G., et al. Electro-activated surface micropattern tuning for microinjection molded electrically conductive shape memory polyurethane composites. RSC Advances. 3, 24132-24139 (2013).
- Kim, K., et al. Stretchable and transparent electrodes based on in-plane structures. Nanoscale. 7, 14577-14594 (2015).
- Kim, J., et al. Wearable smart sensor systems integrated on soft contact lenses for wireless ocular diagnostics. Nature Communications. 8, 14997 (2017).
- Park, J., et al. Wearable, wireless gas sensors using highly stretchable and transparent structures of nanowires and graphene. Nanoscale. 8, 10591-10597 (2016).
- 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).
- Kim, M., et al. Fully-integrated, bezel-less transistor arrays using reversibly foldable interconnects and stretchable origami substrates. Nanoscale. 8, 9504-9510 (2016).
- 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).
- 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).
- 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).
- Gibson, J. M. Reading and writing with electron beams. Physics Today. 50, 56-61 (1997).
- Kramer, N., Birk, H., Jorritsma, J., Schönenberger, C. Fabrication of metallic nanowires with a scanning tunneling microscope. Applied Physics Letters. 66, 1325-1327 (1995).
- Jiang, P., Bertone, J. F., Colvin, V. L. A lost-wax approach to monodisperse colloids and their crystals. Science. 291, 453-457 (2001).
- Steinhart, M., et al. Polymer nanotubes by wetting of ordered porous templates. Science. 296, 1997 (2002).
- Hong, S. H., Hwang, J., Lee, H. Replication of cicada wing's nano-patterns by hot embossing and UV nanoimprinting. Nanotechnology. 20, 385303 (2009).
- 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).
- Choo, S., Choi, H. J., Lee, H. Replication of rose-petal surface structure using UV-nanoimprint lithography. Materials Letters. 121, 170-173 (2014).
- Yu, Z., Chou, S. Y. Triangular profile imprint molds in nanograting fabrication. Nano Letters. 4, 341-344 (2004).
- 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).
- 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).
- St˛epniowski, W. J., Salerno, M. Fabrication of nanowires and nanotubes by anodic alumina template-assisted electrodeposition. Manufacturing Nanostructures. 12, 321-357 (2014).
- Sousa, C. T., et al. Nanoporous alumina as templates for multifunctional applications. Applied Physics Reviews. 1, 031102 (2014).
- 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).
- Schwirn, K., et al. Self-ordered anodic aluminum oxide formed by H2SO4 hard anodization. American Chemical Society Nano. 2, 302-310 (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Chen, G., Soper, S. A., McCarley, R. L. Free-standing, erect ultrahigh-aspect-ratio polymer nanopillar and nanotube ensembles. Langmuir. 23, 11777-11781 (2007).
- Jeong, Y., et al. Fabrication of Nano-Micro Hybrid Structures by Replication and Surface Treatment of Nanowires. Crystals. , (2017).
