這種材料采用苯二甲酸乙二醇酯(PET)的形式,在其表面上沉積一層緊密間隔的高而薄的納米結構,頂部有圓形斑點。金針菇同樣有長而細的莖,頂部是較大的圓形菌蓋。
被稱為納米enoki PET的塑料是透明的,水、牛奶、番茄醬,咖啡和橄欖油等液體可從其表面滑落。即使經過5000次彎曲循環,這些組合質量仍然存在,并且可以使材料成為太陽能電池和LED等物品的理想選擇,甚至可以用于可穿戴電子設備或柔性照明。
納米enoki塑料的制造工藝
通過無掩模反應離子刻蝕(RIE)的制造工藝,然后進行等離子增強化學氣相沉積(PECVD)的二氧化硅沉積和氟化來創建納米烯基PET結構。
用CF4和O2分別以45 scsc和5sccm的流速蝕刻125μm厚的PET基板。腔室的總壓力保持在150mTorr,功率設置為125W。在此蝕刻過程中,聚合物顆粒沉積在PET表面上,充當納米掩模,用于創建高深寬比的結構。26納米結構的高度可以通過蝕刻時間來控制,并且蝕刻速率為大約300nm/min。接下來,SiO2通過PECVD在200°C下將其沉積在高深寬比納米結構的頂部,以避免PET基材熔化。腔室的壓力和功率分別設置為900mTorr和60W。SiH4 / N2和N2O的流量均為140sccm。SiO2層的厚度可以通過沉積時間來控制,該沉積時間約為100nm/min。將體積為0.05mL的三甲氧基(1H,1H,2H,2H-十七碳氟癸基)硅烷(Sigma-Aldrich)在30mTorr的真空室中氣相沉積在納米烯基PET上。使用16小時的氣相沉積時間,其提供了均勻的涂層。
濕潤特性
方法:具有不同表面張力的4種不同類型的5μL體積的液滴沉積在PET基材和荷葉上以進行比較。使用去離子水,Sigma-Aldrich十六烷,Sigma-Aldrich乙二醇和雜貨店特級初榨橄欖油。使用Atta Theta光學張力儀測量不同樣品的接觸角和滯后。對每個樣品進行三項測量,并記錄每種樣品的平均值和標準偏差。前進和后退接觸角是通過無滴法獲得的,其中將水緩慢地泵入或泵出液滴。磁滯值是前進和后退接觸角之間的差。
結果:與荷葉相比,這四種液體對于18μm高的納米厚樸PET的四種液體的靜態接觸角荷葉是超疏水的,與水的靜態接觸角為160±2°。然而,較低表面張力的液體傾向于更容易散布并且具有較低的靜態接觸角。橄欖油和十六烷的接觸角分別為40±3°和7±2°,它們傾向于自發散布在荷葉表面。納米enoki PET不僅表現出高的靜態水接觸角,而且對于在150°以上測試的其他液體表現出高的接觸角。納米烯基PET的水,乙二醇,橄欖油和十六烷的接觸角分別為172±1.5°,161±1.6°,156±1.5°和153±1.7°。
圖2b繪制了四種液體對荷葉和納米表皮的接觸角滯后。荷葉上的橄欖油和十六烷的大滯后值表明與表面的牢固粘附。對于納米烯基PET,四種液體的接觸角滯后分別為2.0±0.6°,3.0±0.5°,6.0±2.0°和17.0±1.2°。對于各種液體,折返型納米enoki蘑菇的高表觀接觸角和小滯后角證明了這些結構的超憎性。由于液體的排斥性,液滴很容易從表面滾落。
光學表征
方法:配備有150 mm積分球的分光光度計(PerkinElmer,Lambda 1050)用于測量400至1200 nm波長之間樣品的總透射率。去除積分球以測量樣品的直接透射。使用Cary 7000通用測量分光光度計(UMS)測量散射角分布。在此儀器中,入射光以5 mm×5 mm方光束垂直于樣品表面,并且在10至350(-10)度的范圍內掃描光電探測器。波長在530至570 nm之間測量。
結果:a示出了納米烯醇的總透射率隨高度從400至1200nm的變化。高度為0μm時的透射率對應于扁平PET。納米enoki PET的最初創建對應于透射率的降低,因為enoki頂部的創建增加了反射。但是,高度的額外增加只會稍微降低透射率。
b繪制了400至1200 nm的霧度與各種結構的納米結構高度的關系。
c示出了具有和不具有氟化頂部的納米烯醇的透射的散射角分布。25這兩個樣品的散射角范圍均大于170°,這表明其具有很強的光散射能力,并且遠遠超過超高霧度納米結構紙的散射角。35該圖還表明,納米烯醇的氟化不影響散射角,因為它僅形成單層。
染色測試
方法:將5mL的亨氏黃芥末和通過豬尸檢收集的肝素化的豬血置于樣品上,并在室溫下蒸發24小時。然后將樣品傾斜90°。在染色測試之前和之后都進行了光學測量。
結果:a示出了(i)芥末和(ii)血液的染色測試結果染色后,納米厚樸樣品在550 nm處的透明度不變。相反,對芥子和血液進行染色試驗后,裸露的PET的透明度顯著降低。
b示出了(i)芥末和(ii)血液的光學圖像。樣品傾斜后,由于液體的低滲透性和排斥性,即使在干燥后,芥末和血液也趨于干燥成小斑點,并容易從納米烯基PET表面剝落。相反,芥末和血液散布在裸露的PET上并保持粘附在表面上。
c所示為(i)干燥后和(ii)傾斜樣品后干燥的芥末和水滴在干燥表面上從薄片上剝落下來的情況。
總結
特點:①納米烯基聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)具有凹入的幾何形狀和結構之間的緊密間距,可為各種表面張力不同的液體(例如水,乙二醇)提供大于150°的高表觀接觸角和低接觸角滯后性。
②納米結構之間的微米級間距很小,納米烯醇結構顯示出很高的壓力穩定性,這為水的滲透提供了巨大的能量屏障。
③納米烯基結構具有抗污性,傾斜后干燥的芥末和血從表面剝落下來,恢復了原始的透射率。
④納米烯基PET基材具有很強的彎曲能力,經過5000次彎曲循環后,顯示出相似的透射率,霧度,油接觸角和滯后值。
⑤納米烯基PET在550nm的波長下分別顯示出86.4%和96.4%的高透射率和超高霧度,這可能適合于某些光學應用。
應用:①這些特性使其成為太陽能電池或LED集成的理想選擇,并兼具其靈活性和耐用性,這意味著它可用于柔性照明或可穿戴技術
②這種材料的超級疏水性特性也可能使塑料成為防細菌定植和血液凝固的醫療器械的理想選擇
總之,諸如太陽能電池板和LED的技術要求覆蓋材料能夠防水,防污和防油,同時仍要讓大量的光通過。新的柔性材料將使這些設備可以結合到各種創意應用中,例如窗簾,衣服和紙。因此該材料有很大的應用前景。