Yöntem makalesi

Silan Kaplı Nano Gözenekli Yapılara Dayalı Kaygan Yüzeyler için Işık Kaynaklı Desenleme ve Aşılama

DOI:

10.3791/69270

⸱

14 Kasım 2025

 ,  ,  ,  ,  , 
1Global Institute for Advanced Nanoscience & Technology, Changwon National University, 2Department of Smart Manufacturing Engineering, Changwon National University

* These authors contributed equally

Bu makalede

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu protokol, silan kaplı nano gözenekli yüzeyler üzerinde sıralı dijital desenleme ve aşılama yoluyla kaygan üç boyutlu yapılar üretmek için ışık kaynaklı bir yöntem sunar. Bu yaklaşım, akışkan manipülasyonu ve yüzey mühendisliğindeki uygulamalarla kaygan bölgelerin mekansal olarak kontrol edilmesini sağlayarak, desenli sıvı iticiliğe ve arayüzey kayganlığının kantitatif analizine olanak tanır.

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu protokol, dijital ışık işleme (DLP) ve polimerizasyon kaynaklı faz ayrımı yoluyla uzamsal olarak desenli kaygan yüzeyler üretmek için ışık kaynaklı bir yöntemi açıklar. Işıkla sertleştirilebilir bir poliüretan akrilat (PUA) reçinesi, suda çözünür bir porojen (PEG-200) ile karıştırılır ve bir DLP projeksiyon sistemi kullanılarak seçici olarak ultraviyole (UV) ışığa maruz bırakılır. Bu işlem aynı anda polimer çapraz bağlanmasını ve porojen faz ayrılmasını indükler. Porojenin uzaklaştırılmasından sonra, hidrofobikliği arttırmak için UV-ozon aktivasyonu ve buhar fazı silanizasyonu yoluyla kimyasal olarak modifiye edilen nano gözenekli bir yapı kalır. Silikon yağı daha sonra infüze edilir ve çok dalga boylu UV ışığı kullanılarak yüzeye kovalent olarak aşılanır ve stabil bir polidimetilsiloksan (PDMS) fırça tabakası oluşturulur. Ortaya çıkan yüzey, güçlü sıvı iticilik, düşük temas açısı histerezisi ve yüksek optik şeffaflık sergiler. Islanabilirlik, su, oktan, bal ve yapay insan tükürüğü ile temas açısı ve histerezis ölçümleri kullanılarak kantitatif olarak değerlendirilir. Bu yöntem, su bazlı damlacıkların kaygan alanlardan işlenmemiş hidrofilik bölgelere yönlendirilmesi ve iyi tanımlanmış sıvı desenleri oluşturulmasıyla gösterilen seçici kayganlığı mümkün kılar. Yaklaşım, esnek alt tabakalar üzerinde yüksek çözünürlüklü, maskesiz üretimi ve mikroakışkanlar, damlacık taşıma, su hasadı ve biyomedikal cihazlardaki uygulamalar için ölçeklenebilir desenlemeyi destekler.

Giriş

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Kaygan sıvı infüzyonlu gözenekli yüzeyler (SLIPS)1, yağlama sıvılarını mikro veya nano yapılı katı çerçeveler 2,3 içinde kilitleyerek çok çeşitli sıvıları iten biyoilhamlı arayüzlerdir. Lotus'tan ilham alan süperhidrofobik yüzeylerin4 aksine, SLIPS, damlacıkların minimum sürtünme ile hareket etmesine izin veren stabilize bir sıvı-sıvı arayüzü kullanır. Kılcal damar kaynaklı kayganlaştırıcınınyeniden dağılımı 6 tarafından yönlendirilen omnifobiklik, düşük temas açısı histerezisi ve kendi kendini iyileştirme 3,5 davranışı sergilerler. Bu özellikler, SLIPS'i mikroakışkanlar7, zehirli boya 6,8, buzlanma önleyici 9,10,11, su toplama 12,13,14 ve kendi kendini temizleyen yüzeyler15 uygulamaları için çekici kılmaktadır.

Bununla birlikte, SLIPS'i geometrik olarak karmaşık veya uzamsal olarak desenli yüzeylere genişletmek zor olmaya devam etmektedir. Fotolitografi 16,17, anotlama18, jelleşme 6,19 ve elektrospinning20 gibi gözenekli iskeleler için geleneksel üretim teknikleri zaman alıcıdır ve birden fazla işlem adımı gerektirir. Standart bir 3D baskı yaklaşımı olan erimiş biriktirme modellemesi (FDM)21,22, gözenekli polimerleri yazdırarak ve bunları yağlayıcılarla aşılayarak SLIPS oluşturmak için de kullanılmıştır. Daha erişilebilir olmasına rağmen, FDM yavaş, noktadan noktaya biriktirmeye ve sınırlı çözünürlüğe sahiptir, bu da ince yüzey özelliklerinin veya geniş alanlı desenlerin verimli bir şekilde üretilmesini zorlaştırır. Ayrıca, bu tekniklerle üretilen SLIPS tipik olarak eşit derecede kaygandır ve bu da seçici sıvı kontrolü gerektiren uygulamalardaki kullanımlarını sınırlar.

Bu sınırlamaları ele almak için, dijital ışık işleme (DLP)23 kullanılarak desenli kaygan yüzeylerin üretilmesi için ışık kaynaklı bir yöntem tanıtılmıştır. DLP, tasarlanan görüntülerin ışıkla sertleştirilebilir malzemeler üzerine hızlı, yüksek çözünürlüklü yansıtılmasını sağlar. DLP'yi polimerizasyona bağlı faz ayrımı ile birleştirerek, yağlayıcı tutma kapasitesine sahip nano gözenekli mikro yapılar oluşturulur. Işikla sertleştirilebilen bir poliüretan akrilat (PUA) reçinesi, suda çözünür bir porojen ile karıştırılır ve desenli ultraviyole (UV) ışığa maruz bırakılarak çapraz bağlanma ve porojen faz ayrımı sağlanır. Sonraki yıkama, gözenekli bir matris bırakarak porojeni uzaklaştırır.

Yüzey daha sonra hidrofobikliği24 arttırmak için oktadesiltriklorosilan (OTS) ile silanlaştırılır ve silikon yağı ile aşılanır. Kısa süreli UV maruziyeti, bir polidimetilsiloksan (PDMS) fırça tabakasının 6,19,25 alt tabaka üzerine kovalent aşılanmasını indükleyerek yağlayıcıyı kimyasal olarak sabitler ve uzun vadeli arayüzey stabilitesini iyileştirir. Statik temas açısı, temas açısı histerezisi, kayma açısı, kayma hızı ve optik geçirgenlik dahil olmak üzere fabrikasyon yüzeylerin özellikleri niceliksel olarak değerlendirilir. Ayrıca sıvı desenleme testi, su damlacıklarını işlenmemiş bölgelere yönlendirerek seçici kayganlığı gösterir. Bu çalışmada, karmaşık fotolitografi, anotlama veya jelleşme gerektirmeden kaygan alanların uzamsal kontrolünü sağlayan, DLP aracılığıyla ışık kaynaklı desenli bir SLIPS üretimi tanıtılmıştır. Önerilen yöntem, yağlayıcıyı fotoindüklenmiş aşılama yoluyla tasarlanmış nano gözenekli yüzeylere kimyasal olarak bağlayarak, mikroakışkanlarda 13, su toplama sistemlerinde12,13,14 ve biyomedikal cihazlarda 26,27 seçici damlacık manipülasyonu için uygun yüksek çözünürlüklü, stabil kaygan yüzeyler üretir.

Protokol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

NOT: Bu işlemin şematik bir özeti Şekil 1'de görülmektedir. Bu çalışmada kullanılan malzeme ve ekipmanlar Malzeme Tablosunda listelenmiştir.

1. Nano gözenekli yüzey

  1. Işikla sertleştirilebilir PUA reçinesini porojen olarak polietilen glikol-200 (PEG-200) ile ağırlıkça %50 ağırlık oranında karıştırın. Karışımı manyetik bir karıştırıcı kullanarak 500 rpm'de 5 dakika karıştırın.
  2. Karışık çözeltiyi sapsız damlacıklar halinde bir polietilen tereftalat (PET) film üzerine dağıtın. Damlaciklari florlu etilen propilen (FEP) film ile kaplayin ve esit yayilmayi saglamak için rulodan plakaya sistem28 ile esit basinç uygulayin.
  3. Polimerizasyonu indüklemek için PUA reçinesini 180 mJ/cm2 enerji dozunda UV ışığına (365 nm) maruz bırakın. Sertleştikten sonra FEP filmlerini çıkarın.
  4. Reaksiyona girmemiş PEG-200'ü çıkarmak için kürlenmiş numuneyi 1 saat deiyonize (DI) suya daldırın. Kalan suyu çıkarmak ve nano gözenekli yüzeyin imalatını tamamlamak için gözenekli numuneyi 70 °C'lik bir fırında 1 saat kurutun (Şekil 2).
    NOT: Kuruduktan sonra beyazımsı ve mat bir görünüm, PEG-200'ün tamamen çıkarıldığını ve nanogözeneklerin var olduğunu gösterir.

2. OTS ile işlenmiş yüzey

  1. OTS kendiliğinden birleşen tek katmanlı (SAM) oluşumu için bir ön işlem olarak yüzeye hidroksil grupları eklemek için 20 dakika boyunca 25 mW/cm2 UV yoğunluğu ile 185 ve 254 nm dalga boylarında UV ozon işlemi gerçekleştirin. Bu işlemi standart laboratuvar ortam koşullarında, oda sıcaklığında ve atmosfer basıncında gerçekleştirin.
    DİKKAT: UV ozon tedavisi, 185 nm ve 254 nm UV ışığına maruz kaldığında ozon (O3 ) ve reaktif oksijen türleri (ROS) üretir. Bu yan ürünler insan sağlığına zararlıdır ve solunum sistemini tahriş edebilir. UV ozon sisteminin işlevsel bir egzoz veya duman tahliye sistemine bağlı olduğundan emin olun.
    20 dakikadan uzun süre UV ozona maruz kalmak, polimer yüzeyine zarar verebilir ve yapısal deformasyona neden olabilir.
  2. Nitrojen dolu bir torpido gözünün içine bir sıcak plaka yerleştirin. Sıcak plakanın üzerine temiz bir beher yerleştirin ve 1 mL OTS solüsyonunu beherin dibine sapsız bir damlacık olarak dağıtın.
    DİKKAT: Oktadesiltriklorosilan nem ile oldukça reaktiftir ve hidroliz üzerine aşındırıcı hidrojen klorür (HCl) gazı üretir. Cildi, gözleri ve solunum sistemini tahriş edebilir. OTS'yi yalnızca nitrojen dolu bir torpido gözünde kullanın ve eldivenler, koruyucu gözlükler ve laboratuvar önlüğü dahil olmak üzere uygun kişisel koruyucu ekipman (KKD) kullanın.
  3. PET film numunelerini cam slaytlara sabitleyin. OTS'nin buhar fazı birikimini gerçekleştirmek için slaytları ters çevirin ve beherin üzerine yüzleri aşağı bakacak şekilde yerleştirin. Kurulumu 40 dakika boyunca 120 °C'ye ısıtın.
    NOT: Aşırı ısınma veya uzun süreli maruz kalma nedeniyle OTS'nin aşırı kaplanması yüzey kusurlarına neden olabilir.
  4. Numuneleri torpido gözünden çıkarın ve beheri tüy bırakmayan bir mendil kullanarak temizleyin.
    NOT: Beher düzgün bir şekilde temizlenmezse, artık OTS katılaşabilir ve beyaz görünebilir, bu da tekrarlanan işleme koşullarını etkileyebilir.

3. Işık kaynaklı aşılama

  1. PDMS fırça tabakasının kovalent aşılanması için bir ön işlem adımı olarak hidroksil gruplarını tanıtmak için OTS kaplı yüzeyde 20 dakika boyunca 25 mW/cm2 UV yoğunluğu ile 185 ve 254 nm dalga boylarında UV ozon tedavisi gerçekleştirin. Bu işlem, standart laboratuvar ortam koşullarında, oda sıcaklığında ve atmosfer basıncında gerçekleştirilir.
    NOT: Bu adım kritiktir. Hidroksil aktivasyonu olmadan, PDMS fırça tabakası oluşamaz ve kaygan bir arayüz oluşmaz.
  2. Düzgün bir kaplama sağlamak için yüzeye 20 μL/cm2 10 cS silikon yağı uygulayın.
  3. Numuneyi yüzeyden 15 cm yukarıya yerleştirilmiş yüksek yoğunluklu bir UV lambasıyla 15 dakika boyunca ışınlayın. 207 nm (149 mW/cm2), 214 nm (155 mW/cm2), 296 nm (125 mW/cm2), 317 nm (93 mW/cm2) ve 321 nm'de (89 mW/cm2) belirgin tepe noktalarına sahip çok dalga boylu bir kaynak kullanın. Işınlama ısı üretir ve alt tabaka 103.3 ± 5.2 °C'ye ulaşarak kovalent fırça oluşumunu kolaylaştırır.
    DİKKAT: Yüksek yoğunluklu UV ışınlaması sırasında silikon yağı yüksek sıcaklıklara (>100 °C) ulaşabilir. Silikon yağının kendisi düşük akut toksisiteye sahip olmasına rağmen, yağ buharının solunması solunum yolu tahrişine neden olabilir. Yüksek sıcaklıklarda uçuculuğu artar ve yetersiz havalandırılan veya kapalı alanlarda uzun süre maruz kalmak sağlık riskleri oluşturabilir. UV'den koruyucu gözlük takın ve ozonu tahliye etmek için yeterli egzoz havalandırması sağlayın. Isı ve UV ışınlarına maruz kalmaktan kaynaklanan yangın tehlikelerini önlemek için yanıcı veya uçucu malzemeleri kurulumdan uzak tutun.
  4. Numuneyi 30°'lik bir açıyla eğin ve fazla silikon yağının yüzeyden akmasını sağlamak için 5 dakika bekletin.
    NOT: Başarılı drenaj, yüzeyde birikme veya büyük görünür damlacıklar olmadan ince, düzgün bir silikon yağı filmi görüntülendiğinde onaylanır.

4. Desenli kaygan yapıların imalatı

  1. İstenilen şekilleri CAD yazılımıyla (örneğin, CATIA) tasarlayın ve bunları STL dosyaları (dişli, labirent ve JoVE metni; Ek Dosya 1, Ek Dosya 2, Ek Dosya 3 ve Ek Dosya 4). DLP 3D yazıcıyla uyumlu 2D projeksiyon görüntüleri oluşturmak için STL dosyalarını dilimleme yazılımına (örneğin, Carima Slicer) yükleyin. Ortaya çıkan dosyaları dijital ışık projeksiyonu için yazıcıya gönderin.
  2. Polimer çözeltisi kaplı filmi (adım 1.2'den itibaren) DLP yazıcının penceresine yerleştirin. Reçineyi seçici olarak sertleştirmek için numuneyi 180 mJ/cm2 yoğunlukta 365 nm UV ışığına maruz bırakın.
  3. PEG-200'ü çıkarmak için maruz kalan numuneyi 1 saat boyunca DI suya batırın. Kalan suyu çıkarmak ve nano gözenekli yapıyı oluşturmak için numuneyi 70 °C'lik bir fırında 1 saat kurutun. Desenli kaygan yüzeylerin imalatını tamamlamak için OTS yüzey işlemi ve ışık kaynaklı aşılama gerçekleştirin.

Sonuçlar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Polimerizasyonun neden olduğu faz ayrımı yoluyla üretilen nano gözenekli yüzeyler, Şekil 2'de gösterildiği gibi 60-100 nm'lik baskın bir gözenek boyutu dağılımı sergiledi. Bu dağılım, yüksek çözünürlüklü SEM görüntüleme kullanılarak yapılan üç tekrarlı ölçümle doğrulandı. SEM görüntüleri, dairesel bir kesit varsayılarak gözenek çaplarını belirlemek için MATLAB'da piksel tabanlı görüntü analizi yoluyla işlendi.

Gözenekli yüzeyde ölçülen statik su temas açısı, 5 μL sapsız su damlacıkları ile yapılan beş tekrarlanan teste dayanarak 84,4 ± 1,4° idi (Şekil 3A). Yüzey ıslanabilirliğindeki değişiklikleri değerlendirmek için, nano gözenekli yapı oluşumu, UV-ozon aktivasyonu, silanizasyon ve ışık kaynaklı PDMS aşılama dahil olmak üzere yüzey modifikasyon adımları boyunca temas açısı izlendi. Silanizasyondan sonra yüzey hidrofobik hale geldi; bununla birlikte, PDMS aşılamasından önce gerçekleştirilen ikinci bir UV-ozon tedavisi, hidroksil grupları eklendiği için temas açısını geçici olarak azalttı. Bu azalma, yüzeyin29 hidrofobikliğini geri kazandıran, kovalent olarak bağlanmış bir PDMS fırça tabakasının oluşumuyla tersine çevrildi. Kolayca tükenebilen serbest silikon yağı kaplamalarının aksine, bağlı PDMS fırçası, yağlayıcıyı tutan ve uzun süreli kaygan davranış sağlayan kararlı ve esnek bir moleküler katman sağlar11. Aşılama işlemi tamamlanmazsa, damlacıklar yüzeyde sabitlenmiş halde kalır ve kaymaz, bu da aşılama adımının kaygan davranış elde etmek için gerekli olduğunu gösterir.

Dört temsili sıvının kaygan davranışını doğrulamak için (Şekil 3B) - deiyonize su, oktan (düşük yüzey gerilimi), bal (yüksek viskozite) ve yapay insan tükürüğü (biyoakışkan taklit; ticari sentetik çözelti) - temas açıları (Şekil 3C), kayma açısı (Şekil 3D), kayma hızı (Şekil 3E) ve temas açısı histerezisi (CAH) (Şekil 3F) ölçüldü. Her sıvı için, temas ve kayma açılarını ölçmek için 5 μL'lik bir sapsız damlacık kullanıldı (eğim hızı: 0,8°/s) ve 8,5 mm'lik bir mesafede kayma hızını ölçmek için 30° eğimli bir yüzeye 5 μL'lik bir damlacık daha yerleştirildi. KAH her durumda ölçüldü. Tüm kaygan davranış testleri beşli olarak gerçekleştirildi. Her deneyde kayma açıları 3°'nin altında kalmıştır. Balın kayma hızı belirgin şekilde daha düşüktü çünkü yüksek viskozitesi, aynı itici güç altında damlacık hareketine güçlü bir şekilde direnen daha fazla iç viskoz dağılıma neden oluyor. Ek olarak, CAH 10°'nin altında kaldı (Şekil 3F), bu da sağlam, omnifobik kaygan bir arayüze işaret ediyor.

DLP projeksiyonlu kaygan desenleme protokolünü uygulamadan önce, PEG-PUA reçinesinin baskı çözünürlüğü çizgi ve boşluk test desenleri kullanılarak değerlendirildi (Şekil 4). DMD çipinin doğal piksel çözünürlüğü (50 μm x 50 μm) göz önüne alındığında, minimum çizgi genişliği 50 μm'ye ayarlandı ve 300 μm'ye kadar kademeli artışlar sağlandı. Her çizgi genişliği beş kez üretildi ve analiz edildi. 50 μm'lik özellikler, tasarlanan geometriye (50,3 ± 6,3 μm) yüksek doğruluk sergiledi. Bununla birlikte, muhtemelen daha geniş alanların maruz kalması sırasında ışık saçılımı ve yanal difüzyon nedeniyle boyutsal sapmalar daha geniş özelliklerle biraz arttı ve bu da amaçlanan desen sınırlarının ötesinde aşırı sertleşmeye yol açtı. Bu aşırı kürleme etkileri, eklemeli imalat için özel olarak tasarlanmamış fotopolimer reçinelerde yaygın olarak gözlenir. Bu çalışmada, PEG-PUA reçinesi başlangıçta fotodesenleme için geliştirildi ve 3D baskı için optimize edilmedi, bu da muhtemelen bu davranışa katkıda bulundu. Bununla birlikte, bu tür sınırlamalar, reçine bileşimi ve fotopolimerizasyon özelliklerinin optimize edilmesiyle hafifletilebilir.

Harf şeklinde (JoVE) ve grafik (labirent, dişli) tasarımlara sahip desenli nano gözenekli yüzeyler, DLP işlemi ile başarıyla üretildi (Şekil 5A). Silanizasyon, UV-ozon aktivasyonu, PDMS aşılama ve silikon yağı infüzyonu dahil olmak üzere tüm yüzey modifikasyon adımlarını tamamladıktan sonra, desenler optik olarak şeffaf hale geldi (Şekil 5B). Bu geçiş, hava (na = 1.0) ile polimer matris (np = 1.5) arasındaki kırılma indisi uyumsuzluğundan kaynaklanır ve bu da doldurulmamış gözenekli yapılarda saçılmaya neden olur. Silikon yağı ile infiltrasyondan sonra (ns = 1.4), kırılma indisi kontrastı azaldı ve geçirgenliği %90'ı aşan gözle görülür şekilde şeffaf bir yüzey elde edildi (Şekil 5C). Su içeren mürekkep uygulandığında, damlacıklar seçici olarak işlenmemiş hidrofilik bölgelere (örneğin, PET film) doğru göç ederek kaygan alanlardan kaçındı (Şekil 5D), böylece iyi tanımlanmış sıvı desenleri oluşturdu (Şekil 5E). Bu sonuçlar, protokolün yüzey ıslanabilirliğinin etkili uzamsal kontrolünü sağladığını göstermektedir.

figure-results-1
Şekil 1: Silan kaplı nano gözenekli bir yapı üzerine inşa edilmiş dijital olarak desenli kaygan bir yüzey için üretim sürecinin şeması. (A) Bir PET film ile bir FEP filmi arasında PEG-PUA reçinesinin düzgün bir şekilde kaplanması için rulodan plakaya işlem, ardından bir DLP projeksiyon sistemi ile ışık kaynaklı desenleme. (B) Kaygan yüzeyin üretim sırası: (adım 1) faz ayrımı ile nano gözenekli bir yüzeyin oluşturulması; (Adım 2) Nano gözenekli yüzeyde hidroksil grupları oluşturmak için UV ozon işlemi; (3. adım) Hidrofobik bir SAM oluşturmak için OTS buhar biriktirme; (adım 4) SAM yüzeyine hidroksil grupları eklemek için ikinci UV ozon işlemi; (adım 5) silikon yağı sızması; (adım 6) bir PDMS fırça tabakası oluşturmak için ışık kaynaklı yüzey aşılama. Kısaltmalar: PEG-PUA = Polietilen glikol-Poliüretan akrilat; PET = Polietilen tereftalat; FEP = Florlu etilen propilen; DLP = Dijital ışık işleme; OTS = oktadesiltriklorosilan; SAM = Kendinden montajlı tek katmanlı; PDMS = Polidimetilsiloksan. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-results-2
Şekil 2: Fabrikasyon nano gözenekli yüzey. (A) Nano gözenek boyutu analizi için SEM görüntüsü ve görüntü işleme adımları: (i) orijinal SEM görüntüsü; (ii) parlaklıktan türetilen bir sözde renk ölçeği ile bağıl gözenek derinliğini gösteren derinlik haritası; (iii) gözenek bölgesi segmentasyonu için ikili görüntü; (iv) her gözeneğe farklı bir renk atanan gözenek etiketleme. Ölçek çubuğu = 500 nm. (B) Nanogözeneklerin boyut dağılımı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-results-3
Şekil 3: Yüzey ıslanabilirlik analizi. (A) Her imalat adımından sonra su temas açısı ölçümleri (5 μL): gözenekli yüzey (adım 1), UV ozonla işlenmiş yüzey (adım 2), OTS kaplı yüzey (adım 3), UV-ozonla işlenmiş SAM (adım 4), silikon yağı kaplı yüzey (adım 5) ve ışık aşılı yüzey (adım 6). (B) Çeşitli sıvıların yüzey gerilimi: oktan (28,7 ± 0,5 mN/m), su (70,6 ± 4,4 mN/m), bal (51,0 ± 0,2 mN/m), yapay insan tükürüğü (66,7 ± 0,4 mN/m) (C) Statik temas açısı, (D) Kayma açısı (5 μL), (E) Kayma hızı (5 μL) ve (F) Bu sıvıların damlacıkları için ölçülen temas açısı histerezisi (CAH). Tüm deneyler oda sıcaklığında ve %40 ± %5 bağıl nemde gerçekleştirildi. Çubuklar ve noktalar ortalama değerleri temsil eder ve hata çubukları ortalama ± SD'yi gösterir (n = 5 bağımsız deney). Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-results-4
Şekil 4: DLP sisteminin çözünürlük testi için basılan mikro çizgi yapıları, çizgi genişlikleri her satırın orta noktasında ölçülmüştür (beş tekrar). Ölçek çubuğu = 500 μm. Puanlar ortalama değerleri temsil eder ve hata çubukları ortalama ± SD'yi gösterir (n = 5 bağımsız deney). Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-results-5
Şekil 5: DLP projeksiyonu aracılığıyla dijital olarak tasarlanmış görüntülerden üretilen desenli yüzeyler. (A) Silikon yağı sızmasından önce opaklık gösteren nano gözenekli yüzeyler. Desenler: (i) teçhizat, (ii) labirent, (iii) JoVE metni. Ölçek çubuğu: 10 mm. (B) Silikon yağı sızmasından sonra şeffaf görünen kaygan yüzeyler. Desenler: (i) teçhizat, (ii) labirent, (iii) JoVE metni. (C) Kaygan ve gözenekli yüzeyler arasındaki optik geçirgenlik karşılaştırması. (D) Kaygan yüzeyde belirlenmiş hidrofilik bölgelere (PET film) yönlendirilen su damlacıklarının seçici olarak uzaklaştırılması. (E) Kaygan yüzeyde su damlacıkları ile sıvı kılavuzlu desenleme. Desenler: (i) teçhizat, (ii) labirent, (iii) JoVE metni. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Tartışma

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu protokoldeki kritik bir adım, DLP bazlı UV kürleme sırasında polimerizasyonun neden olduğu faz ayrımı yoluyla nano gözenekli bir yapının oluşturulmasıdır. PEG-200'ün ışıkla sertleştirilebilir bir PUA reçinesi ile harmanlanması ve ardından karışımın desenli UV ışığı ile ışınlanması, yağlayıcıları etkili bir şekilde tutan çapraz bağlı gözenekli ağlar ve uzamsal olarak tanımlanmış yapılar sağlar1. Stabil kaygan bir arayüzün temelini oluşturan bir PDMS fırça tabakası11'in müteakip aşılanmasını sağlamak için-UV-ozon işlemi işlem sırasında iki kez gerçekleştirildi: birincisi, silanizasyondan önce gözenekli polimer yüzeyine hidroksil grupları eklemek ve ikincisi, PDMS aşılamadan önce silanize yüzeyi yeniden etkinleştirmek.

Kısa dalga boylu UV ışığı ve yüksek sıcaklıklar gibi yüksek enerjili koşullara maruz kalmak polimer substrata zarar verebileceğinden veya yüzey yapısını deforme edebileceğinden, her iki UV-ozon adımı sırasında da dikkatli olunmalıdır25. İkinci UV-ozon adımını takiben, aktif yüzeye silikon yağı biriktirildi. Daha sonra çok dalga boylu UV'ye maruz kalma, PDMS zincirlerinin aşılanmasını başlatır. Reaksiyon öncelikle UV ışığı tarafından yönlendirilirken, eşlik eden termal enerji moleküler etkileşimleri destekler ve sağlam yüzey bağlanmasını destekler. Bu aşılama işlemi, kovalent olarak sabitlenmiş bir PDMS fırça tabakasının oluşumuna yol açar ve bu da düşük kayma açıları, düşük CAH ve hızlı kayma hızı ile karakterize edilen stabil kaygan arayüzlerle sonuçlanır. Bununla birlikte, UV-ozon adımlarından herhangi biri sırasında yetersiz hidroksilasyon, zayıf aşılamaya ve kaygan performansın düşmesine neden olabilir. Ek olarak, nano gözenekli yüzeyin imal edilmesi için kürleme adımı sırasında kullanılan UV yoğunluğu önerilen değerin altına düşerse, yüzey aşırı pürüzlü hale gelme eğilimindedir ve gözenek boyutu oldukça düzensizdir ve nano gözenekli tabaka, durulama sırasında PET substratından bile ayrılabilir23. Ayrıca, nano gözenekli yüzeyler, PEG-200 içeriğinin ağırlıkça %50'nin üzerine çıkarılmasıyla üretilebilse de, ortaya çıkan yapılar genellikle genişlemiş gözenekler ve artan yüzey pürüzlülüğü sergiler, bu da damlacıklar büyük gözenekler içinde sıkıştıkça kaygan davranışı engelleyebilir. Bu nedenle, üretim parametreleri öngörülen aralıklar içinde dikkatli bir şekilde tutulmalıdır.

Bu protokolün bir sınırlaması, eklemeli imalatta şeffaf reçine formülasyonları kullanılarak büyük veya tamamen 3D (milimetre ölçekli) kaygan yapıların imalatı ile ilgilidir. PEG-PUA reçinesinin yüksek optik geçirgenliği nedeniyle, UV ışığı amaçlanan maruz kalma katmanının ötesine geçebilir ve girintili veya içbükey bölgelerde kürlenmeyi başlatabilir. Bu, özellikle iç boşluklarda istenmeyen katılaşmaya ve yapısal aslına uygunluk kaybına neden olabilir. Bu nedenle, bu yöntemin hacimsel kaygan 3D mimarilere genişletilmesi, reçinenin23 optik absorbans özelliklerinin daha fazla ayarlanması olmadan zor olmaya devam etmektedir.

Bu sınırlamaya rağmen protokol, geleneksel SLIPS üretim yöntemlerine göre açık avantajlar sunmaktadır. Düşük çözünürlük ve yavaş, nokta nokta biriktirme veya çok adımlı prosedürler ve katı şablonlar gerektiren anodizasyon ve jelleşme teknikleri20 ile sınırlı olan FDM tabanlı yaklaşımların22 aksine, önerilen DLP tabanlı yöntem, tek adımlı, maskesiz ve dijital olarak programlanabilir bir projeksiyon işlemi yoluyla yağlayıcı ile aşılanmış gözenekli alt tabakaların doğrudan üretilmesini sağlar. Bu yaklaşım yalnızca üretim süresini azaltmakla kalmaz, aynı zamanda prosedürü basitleştirir ve desenleme verimini önemli ölçüde artırarak desenli yüzeylerin verimli bir şekilde üretilmesini sağlar. Ayrıca işlem, PET filmler gibi esnek alt tabakalarla uyumludur. Ek olarak, ışık kaynaklı faz ayırma stratejisi, yüksek çözünürlük, desen oluşturma esnekliği ve yağlayıcıları tutabilen gözenekli iskelelerin basitleştirilmiş oluşumunu sağlar. Fotoindüklenen süreçlerin kullanımı aynı zamanda desenli alt tabakalarla entegrasyonu kolaylaştırır, seçici kayganlığa izin verir ve çok ölçekli yapıların ölçeklenebilir üretimini destekler. Birlikte ele alındığında, bu avantajlar, yöntemi, yüzey ıslanabilirliğinin hassas uzamsal kontrolünün gerekli olduğu yönlü damlacık taşıma, açık kanal mikroakışkanlar, zehirli boyalar8 ve su toplama sistemleri13,14 gibi uygulamalar için özellikle uygun hale getirir.

Açıklamalar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarların beyan edecekleri herhangi bir çıkar çatışması yoktur.

Teşekkürler

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu çalışma, Kore hükümeti (MSIT) tarafından finanse edilen Kore Ulusal Araştırma Vakfı (NRF) hibelerinden destek almıştır (No. 2023R1A2C3006499 ve RS-2023-00238462). Bu araştırma ayrıca, Eğitim Bakanlığı tarafından finanse edilen Kore Ulusal Araştırma Vakfı (NRF) hibesinin LAMP (Yüksek Lisans ve Doktora Öğrencileri ve Postdoc'lar için Küresel Öğrenme ve Akademik Araştırma Enstitüsü) girişimi tarafından da desteklenmiştir (No. RS-2024-00444460).

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
365 nm UV LED sistemiLichtzenLZL-FL-220220-CUV kürleme ekipmanı
Yapay TükürükTMABIOTB0924Yapay insan tükürüğü (biyosıvı taklit; ticari sentetik çözelti yöntemi)
Carima SlicerCARIMAV2.0Dilimleme yazılımı
CATIADassault sistemleriV5R20CAD yazılımı
Deionize (DI) suKORE TEMİZLİK KİMYASIKCU-PW3Durulama ve porojen çıkarımı
DLP 3D yazıcı (365 nm UV)CARIMAIMD-CDijital desenleme ekipmanı
Florerlenmiş etilen propilen (FEP) filmiALPHAFLONFEP0250Filmin vizyonu
Torpido kutusuMADE LABG801Tehlikeli maddelerin güvenli şekilde taşınması için kullanılır
Sıcak plaka karıştırıcıCorningPC-420DSıcak plaka & Manyetik karıştırıcı ekipmanı (5" x 7")
Çok dalga boylu UV lamba sistemiRaynicsRX-H1000SIşık kaynaklı aşılama ekipmanları
Oktadesiltriklorosilan (OTS)Sigma-Aldrich104817Hidrofobik yüzey kaplaması
FırınSH ScientificSH-VDO-30NHNumunelerin kurutulması için kullanılır
Foto-kürlenebilir reçineMinuta teknolojisiMINS-311RMPoliyuretan akrilat (PUA) bazlı reçine
Polietilen glikol (PEG) 200Tokyo Kimya EndüstrisiP0840Porogen
Polietilen tereftalat (PET) filmiMavi DPBaskı için Substrat
Silikon yağıShin-Etsu PolimeriKF-96-10CS10cS
SmartDropFemtobiomedTemas açısı ölçümü
UV ozon temizleyicisiJaesung MühendisliğiUVC-30UV ozon arıtma ekipmanları
UV-görünür/NIR spektrofotometreJascoV-770Işık geçirimliliği ölçümü

Kaynaklar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Wong, T. S., et al. Bioinspired self-repairing slippery surfaces with pressure-stable omniphobicity. Nature. 477 (7365), 443-447 (2011).
  2. Yao, X., et al. Adaptive fluid-infused porous films with tunable transparency and wettability. Nat Mater. 12 (6), 529-534 (2013).
  3. Kreder, M. J., Alvarenga, J., Kim, P., Aizenberg, J. Design of anti-icing surfaces: smooth, textured or slippery. Nat Rev Mater. 1 (1), 1-15 (2016).
  4. Latthe, S. S., Terashima, C., Nakata, K., Fujishima, A. Superhydrophobic surfaces developed by mimicking hierarchical surface morphology of lotus leaf. Molecules. 19 (4), 4256-4283 (2014).
  5. Xiang, T., et al. Slippery liquid-infused porous surface for corrosion protection with self-healing property. Chem Eng J. 345, 147-155 (2018).
  6. Lee, S. H., et al. Implementation of a large-area slippery surface using a transparent organogel. Mater Today Chem. 39, 102187(2024).
  7. Wang, X., Zhuang, Z., Li, X., Yao, X. Droplet manipulation on bioinspired slippery surfaces: from design principle to biomedical applications. Small Methods. 8 (4), 2300253(2024).
  8. Tesler, A. B., et al. Extremely durable biofouling-resistant metallic surfaces based on electrodeposited nanoporous tungstite films on steel. Nat Commun. 6 (1), 8649(2015).
  9. Yuan, Y., et al. Self-repairing performance of slippery liquid infused porous surfaces for durable anti-icing. Adv Mater Interfaces. 9 (10), 2101968(2022).
  10. Eder, T., et al. Transparent PDMS surfaces with covalently attached lubricants for enhanced anti-adhesion performance. ACS Appl Mater Interfaces. 16 (8), 10942-10952 (2024).
  11. Zhao, X., et al. Macroscopic evidence of the liquidlike nature of nanoscale polydimethylsiloxane brushes. ACS Nano. 15 (8), 13559-13567 (2021).
  12. Dai, X., et al. Hydrophilic directional slippery rough surfaces for water harvesting. Sci Adv. 4 (3), eaaq0919(2018).
  13. Lv, P., Zhang, Y. L., Han, D. D., Sun, H. B. Directional droplet transport on functional surfaces with superwettabilities. Adv Mater Interfaces. 8 (12), 2100043(2021).
  14. Lian, Z., et al. Recent progress in bio-inspired macrostructure array materials with special wettability-from surface engineering to functional applications. Int J Extreme Manuf. 6 (1), 012008(2023).
  15. Yin, J., et al. Self-cleaning and antibiofouling enamel surface by slippery liquid-infused technique. Sci Rep. 6 (1), 25924(2016).
  16. Ucuncuoglu, R., Erbil, H. Y. Water drop evaporation on slippery liquid-infused porous surfaces (SLIPS): effect of lubricant thickness, viscosity, ridge height, and pattern geometry. Langmuir. 39 (18), 6514-6528 (2023).
  17. Zhang, P., Zhang, L., Chen, H., Dong, Z., Zhang, D. Surfaces inspired by the Nepenthes peristome for unidirectional liquid transport. Adv Mater. 29 (45), 1702995(2017).
  18. Song, T., et al. Fabrication of super slippery sheet-layered and porous anodic aluminium oxide surfaces and its anticorrosion property. Appl Surf Sci. 355, 495-501 (2015).
  19. Yoon, S. M., et al. Photo-induced liquid-based slippery materials for highly efficient particle aggregation. Appl Surf Sci. 682, 161638(2025).
  20. Mahmut, T. A. S., Memon, H., Xu, F., Ahmed, I., Hou, X. Electrospun nanofibre membrane based transparent slippery liquid-infused porous surfaces with icephobic properties. Colloids Surf A Physicochem Eng Asp. 585, 124177(2020).
  21. Mazzanti, V., Malagutti, L., Mollica, F. FDM 3D printing of polymers containing natural fillers: a review of their mechanical properties. Polymers. 11 (7), 1094(2019).
  22. Shams, H., Basit, K., Khan, M. A., Mansoor, A., Saleem, S. Scalable wear-resistant 3D printed slippery liquid-infused porous surfaces (SLIPS). Addit Manuf. 48, 102379(2021).
  23. Quan, H., et al. Photo-curing 3D printing technique and its challenges. Bioact Mater. 5 (1), 110-115 (2020).
  24. Belgardt, C., Graaf, H., Baumgärtel, T., Borczyskowski, C. V. Self-assembled monolayers on silicon oxide. Phys Status Solidi C. 7 (2), 227-231 (2010).
  25. Tesler, A. B., et al. A one-pot universal approach to fabricate lubricant-infused slippery surfaces on solid substrates. Adv Funct Mater. 31 (27), 2101090(2021).
  26. Huang, W. P., et al. Patterned slippery surface through dynamically controlling surface structures for droplet microarray. Chem Mater. 31 (3), 834-841 (2019).
  27. Sun, L., et al. Tailoring materials with specific wettability in biomedical engineering. Adv Sci. 8 (19), 2100126(2021).
  28. Kim, W. Y., et al. Quasi-seamless stitching for large-area micropatterned surfaces enabled by Fourier spectral analysis of moiré patterns. Nat Commun. 14 (1), 2202(2023).
  29. Pupillo, D., et al. Corrosion resistance of biodegradable zinc surfaces enhanced by UV-grafted polydimethylsiloxane coating. ACS Biomater Sci Eng. 10 (8), 4891-4900 (2024).

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

Slippery SurfacesDigital Light ProcessingNanoporous StructuresPolymerization Induced Phase SeparationSurface SilanizationUV Ozone TreatmentSilicone Oil GraftingContact Angle MeasurementDroplet TransportMicrofluidic Devices

İlgili makaleler