Fabrikasi Pola Switching Optik dengan Microfiber Berwarna Struktural
Abstrak
Warna struktural dihasilkan menggunakan electrospinning dan pertumbuhan hidrotermal seng oksida (ZnO). Lapisan benih yang disejajarkan disiapkan dengan elektrospinning, dan kontrol waktu pertumbuhan hidrotermal disesuaikan untuk menghasilkan berbagai warna struktural. Warna struktural berubah sesuai dengan sudut cahaya datang. Ketika cahaya sejajar dengan arah serat nano yang disejajarkan, tidak ada pola yang diamati. Pola ini disebut sebagai "pola switching optik." Replikasi menggunakan polydimethylsiloxane (PDMS) juga memungkinkan generasi warna struktural; ini adalah pendekatan yang menarik untuk produksi massal. Selain itu, prosesnya cukup merdu karena sintesis dan etsa tambahan dapat dilakukan setelah pola dibuat.
Latar Belakang
Warna struktural memiliki banyak keunggulan dibandingkan warna pigmen (kimia). Misalnya, mungkin ramah lingkungan dan tidak mengalami degradasi fotokimia. Selain itu, karena warnanya berubah sesuai dengan sudut pengamatan, dimungkinkan untuk menghasilkan berbagai pola yang tidak dapat dihasilkan dengan warna pigmen konvensional. Atribut ini telah memberikan warna struktural yang sangat menarik untuk tekstil, cat, kosmetik, keamanan, dan sensor [1,2,3,4,5,6,7]. Berbagai prinsip pewarnaan menjelaskan ekspresi warna struktural, dan penelitian terbaru menunjukkan bahwa struktur nano seng oksida (ZnO) mengekspresikan warna dengan hamburan beraturan [8].
Hamburan berurutan kuasi ditentukan oleh ukuran dan jarak struktur nano dan diwarnai ketika ukuran struktur nano serupa dan jaraknya konstan. Meskipun reflektansi difus dianggap sebagai prinsip pewarnaan utama hamburan berorde semu, prinsip pewarnaan yang tepat belum diklarifikasi, dan biru, hijau, dan ungu terutama diamati [8].
Lapisan benih diperlukan untuk membuat struktur nano ZnO. Pertumbuhan hidrotermal terjadi di daerah di mana lapisan benih terbentuk, yang juga merupakan tempat warna struktural diekspresikan [9,10,11,12,13,14]. Pertumbuhan hidrotermal mengacu pada sintesis struktur nano dalam air pada 40–80 °C. Oleh karena itu, bentuk pola ditentukan oleh wilayah lapisan benih. Untuk membuat pola switching optik, diperlukan lapisan benih nanofiber yang disejajarkan dalam satu arah. Untuk mencapai hal ini, kami menggunakan electrospinning, yang merupakan metode yang paling umum digunakan untuk fabrikasi nanofibers [15,16,17,18]. Namun, nanofiber electrospun yang dikumpulkan biasanya disejajarkan secara acak. Penelitian telah dilakukan untuk menyelaraskan nanofibers untuk meminimalkan torsi bersih gaya elektrostatik diterapkan pada ujung serat [19]. Dengan cara ini, nanofibers dapat disejajarkan dalam keadaan mengambang (nanofibers disejajarkan di udara di antara elektroda), dan lapisan benih yang selaras dapat dibuat dengan mentransfer nanofibers yang dibuat ke substrat target. Untuk menghasilkan pola kawat skala mikro tanpa menggunakan electrospinning, harus dilakukan proses pola yang rumit dengan menggunakan photoresist, yang merupakan proses yang tidak hanya sulit untuk mewujudkan produksi massal dan skala besar serta meningkatkan biaya proses.
Lapisan benih yang dibuat dibuat dari serat nano yang memiliki dimensi spesifik yang diperoleh melalui pertumbuhan hidrotermal setelah perlakuan panas. ZnO adalah bahan yang sangat cocok untuk membuat pola karena indeks biasnya yang tinggi (n = 2.0034) dan kemudahan sintesis dalam berbagai bentuk. Metode fabrikasi pola warna struktural menggunakan nanofiber ZnO selaras yang diusulkan dalam penelitian ini dapat diterapkan untuk membuat pola visual, atau pada sensor untuk mendeteksi berbagai gas [20,21,22].
Metode Eksperimental
Materi
Bubuk polivinilpirolidon (PVP; AR grade, MW 1.300.000) dibeli dari Alfa Aesar. Larutan amonia (tingkat AR, 28,0–30.0% (mol/mol)), seng klorida (tingkat AR), dan seng nitrat heksahidrat (tingkat AR) dibeli dari Junsei Chemical Co., Ltd. Asam klorida (tingkat AR) dan T ,T -dimethylformamide (DMF; AR grade) dibeli dari Sigma-Aldrich. Semua reagen digunakan saat diterima dan tanpa pemurnian lebih lanjut.
Kondisi Elektrospinning
Electrospinning dilakukan pada suhu kamar dan kelembaban rendah (kelembaban relatif, 15-20%). Solusi dalam DMF 500 mM Zn(TIDAK3 )2 dan 0,2 g/mL PVP (konsentrasi akhir) disiapkan. Kesenjangan antara ujung dan kolektor diperbaiki pada 50 mm, dan tegangan yang diberikan adalah 6,5 kV. Untuk mendapatkan kabel mikro yang sejajar, elektroda aluminium paralel dibuat dengan dimensi lebar 3 cm dan tinggi 2 cm. Serat nano yang dikumpulkan secara paralel oleh medan listrik dipindahkan ke substrat target (wafer kaca atau silikon).
Fabrikasi Nanostruktur ZnO
Untuk membuat struktur nano ZnO yang menunjukkan warna struktural, lapisan benih ZnO harus disiapkan dengan perlakuan panas (500 °C) dari serat nano yang disiapkan pada langkah sebelumnya. Pertumbuhan hidrotermal kemudian digunakan untuk membuat struktur nano pada lapisan benih. Untuk membuat struktur nano ZnO, ZnCl2 dilarutkan dalam air deionisasi (DI) pada konsentrasi 10 mM dan dipertahankan pada 40–80 °C untuk memulai reaksi. Amonia (NH4 OH) ditambahkan ke larutan berair ini dengan kecepatan 5 μL/mL, menghasilkan OH
−
dan menaikkan pH larutan. Dalam lingkungan ini, Zn
2+
ion cepat diendapkan dari larutan, yang menyebabkan nukleasi dan pertumbuhan struktur nano ZnO. Untuk menginduksi sintesis struktur nano pada laju yang konstan, reaksi dilakukan pada pH > 10, dan pH larutan menurun karena reaksi dehidrasi. Pertumbuhan hidrotermal dapat dicapai dengan pertumbuhan lebih lanjut dari struktur nano setelah pola.
Pola Kawat Mikro ZnO
Pertumbuhan struktur nano dapat disesuaikan dengan menggunakan litografi untuk mengubah waktu selama lapisan benih terkena larutan reaksi. Dalam penelitian ini, litografi dilakukan dengan bantuan selotip. Selotip dipola menggunakan pemotong kertas (Silhouette Cameo) untuk memotongnya menjadi bentuk yang diinginkan.
Karakterisasi
Morfologi struktur nano ZnO diamati dengan pemindaian mikroskop elektron (SEM) menggunakan instrumen TESCAN LYRA 3 XMH. Kawat mikro dipelajari menggunakan mikroskop optik (model D800; Nikon) yang dilengkapi dengan kamera digital (model LV-150; Nikon). LED putih digunakan sebagai sumber cahaya.
Replikasi Pola Menggunakan PDMS
Struktur nano ZnO fabrikasi akhir digunakan sebagai cetakan induk untuk replikasi. Replikasi dilakukan dengan menggunakan polydimethylsiloxane (PDMS), yang bercirikan murah, fleksibel, dan transparan secara optik. Pertama, dasar pra-polimer dicampur dengan bahan pengawet 10:1 dan gelembung dihilangkan dalam ruang vakum selama 1 jam untuk menghilangkan gelembung. Tuang di atas cetakan induk dan kukus selama 1 jam pada suhu 65 °C di dalam oven untuk menyelesaikan proses replikasi.
Hasil dan Diskusi
Serat nano yang selaras diperlukan untuk menghasilkan pola switching optik. Serat nano yang mengambang di udara disejajarkan menggunakan kolektor paralel yang dijelaskan di atas dan kemudian ditransfer ke substrat target (Gbr. 1a). Serat nano yang sejajar pada substrat target kemudian dipanaskan menggunakan pelat panas (500 °C) untuk menguraikan komponen polimer dan membentuk lapisan biji ZnO yang tipis (Gbr. 1b). Lapisan ini dapat ditumbuhkan secara hidrotermal untuk mendapatkan warna struktural yang diinginkan, dan bagian tempat terjadinya pertumbuhan hidrotermal dapat dikontrol dengan membuat pola area reaksi menggunakan teknik penyembunyian (Gbr. 1c). Kemudian, pola akhir diperoleh dengan melepas selotip atau pola tambahan dapat dilakukan dengan pola tambahan dan pertumbuhan hidrotermal.
Ilustrasi skema dari proses fabrikasi warna struktural seng oksida (ZnO) yang selaras. a Nanofiber electrospun dikumpulkan dalam arah vertikal antara elektroda paralel dan ditransfer ke substrat target. b Untuk menghilangkan komponen polimer dari nanofiber yang ditransfer, perlakuan panas dilakukan pada 500 °C untuk membentuk lapisan benih. c Pola dilakukan dengan menggunakan selotip, dan pertumbuhan hidrotermal dilakukan dalam penangas suhu konstan. d Melepaskan selotip menyelesaikan pola akhir. (Penutupan tambahan dan pertumbuhan hidrotermal memungkinkan terciptanya pola kompleks)
Gambar 2 menunjukkan warna struktural yang diperoleh dengan memvariasikan waktu pertumbuhan hidrotermal dari kawat mikro. Saat waktu pertumbuhan hidrotermal meningkat, ketebalan kawat mikro meningkat, yang menyebabkan sifat optik berubah. Gambar 2a menunjukkan waktu pertumbuhan hidrotermal yang meningkat dari kiri ke kanan sebesar 2 menit, dan gambar bawah menunjukkan sampel yang ditumbuhkan selama empat menit tambahan. Pola warna struktural dapat direproduksi untuk waktu sintesis tertentu, dan daerah reaksi dilokalisasi menggunakan metode penyembunyian. Gambar 2b menunjukkan sampel yang dibuat untuk membuat sampel dengan warna struktural cerah yang acak. Untuk menghasilkan warna acak, sampel dengan lapisan benih direndam secara acak ke dalam larutan penumbuh hidrotermal dengan cara mengocok sampel atau menyemprotkan larutan penumbuh hidrotermal pada substrat. Sampel warna acak dihasilkan, bebas dari garis masking. Gambar SEM yang lebih rendah menunjukkan bahwa kawat mikro dari berbagai dimensi diproduksi dengan berbagai segmen berwarna.
a Perubahan warna struktural sebagai fungsi waktu sintesis. b Gambar mikroskop elektron optik dan pemindaian dari serat nano menunjukkan pola warna struktural yang indah yang dapat dicapai dengan serat nano yang dibuat setelah waktu sintesis yang diacak
Gambar 3 menunjukkan bagaimana teknik berdasarkan metode fabrikasi kawat mikro ZnO ini dapat diperluas. Proses pembuatan warna struktural menggunakan kawat mikro ZnO tidak merugikan untuk produksi massal. Cara paling sederhana untuk memproduksi massal adalah dengan menggunakan cetakan. Gambar 3A dan A’ menunjukkan pola yang dihasilkan masing-masing menggunakan pola berstruktur nano ZnO pada substrat kaca dan pola duplikat menggunakan polidimetilsiloxane (PDMS). Dalam pola yang direplikasi menggunakan PDMS, bentuk struktur nano ZnO direplikasi secara utuh dalam PDMS (struktur nano ZnO tetap pada substrat kaca asli dan tidak dipindahkan ke pola PDMS). Gambar 3A adalah pola yang dibuat di atas kaca, sedangkan Gambar 3A’ adalah pola yang dibuat dengan PDMS; keduanya dibuat pada substrat transparan. Selain itu, Gbr. 3A merupakan citra optik sampel yang telah mengalami replikasi sebanyak 10 kali. Ini menegaskan bahwa pola dibuat dengan baik selama proses replikasi berulang. Dengan cara itu, kita bisa mengamati warna struktural ketika cahaya yang datang dari belakang menembus pola. Karena cahaya harus melewati pola, substrat transparan harus diterangi dari belakang, tetapi sumber cahaya, pola, dan detektor yang akan diamati tidak harus berada dalam satu garis. Warna struktural yang diamati pada sampel yang digandakan serupa. Gambar 3B menunjukkan contoh yang menunjukkan perubahan warna struktural melalui pertumbuhan tambahan dengan membatasi bagian yang akan ditumbuhkan setelah membuat warna struktural. Warnanya jelas berbeda satu sama lain. Gambar 3B’ menunjukkan hasil pemeriksaan dekat bagian berlabel B′ pada Gambar. 3B dengan mikroskop optik. Sebagian besar serat nano disejajarkan dengan baik dalam arah vertikal. Batas yang jelas terlihat antara bagian luar lingkaran berwarna kuning yang ditunjukkan oleh C dan bagian dalam lingkaran berwarna hijau yang ditunjukkan oleh D. Gambar 3C, D masing-masing menunjukkan gambar SEM dari C dan D. Sintesis lebih lanjut menyebabkan peningkatan dimensi kawat mikro secara keseluruhan, tetapi perubahan ukuran setiap struktur nano yang membentuk kawat mikro menyebabkan perubahan warna struktural. Gambar SEM menunjukkan bahwa ukuran masing-masing struktur nano juga telah meningkat, yang menyebabkan hamburan quasi-ordered.
a Pola warna struktural malaikat dan pola digandakan 1 kali (A’ ) dan 10 kali (A” ) menggunakan polidimetilsiloksan. b Pola dimana dua warna diperoleh dengan memvariasikan waktu sintesis dan (b’ ) gambar bagian tepi yang diamati dengan mikroskop optik. c , d Memindai gambar mikroskop elektron dari serat nano di bagian luar dan dalam b’
Perubahan warna struktural dengan sudut pandang. Struktur kami menampilkan fitur ini. Seperti disebutkan di atas, warna yang terlihat dari substrat transparan berbeda dari substrat yang memantulkan. Dengan substrat transparan, cahaya diamati melalui substrat, sedangkan dengan substrat pemantul, cahaya dipantulkan oleh substrat dan diamati langsung oleh mata kita. Di kedua lingkungan, karakteristik perubahan warna tergantung pada sudut pengamatan dipertahankan. Gambar 4a menunjukkan warna struktural yang dibuat pada substrat yang memantulkan (wafer silikon), dan Gambar 4b menunjukkan warna struktural yang dibuat pada substrat transparan (kaca). Jelas bahwa warna struktural berubah sesuai dengan sudut datang. Selain itu, tidak hanya perubahan warna dengan sudut pengamatan, tetapi penyelarasan serat nano memungkinkan pola menjadi lebih cerah atau tidak terlihat hanya dengan mengubah sudut datang. Jika cahaya datang sejajar dengan arah keselarasan serat nano, mereka hampir tidak memantulkan cahaya. Di sisi lain, jika cahaya datang secara tegak lurus, cahaya tersebut dipantulkan ke banyak arah, yang membuat susunan serat mudah dilihat (Gbr. 4c). Secara khusus, datangnya cahaya dalam arah tegak lurus adalah datang pada seluruh bagian silinder dari permukaan serat, yang menghasilkan visibilitas yang jelas karena dipantulkan dalam arah yang sangat lebar. Di sisi lain, cahaya yang datang dalam arah paralel hanya dapat dipantulkan dalam arah yang terbatas, sehingga jumlah total cahaya yang dipancarkan pasti kecil, sehingga tidak terlihat.
Perubahan warna pola struktur sebagai fungsi sudut datang pada a memantulkan substrat dan b substrat transparan. c Efek pada visibilitas pola dengan orientasi cahaya datang relatif terhadap arah penyelarasan serat nano. Kiri:tegak lurus, kanan:orientasi paralel
Kesimpulan
Kami membuat pola switching optik menggunakan struktur nano pewarnaan struktural yang dipesan. Struktur nano yang dibuat diwarnai sesuai dengan prinsip hamburan beraturan. Mengontrol waktu reaksi mempengaruhi ukuran struktur nano dan dengan demikian warna yang dapat diamati. Kami juga menggunakan electrospinning, yang merupakan metode paling umum untuk fabrikasi nanofibers, untuk membentuk lapisan benih yang selaras untuk membuat pola penyelarasan. Proses fabrikasi kami sangat fleksibel, karena proses electrospinning yang mengontrol posisi dan ukuran pola serta pertumbuhan hidrotermal yang mengontrol ukuran struktur nano ZnO dapat dimodifikasi secara independen. Setelah proses selesai, pola dapat dimodifikasi dengan sintesis atau etsa tambahan, dan pola yang telah selesai dapat diproduksi secara massal melalui replikasi menggunakan PDMS. Area berpola besar yang berubah warna dapat diproduksi, yang warnanya berubah sesuai dengan arah pandang dan arah transmisi cahaya. Kami berhasil membuat pola peralihan optik, yang polanya hanya terlihat di satu sisi dengan menyelaraskan serat nano di sepanjang satu arah. Kami berharap metode pembuatan pola kami akan menemukan aplikasi luas dalam aplikasi seperti sensor gas dan tag anti-gangguan.
