Merancang Pola Warna Struktural Bergantung Sudut dengan Nanofiber ZnO Terarah
Abstrak
Kami merancang warna struktural dengan menggabungkan elektrospinning lapis benih nanofiber ZnO dengan pertumbuhan hidrotermal yang waktu-nya diatur dengan tepat. Fiber yang rata menghasilkan pola perpindahan optik yang penampilannya bervariasi tergantung sudut insiden cahaya. Replikasi dalam polydimethylsiloksaan (PDMS) menunjukkan bahwa proses ini terukur, dapat disesuaikan, dan dapat diterima modifikasi pasca-proses.
Latar Belakang
Warna struktural menawarkan kelebihan dibanding pigmen konvensional, termasuk ramah lingkungan, ketahanan terhadap degradasi fotokimia, dan kemampuan untuk menghasilkan pola bergantung sudut yang tidak mungkin dengan pigmen tradisional. Properti ini telah menarik minat di seluruh tekstil, cat, kosmetika, cetakan keamanan, dan teknologi sensor. Pekerjaan terbaru menunjukkan bahwa nanostruktur oksida seng (ZnO) menunjukkan warna melalui pencaran hampir teratur, yang diatur oleh ukuran dan jarak nanostruktur.
Pencaran hampir teratur memerlukan lapis benih yang memfasilitasi pertumbuhan hidrotermal. Lapis benih menentukan geometri pola, dan karena sintesis hidrotermal terjadi dalam larutan air pada 40–80 °C, wilayah pertumbuhan ditentukan oleh tata letak lapis benih. Untuk memproduksi pola perpindahan optik, lapis benih nanofiber yang rata adalah penting. Elektrospinning, metode paling umum untuk menghasilkan nanofiber, dapat disesuaikan untuk merata fiber dalam keadaan melayang antara elektroda paralel, yang memungkinkan transfer lapis benih yang berorientasi ke substrat. Pendekatan ini menghindari kompleksitas dan biaya pola berbasis fotolitografi.
ZnO ideal untuk pola ini karena indeks biasnya yang tinggi (n = 2,0034) dan rute sintesis yang serbaguna. Metode yang disajikan di sini dapat menghasilkan pola warna yang visually menarik atau dapat disesuaikan untuk aplikasi sensor gas dan anti-tamper.
Metode Eksperimental
Bahan-bahan
Polyvinylpirrolidon (PVP, MW = 1.300.000) dari Alfa Aesar; ammonia (28–30 % v/v), klorida seng, nitrat seng heksahidrat dari Junsei Chemical; asam klorida dan N,N-dimetilformamida (DMF) dari Sigma-Aldrich. Semua reagen digunakan sebagaimana adanya.
Kondisi Elektrospinning
Elektrospinning dilakukan pada 25 °C dan kelembaban relatif 15–20 %. Larutan DMF yang berisi 500 mM Zn(NO₃)₂ dan 0,2 g mL⁻¹ PVP digunakan. Jarak ujung-kolektor 50 mm dan tegangan terapkan 6,5 kV menghasilkan fiber yang rata antara elektroda aluminium paralel (3 cm × 2 cm). Fiber yang rata dipindahkan ke substrat kaca atau silikon.
Pembuatan Nanostruktur ZnO
Nanofiber elektrospinning dipanaskan pada 500 °C untuk mengurai PVP dan membentuk lapis benih ZnO. Pertumbuhan hidrotermal dilakukan dalam larutan ZnCl₂ 10 mM, dipanaskan hingga 40–80 °C. Ammonia (5 µL mL⁻¹) ditambahkan untuk meningkatkan pH di atas 10, memicu presipitasi Zn²⁺ dan nukleasi ZnO. Waktu pertumbuhan bervariasi untuk mengontrol dimensi nanostruktur.
Pola Mikrowire ZnO
Tape masking yang diatur pola dengan pemotong kertas (Silhouette Cameo) menentukan wilayah pertumbuhan hidrotermal. Tape dilepas setelah pertumbuhan untuk mengungkap pola warna struktural.
Karakterisasi
Mikroskopi elektron pemindai (SEM) dilakukan dengan TESCAN LYRA 3 XMH. Mikroskopi optik (Nikon D800) dengan LED putih menerangi sampel.
Replikasi Menggunakan PDMS
PDMS (dasar:agen pengkristalan = 10:1) di-degas dalam ruang vakum selama 1 jam, dituangkan di atas master ZnO, dan dikristalkan pada 65 °C selama 1 jam. Replika PDMS yang dihasilkan mempertahankan morfologi nanostruktur sambil tetap fleksibel dan transparan.
Hasil dan Pembahasan
Nanofiber yang rata dikumpulkan dalam orientasi vertikal antara elektroda paralel (Fig. 1a), dipindahkan ke substrat, dan dipanaskan untuk membentuk lapis benih ZnO (Fig. 1b). Pertumbuhan hidrotermal terjadi hanya di wilayah yang di-mask (Fig. 1c), menghasilkan pola warna struktural yang diinginkan. Penghapusan tape selanjutnya menghasilkan desain akhir (Fig. 1d). Langkah masking dan pertumbuhan tambahan memungkinkan pencipta pola kompleks.
Ilustrasi skematik proses pembuatan warna struktural ZnO yang rata. a Nanofiber elektrospinning dikumpulkan antara elektroda paralel dan dipindahkan ke substrat. b Perawatan panas pada 500 °C menghilangkan polimer dan membentuk lapis benih. c Masking dan pertumbuhan hidrotermal menciptakan pola. d Pengeliminasi tape mengungkap struktur akhir. (Langkah masking dan pertumbuhan tambahan memungkinkan desain yang lebih rumit)
Gambar 2 menunjukkan bagaimana warna struktural berkembang seiring waktu pertumbuhan hidrotermal. Pertumbuhan yang lebih lama meningkatkan ketebalan mikrowire, menggeser respons optik. Pola tetap dapat direproduksi untuk setiap waktu sintesis, dan wilayah yang di-mask membatasi pertumbuhan secara tepat. Pola acak yang cerah dicapai dengan merendam lapis benih dalam larutan pertumbuhan tanpa masking, menghasilkan distribusi seragam warna (Fig. 2b). Citra SEM mengonfirmasi dimensi mikrowire yang beragam yang sesuai dengan variasi warna.
a Perubahan warna struktural sebagai fungsi waktu sintesis. b Citra optik dan SEM nanofiber yang menggambarkan variasi warna yang dicapai dengan waktu pertumbuhan acak.
Gambar 3 menunjukkan skalabilitas pendekatan ini. Pola ZnO pada kaca direplikasi dalam PDMS (Fig. 3A dan 3A’). Replika PDMS mempertahankan geometri nanostruktur, dan pola bertahan selama siklus replikasi berulang (10×), mengonfirmasi ketahanan. Pertumbuhan hidrotermal tambahan pada wilayah yang diatur pola menghasilkan warna yang berbeda (Fig. 3B dan 3B’), menunjukkan bahwa modifikasi pasca-pertumbuhan dapat dilakukan. SEM mengonfirmasi bahwa dimensi mikrowire yang meningkat mengubah pencaran hampir teratur dan sehingga warna.
a Pola warna struktural malaikat dan duplikasi setelah replikasi PDMS 1× (A’) dan 10× (A”). b Pola dengan dua warna berbeda yang diperoleh dengan memvariasi waktu sintesis (b’) dan mikrogram optiknya. c, d Citra SEM dari wilayah luar (kuning) dan dalam (hijau) dari (b’).
Ketergantungan sudut warna struktural diverifikasi pada substrat reflektor (wafer silikon) dan transparan (kaca) (Fig. 4a,b). Warna bergeser dengan sudut insiden, dan nanofiber yang rata menghasilkan efek perpindahan optik: ketika cahaya mengenai tegak lurus terhadap perataan fiber, pola terang; ketika cahaya paralel, pola menjadi hampir tidak terlihat. Visibilitas arah ini timbul dari arah pencaran yang terbatas untuk insiden paralel versus pencaran yang luas untuk insiden tegak lurus.
Perubahan warna pola struktural sebagai fungsi sudut insiden pada substrat a reflektor dan b transparan. c Efek orientasi cahaya terhadap perataan nanofiber: tegak lurus (kiri) vs paralel (kanan).
Kesimpulan
Kami berhasil memfabrikasi pola perpindahan optik dengan merata nanofiber ZnO dan mengontrol waktu pertumbuhan hidrotermal untuk menyesuaikan warna struktural. Metode ini memanfaatkan elektrospinning untuk orientasi lapis benih yang presisi dan memungkinkan penyesuaian terpisah dari perataan fiber dan ukuran nanostruktur. Replikasi PDMS mengonfirmasi skalabilitas proses, memungkinkan pola bergantung sudut luas area yang cocok untuk sensor, tag anti-tamper, dan aplikasi dekoratif.
