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Femtosekundenlaser hergestellte elastomere superhydrophobe Oberfläche mit dehnungsverstärkter Wasserabweisung

Zusammenfassung

Hochdehnbare und robuste superhydrophobe Oberflächen haben aufgrund ihrer breiten Anwendungsperspektiven enormes Interesse auf sich gezogen. In dieser Arbeit wurden Silikonelastomere ausgewählt, um superhydrophobe Oberflächen mit dem Femtosekunden-Lasertexturierungsverfahren herzustellen, und eine hohe Dehnbarkeit und einstellbare Haftung der superhydrophoben Oberflächen wurde erfolgreich demonstriert. Nach unserem besten Wissen werden zum ersten Mal flexible superhydrophobe Oberflächen mit einer erträglichen Dehnung von bis zu 400 % durch einfache Laserablation hergestellt. Der Test zeigt auch, dass die Belastung keine Abnahme der Wasserabweisung bewirkt, sondern eine Verbesserung der superhydrophoben Oberflächen. Darüber hinaus wurde ein dehnungsinduzierter Übergang vom „Blütenblatt“-Zustand zum „Lotus“-Zustand der lasertexturierten Oberfläche auch durch den verlustfreien Transport von Flüssigkeitströpfchen nachgewiesen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass das Femtosekundenlaser-ablatierende Silikonelastomer ein vielversprechender Weg zur Herstellung superhydrophober Oberflächen mit ausgeprägten Vorzügen hoher Dehnbarkeit, einstellbarer Haftung, Robustheit und Nicht-Fluorierung sein könnte, die möglicherweise für Mikrofluidik, Biomedizin und flüssigkeitsabweisende Haut nützlich ist.

Hintergrund

Künstliche superhydrophobe Oberflächen spielen eine wichtige Rolle in einer Vielzahl von Anwendungen wie z. B. Widerstandsreduzierung [1], Anti-Biofouling [2], Mikrofluidik-Manipulation [3], Anti-Vereisung [4,5,6], Wassersammlung [7], und tragbare Elektronik [8]. Für eine vielversprechende superhydrophobe Oberfläche, die in künstlicher Haut und tragbarer Elektronik verwendet wird, sind hohe Dehnbarkeit, Haltbarkeit, biologische Sicherheit und einfache Herstellung sehr wünschenswert, daher ist die richtige Auswahl von Substratmaterialien und Herstellungsverfahren sehr entscheidend.

Ein Ansatz zur Erzielung einer hohen Dehnbarkeit ist die Herstellung superhydrophober Oberflächen auf elastischen Materialien. Beispielsweise wurden 3D-Faltenschablonen üblicherweise verwendet, um entworfene Muster auf Elastomere mit niedriger Oberflächenenergie zu übertragen [9]. Die originalgetreue Nachbildung nanoskaliger Strukturen bleibt jedoch eine große Herausforderung, da das Elastomer, das in der nanoskaligen Struktur des Templats aushärtet, dazu neigt, während des Abschälvorgangs zu brechen oder sich zu verformen. In neueren Studien wurde über dehnbare superhydrophobe Oberflächen berichtet, die durch Abscheidung hydrophober Mikro-/Nanopartikel auf vorgestreckten elastischen Materialien hergestellt wurden [10, 11]; Auf diese Weise könnten superhydrophobe Oberflächen selbst bei einem Streckverhältnis von 500% wasserabweisende Eigenschaften behalten. Dennoch ist der Herstellungsprozess kompliziert und zeitaufwändig, und die Verwendung flüchtiger organischer Verbindungen entspricht nicht den Anforderungen einer umweltfreundlichen Herstellung.

Um hierarchische Mikro-/Nanostrukturen auf starren oder flexiblen Substraten zu erzeugen, ist die Femtosekunden-Laserbearbeitung/Texturierung ein einfacher und effizienter Ansatz, der in verschiedenen Anwendungen eingesetzt wurde [12,13,14,15,16]. Mit der Eigenschaft der Kaltbearbeitung hat sich diese Technik als geeignete Methode zur Herstellung flexibler superhydrophober Oberflächen mit niedrigem Schmelzpunkt erwiesen [17,18,19]. Die bisherigen Forschungen konzentrierten sich hauptsächlich auf die Texturierung von Polytetrafluorethylen (PTFE) und Polydimethylsiloxan (PDMS) [20, 21]. Die Zugverformung von PTFE war jedoch irreversibel [22] und der relativ niedrige Elastizitätsmodul von PDMS begrenzt die Dehnbarkeit seiner superhydrophoben Oberfläche auf eine Dehnung unter 100 % [21].

Ecoflex ist ein ultraweiches flexibles Substrat, das bis zu 500 % dehnbar ist und eine gute mechanische Anpassungsfähigkeit an die menschliche Haut aufweist [23, 24]. Darüber hinaus wird diese Art von Elastomer, das umweltfreundlich und für den menschlichen Körper ungefährlich ist, häufig in tragbaren Geräten verwendet [25]. Dabei wurden in dieser Studie erstmals hochdehnbare, haltbare und nicht fluorierte superhydrophobe Oberflächen mit steuerbaren periodischen Strukturen durch Femtosekunden-Lasertexturierung von Ecoflex Elastomeren hergestellt. Mit verschiedenen Laserbearbeitungsparametern können Mikro-/Nanostrukturen reguliert werden, um das anfängliche Benetzungsverhalten der Silikonelastomere zu bestimmen. Der Zusammenhang des Benetzungsverhaltens in Bezug auf die Dehnungen wurde untersucht. Die flexiblen superhydrophoben Oberflächen mit einer erträglichen Dehnung von bis zu 400% werden demonstriert. Der mechanische Dehnungstest zeigt auch, dass die superhydrophoben Oberflächen eine dehnungsverstärkte Wasserabweisung aufweisen. Inzwischen wurde der entsprechende Mechanismus diskutiert.

Methoden und Experiment

Materialien

Der flexible Gummi (Ecoflex 00-20) wurde von Smooth-On, Inc., USA bezogen.

Vorbereitung von Siliconelastomeren

Wie in Abb. 1a gezeigt, wurde der flexible Gummi mit einer Dicke von 2 mm hergestellt, indem die flüssigen Teile A und B mit einem Volumenverhältnis von 1:1 gemischt und in einer Form 12 h bei Raumtemperatur vollständig aushärten gelassen wurden [23] .

a Herstellungsprozess von festem Ecoflex-Gummi. b Schematische Gerätekonfiguration und Herstellungsprozess. c Einfluss der Laserbearbeitungsparameter auf CAs und SAs

Herstellung von elastomeren superhydrophoben Oberflächen

Die mikro-/nanoskaligen hierarchischen Strukturen auf Silikonelastomeren wurden durch Femtosekunden-Laserablation durch zeilenweises Scannen in der Luft hergestellt (Abb. 1b). Der Silikonkautschuk wurde auf einem Nanotechnologietisch (XY-Tripod-Theta 6 Axis System, Alio Industries) montiert und dann mit einem Ti:Saphir-Femtosekundenlasersystem (LIBRA, Conherent Inc., CA, USA) mit einer Pulsbreite von 100 . bestrahlt fs bei 1 kHz Pulswiederholfrequenz und einer zentralen Wellenlänge von 800 nm. Der Gauß'sche Laserstrahl wurde durch eine Objektivlinse (× 10, Nikon, Japan) mit einer numerischen Apertur (NA) von 0,24 fokussiert, und die Laserabtastgeschwindigkeit wurde auf 2 mm/s festgelegt. Die Bearbeitungsparameter zur Erzielung der superhydrophoben Oberfläche wurden durch Änderung des Scanabstands und der Laserfluenz optimiert.

Charakterisierung

Die Oberflächenmorphologie des lasertexturierten Silikonelastomers wurde unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops (REM, JEOL JSM-7001F) und eines konfokalen Laserrastermikroskops (OLYMPUS, OSL4100) charakterisiert. Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS)-Messungen wurden durchgeführt, um die chemischen Veränderungen auf der laserabgetragenen Oberfläche zu bewerten. Der Kontaktwinkel (CA) und Gleitwinkel (SA) wurden mit einem Kontaktwinkelmesser (SEO PHOENIX) gemessen.

Ergebnisse und Diskussion

Struktur und superhydrophobe Eigenschaften

Die Benetzungsmodi diverser künstlicher wasserabweisender Oberflächen basieren auf der von biomineralischen Materialien inspirierten Oberflächenmorphologie [26]. Superhydrophobe Oberflächen mit geringer Adhäsion (LA), die Lotusblätter nachahmen, sind mit geringen Gleitwinkeln unter 10° ausgestattet [27] und superhydrophobe Oberflächen mit hoher Adhäsion (HA), die von Rosenblättern abgeleitet sind [28] haben unterschiedliche Eigenschaften, dass Wassertropfen bei . nicht von der Oberfläche gleiten können jeder betitelte Winkel. In diesem Artikel wurden die beiden Arten von Oberflächenmorphologien beide durch Lasertexturieren des Elastomers mit unterschiedlichen Verarbeitungsparametern hergestellt [29].

Die Abbildungen 1c und 2a–c zeigen die Benetzungseigenschaften und Oberflächenmorphologien der lasertexturierten Siliconelastomere. Die fehlenden SA-Daten in Abb. 1c repräsentieren die superhydrophobe HA-Oberfläche mit einer SA von 180°. Wie in Abb. 2 gezeigt, besitzt die laserabgetragene Oberfläche eine typische hierarchische Mikro-/Nanoskalenstruktur, wobei die clusterartigen (Abb. 2a) und rillenförmigen (Abb. 2b, c) Mikroskalenmuster durch das Entfernen von Material. Außerdem werden diese mikroskaligen Strukturen von Nanopartikeln mit einer Größe von 100–200 nm bedeckt, die durch die schnelle Abkühlung der ausgestoßenen flüssigen Schmelze im lokalisierten Schmelzebereich induziert werden [30]. Darüber hinaus zeigt der EDS-Spektrum-Test, dass die durch die Femtosekunden-Laserstrukturierung der Elastomeroberfläche induzierten chemischen Veränderungen nicht signifikant sind (Abb. 2d, e), nur eine geringfügige Erhöhung des Sauerstoffgehalts. Wenn die Laserfluenz 45,4 J/cm 2 . beträgt und der Abtastabstand 10 &mgr;m beträgt, zeigt die laserabgetragene Oberfläche eine ausgezeichnete Superhydrophobie, wobei CA 153,1° und SA 11° beträgt. Mit zunehmendem Scanabstand nimmt die CA allmählich ab (Abb. 1c), und das Tröpfchen auf der Oberfläche wird bewegungslos, selbst wenn die Probe um 180° gekippt wird. Wenn der Scanabstand auf 80 µm erhöht wird, sinkt der CA auf 128°. Wenn die Laserfluenz 136,2 J/cm 2 . beträgt und der Scanabstand 80 μm beträgt, kann die abgetragene Oberfläche immer noch einen CA von über 140° erreichen (CA = 141,5°).

REM-Aufnahmen der Femtosekundenlaser-induzierten rauen Mikrostrukturen mit unterschiedlichen Laserfluenzen und Scanabständen. a 45,4 J/cm 2 , 10 μm. b 45,4 J/cm 2 , 50 µm. c 136,2 J/cm 2 , 50 µm. EDS-Spektrumaufzeichnung für Originalprobe (d ) und laserabgetragene Probe (e )

Gemäß der in Fig. 2 dargestellten Oberflächenmorphologie kann die Oberflächentexturierung in zwei Teile unterteilt werden. Eine befindet sich an den Rändern der Mikrorippen und zeigt eine mikroskalige erhabene Struktur mit reichen Nanopartikeln. Nanostrukturen haben sich als Schlüsselfaktor für superhydrophobe Eigenschaften erwiesen [31]; die in dieser Art von Struktur eingeschlossene Luftschicht verhindert nicht nur das Eindringen von Tröpfchen in die Rillenlücke, sondern ermöglicht auch eine kleine Fest/Flüssig-Kontaktfläche, die eine geringe Haftung verursacht. Der mittlere Teil des Mikrograts ist jedoch im Vergleich zum Rand flach und weist keine Nanostruktur auf (Abb. 2c), was zu einem vollständigen Kontakt und einer hohen Adhäsion an Fest-Flüssig-Grenzflächen führt. Bei fester Laserfluenz wird die Breite des mittleren flachen Teils auf dem Mikrosteg durch den Abtastabstand bestimmt, so dass die Gesamthaftkraft mit zunehmendem Abtastabstand zunimmt. Daher wurde die Laserfluenz unter Berücksichtigung der Verarbeitungseffizienz und der Probenleistung auf 136,2 J/cm 2 . festgelegt , und die Abstände von 30 µm und 50 µm wurden gewählt, um die superhydrophoben LA- bzw. HA-Oberflächen vorzubereiten.

Dehnungsmodulierte Strukturen und Benetzbarkeit

Da die superhydrophobe Oberfläche durch zeilenweises Scannen hergestellt wurde, wurde die Beziehung von CA und SA in Bezug auf die Dehnung untersucht, indem die zugfeste superhydrophobe Oberfläche in die Richtungen senkrecht (⊥) und parallel (∥) zum Laser gezogen wurde Scan-Ausrichtung. Der Dehnungswert (ε ) wird durch die Gleichung ε . definiert = (L − L 0 )/L 0 , wobei L und L 0 sind die Längen des Elastomers im gestreckten Zustand bzw. im Ausgangszustand.

Abbildung 3 a und b zeigen die Strukturparameter der gestreckten superhydrophoben Elastomere als Funktion der parallelen und senkrechten Dehnungswerte. Wenn die lasertexturierte Probe in paralleler Richtung gezogen wird, komprimiert die parallele Dehnung das Gitter und führt zu einer verringerten Periode und Rillenbreite (Abb. 3a, c). Währenddessen wird der Mittelstreifen des Mikrokamms gefaltet und von den umgebenden mikro-/nanoskaligen Strukturen bedeckt (Abb. 3e). Der langgestreckte Mikrograt bildet eine neue hierarchische Struktur mit einer Periode von 20–30 μm bei einer Dehnung von 400% (Abb. 3d), die die Oberflächenstruktur bereichert und diversifiziert. Andererseits führt die Ausübung der senkrechten Dehnung zu einem linearen Wachstum der Periode sowie der Rillenbreite und einer geringfügigen Abnahme der Rillentiefe (Abb. 3f–h). Am Boden der Mikrorillen bildet sich eine parallele Struktur mit einer Periode von ca. 10 μm (Abb. 3f).

Strukturparameter des superhydrophoben HA-Elastomers gestreckt bei 0–400 % Dehnung in paralleler Richtung (a ) und senkrechte Richtung (b ). Oberflächenmorphologien des superhydrophoben HA-Elastomers gestreckt bei einer Dehnung von 400 % parallel (ce ) und senkrecht (fh ) Wegbeschreibung

Abbildung 4 zeigt die Auswirkungen von paralleler Dehnung und senkrechter Dehnung auf die CAs und SAs von laserablatierten superhydrophoben Oberflächen. Mit zunehmender Zugspannung wird sowohl für superhydrophobe LA- als auch HA-Oberflächen eine offensichtliche Verbesserung des superhydrophoben Verhaltens gezeigt. Dieses Ergebnis steht im Gegensatz zu den vorherigen Berichten [21, 32], in denen die mechanische Dehnung zu einer Abnahme der Wasserabweisung führte. Insbesondere für die superhydrophobe HA-Oberfläche, wenn die Dehnung 100 % beträgt, beträgt die CA 144,4°, und das Wassertröpfchen bleibt auf der rauen Oberfläche sogar in einem umgedrehten Zustand haften (Abb. 4b), der als „Pinning-Zustand“ bezeichnet wird .“ Wenn die Dehnung auf 200% ansteigt, steigt der CA auf 150°. Währenddessen gleitet der Wassertropfen mit einem Neigungswinkel von 43° ab, was zeigt, dass der Benetzungszustand in den „Rollzustand“ geändert wird. Wenn die Dehnung 400% erreicht, erreicht die superhydrophobe HA-Oberfläche die beste Superhydrophobie mit 153,6° CA und 12° SA. Wenn die Probe entlang der senkrechten Richtung gezogen wird, wie in Abb. 4a, b) und der Anstieg der CAs ist linearer. Die Zustandsänderung der superhydrophoben HA-Oberfläche tritt auch bei einer Dehnung von 200 % auf, und wenn die Dehnung auf 400 % ansteigt, könnte die superhydrophobe HA-Oberfläche eine maximale CA von 156,6° und eine minimale SA von 9° erreichen.

Zertifizierungsstellen (a ) und SAs (b ) der superhydrophoben Elastomere bei verschiedenen parallelen Dehnungswerten. Zertifizierungsstellen (c ) und SAs (d ) der Oberfläche bei verschiedenen senkrechten Dehnungswerten

Mechanismus der Dehnungs-verstärkten Wasserabweisung

Die obigen Ergebnisse zeigen, dass eine verbesserte Superhydrophobie erhalten werden konnte, nachdem das superhydrophobe Elastomer mit einer Dehnung von über 100 % gestreckt wurde, entweder in senkrechter oder paralleler Richtung zur Laserscanning-Ausrichtung. Bei der Ausgangsprobe, die nicht mit einem Femtosekundenlaser bearbeitet wird, bleiben Oberflächenmorphologie und Superhydrophobie nach dem Hochziehen mit einer Dehnung von 400 % gleich (Abb. 5). Da während des Reckvorgangs keine chemische Umwandlung stattfindet, sollte das verbesserte Benetzungsverhalten auf die Variation der Oberflächenmorphologie zurückgeführt werden.

a CAs des ursprünglichen Elastomers bei verschiedenen Dehnungswerten und Mikroskopbilder des ursprünglichen Elastomers mit der Dehnung von (b ) 0 und (c ) 400%

Um die Zunahme der Superhydrophobie des gestreckten Silikonelastomers zu verstehen, wird in diesem Artikel ein kombinierter Zustand verwendet, um die Benetzbarkeit des superhydrophoben Elastomers zu erklären [33]. Die gesamte Fest-Flüssig-Wechselwirkung des superhydrophoben Elastomers kann durch das Cassie-Baxter-Modell beschrieben werden, aber die Wechselwirkung im benetzten Zentralbereich auf dem Mikrograt liegt im Wenzel-Zustand. Nach dem Cassie-Baxter-Modell in der Luft [34] ist die CA (θ C ) im System Luft/Flüssigkeit/Feststoff kann durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt werden:

$$ \cos {\theta}_{\textrm{C}}={f}_{\textrm{S}}\cos {\theta}_{\textrm{S}}-{f}_{\textrm {A}} $$ (1)

wo f S und f A sind die Anteile der Grenzfläche Feststoff/Wasser und der Grenzfläche Luft/Wasser (f S + f A = 1) bzw. θ S ist die ideale CA auf dem glatten Silikonelastomer (für Ecoflex 00-20, θ S =112°, Abb. 5). Die CA im benetzten Zentralbereich, die dem Wenzel-Modell entsprach, kann wie folgt dargestellt werden:

$$ \cos{\theta}_{\textrm{W}}=r\cos{\theta}_{\textrm{S}} $$ (2)

wo θ W ist die CA im Wenzel-Modell und r ist der Oberflächenrauheitsfaktor, definiert als das Verhältnis der tatsächlichen Oberfläche zur projizierten Oberfläche. Durch das Ignorieren der in den Nanostrukturen eingeschlossenen Lufteinschlüsse wird die CA (θ ) im kombinierten Zustand kann mit den folgenden Näherungsgleichungen [35] ausgedrückt werden:

$$ \cos\theta ={f}_{\mathrm{S}}\left(r\cos{\theta}_{\mathrm{S}}+1\right)-1 $$ (3)

Nach Gl. 2, im Wenzel-Modell, r cosθ S ein Wert zwischen − 1 und 1 ist, also der Wert von (r cos θ S + 1) in Gl. 3 muss ein positiver Wert sein.

Abbildung 6 veranschaulicht die schematischen Querschnittsdiagramme von Tröpfchen auf den superhydrophoben Oberflächen mit unterschiedlichen Zugzuständen. Für die entspannte superhydrophobe Oberfläche (Abb. 6a) bleibt die Fest/Flüssig-Kontaktfläche des einzelnen Mikrostegs fast unverändert, wenn die lasertexturierte Probe in senkrechter Richtung gezogen wird (Abb. 3g, h und 6b), und dies bedeutet dass die r in Gl. 3 wird konstant gehalten, aber der Anteil der gesamten Fest/Wasser-Grenzfläche (f S ) nimmt weiter ab, was zu einem Anstieg von θ . führt . Darüber hinaus verringern sowohl die vergrößerte CA als auch die Rillenbreite (Fig. 3b und 6a) die Anzahl der Mikrostege in Kontakt mit dem Tröpfchen, was zu einer Verringerung der Gesamtadhäsionskraft führt. Bei einer geneigten superhydrophoben HA-Oberfläche gleitet das Tröpfchen von der superhydrophoben Oberfläche ab, wenn die Adhäsionskraft auf einen Wert kleiner als die Tangentialgravitation abfällt. Bei der parallelen Streckung werden sowohl die Oberfläche des Mikrograts als auch die Breite der Rillen verringert (Abb. 6c), was darauf hindeutet, dass der Anteil der Fest/Wasser-Grenzfläche (f S ) wird fast konsistent gehalten. Dank des abgesenkten Bereichs im Zentrum der Mikrorippen (Abb. 3e und 6c) und der entstehenden hierarchischen Struktur entlang der Streckrichtung (Abb. 3d) ist der Oberflächenrauheitsfaktor (r ) erhöht, was zur Erhöhung von θ . führt . Die deutlich reduzierte Fest/Flüssig-Kontaktfläche des einzelnen Mikrostegs kann auch eine geschwächte Adhäsionskraft induzieren, die zur Umwandlung vom „Pinning-Zustand“ in den „Rolling-Zustand“ der superhydrophoben HA-Oberfläche beiträgt.

Schematische Querschnittsdarstellung von (a ) die entspannte Probe und die gestreckten Proben in der (b ) senkrechte Richtung und (c) parallele Richtung

Haltbarkeit

Die Haltbarkeit der hoch dehnbaren superhydrophoben Oberfläche ist ein wichtiger Parameter in praktischen Anwendungen. Abbildung 7a zeigt, wie die Haltbarkeit getestet wird. Das superhydrophobe Elastomer wird aufgerollt, geknetet und immer wieder verformt und dann vermessen. Für das superhydrophobe LA-Elastomer kann das Elastomer den Wasserstrahl nach 50 Verformungsschleifen immer noch vollständig auf die Oberfläche abprallen lassen, was anzeigt, dass die raue Oberfläche eine zufriedenstellende Stabilität besitzt. Für das superhydrophobe HA-Elastomer werden zyklische Dehnungs-Entspannungs-Tests bei 300 % Dehnung sowohl in paralleler (Fig. 7b) als auch in senkrechter (Fig. 7c) Richtung durchgeführt, und die superhydrophoben Eigenschaften im entspannten und gestreckten Zustand werden bei 10 . getestet Zyklusintervalle. Während der 50 Zyklen des Streck-Entspannens zeigt das superhydrophobe HA-Elastomer eine hohe Reversibilität und Wiederholbarkeit für die dynamische Transformation vom „Pinning-Zustand“ in den „Rolling-Zustand“.

a Knet- und Torsionsprozesse sowie zyklische Dehnungs-Entspannungs-Tests in der (b ) parallel und (c ) senkrechte Richtungen für das superhydrophobe HA-Elastomer

Tröpfchentransport

Wenn auf die superhydrophobe HA-Oberfläche abwechselnd einfaches mechanisches Dehnen und Entspannen angewendet wird, kann leicht ein reversibler und wiederholbarer Übergang vom „Pinning-Zustand“ in den „Rolling-Zustand“ realisiert werden, sodass diese Art von Oberfläche für den effektiven und sicheren Transport winziger Tröpfchen, insbesondere für teure und seltene Flüssigkeitsproben. Eine Illustration des Transportprozesses ist in Abb. 8 gezeigt. Ein Wassertropfen mit einem Volumen von 5 μL wird zunächst auf eine superhydrophobe LA-Oberfläche platziert, und eine superhydrophobe HA-Oberfläche nähert sich und kontaktiert den Tropfen von oben. Durch die starke Haftkraft der HA-Oberfläche kann der Tropfen verlustfrei erfasst, angehoben und transportiert werden. Durch das Strecken des Elastomers verringert sich die Adhäsionskraft zwischen der Fest-Flüssig-Grenzfläche, bis die Schwerkraft auf dem Tröpfchen überwindet und das Tröpfchen somit freigesetzt wird. Ein Video (Zusatzdatei 1:Video S1) wird ebenfalls bereitgestellt, um den gesamten Vorgang zu demonstrieren. Dieser einfache Mechanismus lässt sich leicht in ein automatisiertes Robotergerät integrieren, was für Lab-on-Chip-Anwendungen von großer Bedeutung ist. Außerdem können mit der rasanten Entwicklung der Lasertechnologie Hochfrequenz-Femtosekundenlaser mit einer Leistung von mehr als 100 W hergestellt werden [36] und die neue Galvanometer-Technologie kann eine Scangeschwindigkeit von über 100 m/s erreichen [37]. Basierend auf dem Hochleistungs-Femtosekundenlaser und dem Hochgeschwindigkeits-Galvanometer ist die großtechnische Industrie von lasergefertigten dehnbaren superhydrophoben Oberflächen möglich.

Demonstration des verlustfreien Tröpfchentransfers mit dem dehnbaren superhydrophoben HA-Elastomer

Schlussfolgerungen

Robuste fluorfreie superhydrophobe Oberflächen, die ultrahohen Dehnungen (40%) standhalten können, wurden erstmals erfolgreich auf einem kommerziellen Silikonelastomer durch Femtosekunden-Lasertexturierung hergestellt. Basierend auf den kontrollierbaren mikro-/nanoskaligen Strukturen, die durch Laserbearbeitungsparameter bestimmt werden, können die anfänglichen Benetzungsleistungen flexibel gesteuert werden. Darüber hinaus wird durch das Strecken der Oberfläche die Superhydrophobie nicht geschwächt, sondern bis zu einem gewissen Grad verstärkt, egal in welche Richtung die Streckkraft ausgeübt wird. Bei einer superhydrophoben HA-Oberfläche könnten Flüssigkeitströpfchen durch Streck- und Freisetzungszyklen eingefangen und freigesetzt werden. Die Oberflächenwasserabweisungseigenschaft bleibt nach mehreren Knet- und Torsionszyklen gut erhalten, was auf eine gute Haltbarkeit und einen außergewöhnlichen Anwendbarkeitswert hinweist. Die in dieser Arbeit vorgestellte hoch dehnbare Oberfläche mit beherrschbarer Superhydrophobie ist vielversprechend für Biomedizin, Mikrofluidik und intelligente tragbare Geräte.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Abkürzungen

CA:

Kontaktwinkel

HA:

Hohe Haftung

LA:

Geringe Haftung

PDMS:

Polydimethylsiloxan

PTFE:

Polytetrafluorethylen

SA:

Gleitwinkel


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