Permukaan Silikon Superhidrofobik Fleksibel Bebas Fluor yang Dibuat dengan Teksturisasi Laser Femtosekon
Abstrak
Permukaan superhidrofobik yang sangat fleksibel dan tahan lama sangat diminati untuk berbagai aplikasi. Dalam studi ini, kami membuat permukaan tersebut pada elastomer silikon Ecoflex menggunakan pendekatan teksturisasi laser femtosekon. Bahan yang dihasilkan dapat menahan regangan hingga 400 % tanpa kehilangan daya tolak air; justru, regangan meningkatkan hidrofobisitasnya. Kami juga menunjukkan transisi keadaan basah dari "petal" ke "lotus" yang diinduksi oleh regangan, yang memungkinkan tangkapan dan pelesiran titik air yang dapat dibalik. Permukaan yang diablasi laser ini bebas fluor, tahan mekanis, dan sesuai untuk produksi berskala, sehingga menarik untuk mikrofluida, perangkat biomedis, dan tekstil cerdas.
Latar Belakang
Permukaan superhidrofobik buatan memainkan peran penting dalam aplikasi seperti pengurangan geser[1], anti-biofouling[2], manipulasi mikrofluida[3], anti-bekuan[4,5,6], pengumpulan air[7], dan elektronika wearable[8]. Untuk digunakan dalam kulit buatan dan perangkat wearable, permukaan ideal harus menggabungkan fleksibilitas tinggi, daya tahan, biokompatibilitas, dan pembuatan yang sederhana. Secara tradisional, mencapai fleksibilitas memerlukan pola substrat kaku atau menyetapkan mikro/nanopartikel pada elastomer yang meregang[10,11], pendekatan yang kompleks dan seringkali mengandalkan pelarut organik volatil, bertentangan dengan prinsip manufaktur hijau.
Pengolahan laser femtosekon menawarkan jalur bersih dan cepat untuk membuat struktur mikro/nano hierarkis pada substrat kaku dan fleksibel[12–18]. Kerja sebelumnya difokuskan pada PTFE dan PDMS[20,21]; namun, deformasi tidak dapat dibalik PTFE[22] dan modulus yang terbatas PDMS membatasi kinerja superhidrofobik pada regangan di bawah 100%[21]. Ecoflex, elastomer silikon ultra-lunak yang mampu meregang hingga 500% dan kepatuhan kulit buatan yang biokompatibel[23,24], menawarkan substrat yang menarik untuk teksturisasi laser. Di sini kami melaporkan, untuk pertama kalinya, pembuatan permukaan superhidrofobik yang sangat fleksibel, tahan lama, dan bebas fluor pada Ecoflex melalui ablasi laser femtosekon, dengan adhesi yang dapat disesuaikan dan daya tolak air yang ditingkatkan oleh regangan.
Metode dan Eksperimen
Bahan
Karet fleksibel (Ecoflex 00-20) dibeli dari Smooth-On, Inc., AS.
Persiapan Elastomer Silikon
Seperti diilustrasikan pada Gambar 1a, lembar Ecoflex tebal 2 mm diproduksi dengan mencampur bagian cair A dan B dalam rasio volume 1:1 dan memerah dalam cetakan selama 12 jam pada suhu ruang[23].
a Proses pembuatan karet Ecoflex padat. b Skema konfigurasi perangkat dan proses pembuatan. c Efek parameter pemrosesan laser pada CA dan SA
Pembuatan Permukaan Superhidrofobik Elastomer
Struktur mikro/nano diproduksi dengan ablasi laser femtosekon baris demi baris dalam udara (Gambar 1b). Elastomer dipasang pada panggung nanoteknologi (Sistem Tripod-Theta 6-Axis XY, Alio Industries) dan diinfasir oleh laser femtosekon Ti:sapphire (LIBRA, Conherent Inc., CA, AS) dengan lebar pulsa 100 fs, tingkat pengulangan 1 kHz, dan panjang gelombang 800 nm. Objektif ×10 (NA 0,24) memfokuskan sinar; kecepatan pemindaian ditetapkan pada 2 mm s⁻¹. Dengan mengubah jarak pemindaian dan fluensi laser, kami mengoptimalkan morfologi permukaan untuk kinerja superhidrofobik.
Karakterisasi
Morfologi permukaan diperiksa dengan mikroskop elektron pemindai (SEM, JEOL JSM-7001F) dan mikroskop konfokal skanning laser (OLYMPUS, OSL4100). Spektroskopi sinar X dispersif energi (EDS) menilai perubahan kimia. Sudut kontak (CA) dan sudut geser (SA) diukur dengan meter sudut kontak (SEO PHOENIX).
Hasil dan Pembahasan
Struktur dan Sifat Superhidrofobik
Superhidrofobik timbul dari topografi permukaan hierarkis yang terinspirasi dari permukaan alami[26]. Permukaan adhesi rendah (LA), mirip daun lotus, menunjukkan sudut geser di bawah 10°[27], sementara permukaan adhesi tinggi (HA), mirip mawar, mempertahankan titik air bahkan saat terbalik[28]. Dengan menyesuaikan parameter laser, kami membuat kedua morfologi pada Ecoflex.
Gambar 1c dan 2a–c menunjukkan perilaku basah dan morfologi permukaan elastomer silikon yang diatur laser. Permukaan HA (SA = 180°) menunjukkan sudut kontak (CA) sebesar 153,1° pada fluensi laser 45,4 J cm⁻² dan jarak 10 µm. Peningkatan jarak mengurangi CA (ke 128° pada 80 µm) dan mengubah permukaan dari LA menjadi HA. Spektrum EDS (Gambar 2d, e) mengungkapkan perubahan kimia yang bisa diabaikan, kecuali kenaikan ringan dalam konten oksigen.
Gambar SEM mikrostruktur kasar yang diinduksi laser femtosekon dengan fluensi laser dan jarak pemindaian yang berbeda. a 45,4 J cm⁻², 10 µm. b 45,4 J cm⁻², 50 µm. c 136,2 J cm⁻², 50 µm. Rekam spektrum EDS untuk sampel asli (d) dan sampel yang diablasi laser (e)
Gambar SEM mengungkapkan jaringan mikro-ridging yang dilapisi nanopartikel 100–200 nm, yang dibentuk oleh pendinginan cepat leleh terlokalisir[30]. Tepi ridging menampung banyak nanopartikel, menciptakan keadaan basah Cassie-Baxter dan adhesi rendah; pusat ridging, yang tidak memiliki struktur nano, mendukung keadaan Wenzel dan adhesi tinggi. Dengan memilih fluensi laser 136,2 J cm⁻² dan jarak 30 µm (LA) dan 50 µm (HA), kami mencapai regime basah yang diinginkan.
Struktur yang Dimodulasi Regangan dan Basahi
Kami menyelidiki CA dan SA sebagai fungsi regangan yang diterapkan secara tegak lurus (⊥) dan sejajar (∥) dengan arah pemindaian. Regangan ε = (L – L₀)/L₀. Gambar 3a,b menggambarkan bagaimana periode ridging dan lebar ranjau berkembang di bawah regangan. Regangan sejajar menyepadkan gratings, memendekkan periode dan menyempitkan ranjau; pusat ridging melipat dan dilapisi oleh mikro/struktur nano di sekitarnya (Gambar 3e). Pada regangan 400%, periode menyusut menjadi 20–30 µm (Gambar 3d), melengkapi topografi permukaan. Regangan tegak lurus memperpanjang periode dan lebar ranjau sambil mempertahankan geometri ridging (Gambar 3f–h), menciptakan array ridging sekunder 10 µm di dasar ranjau.
Parameter struktur elastomer superhidrofobik HA yang diregang pada regangan 0–400% secara sejajar (a) dan tegak lurus (b). Morfologi permukaan elastomer superhidrofobik HA yang diregang pada regangan 400% secara sejajar (c–e) dan tegak lurus (f–h)
Gambar 4 menunjukkan bahwa permukaan LA dan HA keduanya menunjukkan superhidrofobikitas yang ditingkatkan dengan peningkatan regangan, berlawanan dengan laporan sebelumnya[21,32]. Untuk permukaan HA, CA naik dari 144,4° pada regangan 100% menjadi 153,6° pada regangan 400%, sementara SA turun menjadi 12°. Transisi dari keadaan "penangkap" (titik air terjebak bahkan saat terbalik) menjadi keadaan "menggulung" (titik air menggulung pada kemiringan 43°) terjadi sekitar regangan 200%. Regangan sejajar dan tegak lurus menghasilkan tren yang serupa, dengan permukaan HA mencapai CA maksimum 156,6° dan SA minimum 9° pada regangan 400%.
CA (a) dan SA (b) elastomer superhidrofobik pada nilai regangan sejajar yang berbeda. CA (c) dan SA (d) permukaan pada nilai regangan tegak lurus yang berbeda
Mekanisme Penolak Air yang Ditingkatkan oleh Regangan
Peningkatan berasal dari perubahan morfologi, bukan transformasi kimia, seperti yang dikonfirmasi oleh EDS dan CA Ecoflex asli yang tidak berubah setelah regangan 400% (Gambar 5). Kami memodelkan keadaan basah sebagai kombinasi Cassie-Baxter (kantong udara di tepi ridging) dan Wenzel (kontak penuh di pusat ridging). Persamaan (3) menunjukkan bahwa peningkatan faktor kekasaran r (karena lipatan ridging mikro yang baru terbentuk) atau penurunan fraksi padat f_S (karena ranjau yang lebih lebar) meningkatkan sudut kontak tampak. Regangan tegak lurus mengurangi f_S dengan menambah lebar ranjau, sementara regangan sejajar meningkatkan r dengan menambahkan fitur hierarkis, keduanya berkontribusi pada CA yang lebih tinggi dan adhesi yang lebih rendah.
a CA elastomer asli pada nilai regangan yang berbeda, dan gambar mikroskop elastomer asli dengan regangan (b) 0 dan (c) 400%
Ketahanan
Ketahanan dievaluasi dengan siklus pengulenan dan penggarukan berulang. Permukaan LA mempertahankan superhidrofobikitasnya setelah 50 siklus (Gambar 7a). Untuk permukaan HA, kami melakukan 50 siklus regangan-relaksasi pada regangan 300% di kedua arah; CA dan SA tetap stabil di seluruh siklus (Gambar 7b,c), mengonfirmasi reversibilitas tinggi dan ketahanan mekanis.
a Proses pengulenan dan penggarukan serta tes siklus regangan-relaksasi yang dilakukan secara (b sejajar dan (c tegak lurus untuk elastomer superhidrofobik HA
Pengangkutan Titik Air
Transisi reversible penangkap-ke-gulung memungkinkan transfer titik air tanpa kehilangan. Titik air 5 µL yang ditempatkan pada permukaan LA ditangkap oleh permukaan HA yang mendekat karena adhesi tinggi; regangan selanjutnya mengurangi adhesi, memungkinkan titik air melepaskan diri dan jatuh karena gravitasi. Video pelengkap menunjukkan siklus lengkap (File tambahan 1: Video S1). Kesederhanaan mekanisme ini membuatnya cocok untuk penanganan mikrofluida otomatis, dan skalabilitas pemrosesan laser femtosekon dengan laser daya tinggi (>100 W) dan galvanometer kecepatan tinggi[36,37] menunjukkan kelayakan industri.
Demonstrasi transfer titik air tanpa kehilangan menggunakan elastomer superhidrofobik HA yang dapat diregang
Kesimpulan
Kami telah menunjukkan, untuk pertama kalinya, permukaan superhidrofobik bebas fluor pada elastomer silikon Ecoflex yang dapat menahan regangan hingga 400 % sambil mempertahankan—dan bahkan meningkatkan—daya tolak air. Dengan menyesuaikan fluensi dan jarak laser, kami mencapai morfologi LA dan HA, dan transisi keadaan pinning-ke-rolling yang diinduksi oleh regangan memungkinkan tangkapan dan pelesiran titik air yang dapat dibalik. Permukaan ini menunjukkan daya tahan yang sangat baik di bawah siklus mekanis berulang dan kompatibel dengan pembuatan laser femtosekon yang dapat diskalakan. Permukaan yang sangat dapat diregang, dapat dikontrol, dan tahan lama ini menjanjikan aplikasi untuk perangkat biomedis, sistem mikrofluida, dan teknologi wearable cerdas.
Ketersediaan Data dan Bahan
Dataset yang dihasilkan dan/atau dianalisis selama studi ini tersedia dari penulis corrispondensi atas permintaan.
