Rekbare, Fluorfrije Superhydrofobe Silicone Oppervlakken Gefabriceerd door Femtoseconde Laser Texturering

Samenvatting

Hoog rekbare en duurzame superhydrofobe oppervlakken zijn van groot belang voor diverse toepassingen. In deze studie produceerden we dergelijke oppervlakken op Ecoflex silicone elastomer met behulp van een femtoseconde laser textureringsbenadering. De resulterende materialen kunnen rek tot 400% weerstaan zonder verlies van waterafstoting; integendeel, rekken versterkt hun hydrofobiciteit. We demonstreren ook een rek-geïnduceerde overgang van een "bloemblaadje" naar een "lotus" benettingsstaat, wat reversibele druppel vastleggen en vrijgeven mogelijk maakt. Deze gelaserde oppervlakken zijn fluorfrij, mechanisch robuust, en geschikt voor schaalbare productie, wat ze aantrekkelijk maakt voor microfluïdica, biomedische apparaten, en slimme textiel.

Achtergrond

Kunstmatige superhydrofobe oppervlakken spelen een cruciale rol in toepassingen zoals wrijvingsreductie, anti-biofouling, microfluïdische manipulatie, anti-bevriezing, wateropvang, en draagbare elektronica. Voor gebruik in kunstmatige huid en draagbare apparaten, moet het ideale oppervlak hoge rekbaarheid, duurzaamheid, biocompatibiliteit, en eenvoudige fabricage combineren. Traditioneel vereiste het bereiken van rekbaarheid het patroneren van starre substraten of het depositie van micro/nanodeeltjes op voor-gerekte elastomers, benaderingen die complex zijn en vaak afhankelijk zijn van vluchtige organische oplosmiddelen, in conflict met groene productieprincipes.

Femtoseconde laser verwerking biedt een schone, snelle route om hiërarchische micro/nanostructuren te creëren op zowel harde als flexibele substraten. Eerder werk richtte zich op PTFE en PDMS; echter, PTFE's onomkeerbare deformatie en PDMS's beperkte modulus beperken superhydrofobe prestaties tot reken onder 100%. Ecoflex, een ultra-zacht silicone elastomer capabel van 500% rek en biocompatibele huid-achtige compliantie, presenteert een aantrekkelijk substraat voor laser texturering. Hier rapporteren we, voor het eerst, de fabricage van hoog rekbare, duurzame, en fluorfrije superhydrofobe oppervlakken op Ecoflex via femtoseconde laser ablatie, met afstemmbare adhesie en rek-verbeterde waterafstoting.

Methoden en Experiment

Materialen

Het flexibele rubber (Ecoflex 00-20) werd gekocht van Smooth-On, Inc., VS.

Bereiding van Silicone Elastomers

Zoals geïllustreerd in Fig. 1a, werd een 2 mm dikke Ecoflex vellen geproduceerd door vloeibare delen A en B in een 1:1 volumeverhouding te mengen en 12 uur bij kamertemperatuur in een vorm te laten uitharden.

Fabricage van Elastomere Superhydrofobe Oppervlakken

Micro/nanostructuren werden geproduceerd door lijn-voor-lijn femtoseconde laser ablatie in lucht (Fig. 1b). Het elastomer werd gemonteerd op een nanotechnologie podium (XY-Tripod-Theta 6-As Systeem, Alio Industries) en bestraald door een Ti:saffier femtoseconde laser (LIBRA, Conherent Inc., CA, VS) met een 100 fs pulsgrootte, 1 kHz herhalingssnelheid, en 800 nm golflengte. Een ×10 objectief (NA 0,24) focuste de bundel; de scansnelheid was vastgezet op 2 mm s⁻¹. Door de scanafstand en laserfluens te variëren, optimaliseerden we de oppervlaktemorfologie voor superhydrofobe prestaties.

Karakterisering

Oppervlaktemorfologie werd onderzocht met een scanning elektronenmicroscopie (SEM, JEOL JSM-7001F) en een laserscanning confocal microscopie (OLYMPUS, OSL4100). Energie-dispersieve röntgenspectroscopie (EDS) beoordeelde chemische veranderingen. Contacthoeken (CH) en glijthoeken (GH) werden gemeten met een contacthoekmeter (SEO PHOENIX).

Resultaten en Discussie

Structuur en Superhydrofobe Eigenschappen

Superhydrofobiciteit ontstaat uit hiërarchische oppervlaktetopografie geïntpireerd door natuurlijke oppervlakken. Lage-adhesie (LA) oppervlakken, gelijkend op lotusbladeren, vertonen glijthoeken onder 10°, terwijl hoge-adhesie (HA) oppervlakken, gelijkend op rozenblaadjes, druppels behouden zelfs wanneer omgekeerd. Door laserparameters aan te passen, fabriceren we beide morfologieën op Ecoflex.

Figuren 1c en 2a–c tonen het benettingsgedrag en de oppervlaktemorfologieën van de gelaserde silicone elastomers. Het HA oppervlak (GH = 180°) toont een contacthoek (CH) van 153,1° bij een laserfluens van 45,4 J cm⁻² en een 10 µm afstand. Het verhogen van de afstand verlaagt CH (naar 128° bij 80 µm) en transformeert het oppervlak van LA naar HA. EDS-spectra (Fig. 2d, e) onthullen verwaarloosbare chemische verandering, behalve een lichte toename in zuurstofinhoud.

SEM-afbeeldingen onthullen een micro-rug netwerk bedekt door 100–200 nm nanodeeltjes, gevormd door snelle afkoeling van de gelokaliseerde smelt. De rugranden herbergen rijke nanodeeltjes, wat een Cassie-Baxter benettingsstaat en lage adhesie creëert; de rugcentra, zonder nanostructuren, ondersteunen een Wenzel staat en hoge adhesie. Door een laserfluens van 136,2 J cm⁻² en afstanden van 30 µm (LA) en 50 µm (HA) te selecteren, bereikten we de gewenste benettingsregimes.

Rek-gemoduleerde Structuren en Benetting

We onderzochten CH en GH als functies van rek toegepast loodrecht (⊥) en parallel (∥) aan de scannrichting. De rek ε = (L – L₀)/L₀. Figuur 3a,b illustreren hoe de rugperiode en groefbreedte evolueren onder rek. Parallel rekken comprimeert het rooster, verkort de periode en vernauwt groeven; de rugcentra vouwen en worden omhuld door omringende micro/nanostructuren (Fig. 3e). Bij 400% rek vermindert de periode tot 20–30 µm (Fig. 3d), wat de oppervlaktetopografie verrijkt. Loodrecht rekken verlengt de periode en groefbreedte terwijl de ruggeometrie behouden blijft (Fig. 3f–h), wat een secundaire 10 µm rugarray aan de groefbodem creëert.

Figuur 4 toont dat zowel LA als HA oppervlakken verbeterde superhydrofobiciteit vertonen met toenemende rek, in tegenspraak met eerdere rapporten. Voor het HA oppervlak stijgt CH van 144,4° bij 100% rek naar 153,6° bij 400% rek, terwijl GH daalt tot 12°. De overgang van een "vastpinnen" staat (druppel vast zelfs omgekeerd) naar een "rollen" staat (druppel glijdt bij 43° kanteling) treedt op rond 200% rek. Parallel en loodrecht rekken leveren vergelijkbare trends op, met het HA oppervlak een maximum CH van 156,6° en een minimum GH van 9° bereikend bij 400% rek.

Mecanisme van Rek-verbeterde Waterafstoting

De verbetering ontstaat uit morfologieveranderingen in plaats van chemische transformaties, zoals bevestigd door EDS en de onveranderde CH van pristine Ecoflex na 400% rek (Fig. 5). We modelleren de benettingsstaat als een combinatie van Cassie-Baxter (luchtkaviteiten aan rugranden) en Wenzel (volledig contact aan rugcentra). Vergelijking (3) toont aan dat het verhogen van de ruwheidsfactor r (vanwege nieuw gevormde micro-rug vouwing) of het verlagen van de vaste fractie f_S (vanwege bredere groeven) de schijnbare contacthoek verhoogt. Loodrecht rekken verlaagt f_S door groefbreedte te vergroten, terwijl parallel rekken r verhoogt door hiërarchische kenmerken toe te voegen, beide bijdragend aan hogere CH en lagere adhesie.

Duurzaamheid

Duurzaamheid werd beoordeeld door herhaalde kneden en torsiecycli. Het LA oppervlak behield zijn superhydrofobiciteit na 50 cycli (Fig. 7a). Voor het HA oppervlak voerden we 50 rek-ontspanningscycli uit bij 300% rek in beide richtingen; de CH en GH bleven stabiel over alle cycli (Fig. 7b,c), wat hoge reversibiliteit en mechanische robuustheid bevestigt.

Druppel Transport

De reversibele vastpinnen-naar-rollen overgang maakt verliesvrije druppeloverdracht mogelijk. Een 5 µL waterdruppel geplaatst op een LA oppervlak wordt vastgelegd door een naderend HA oppervlak door hoge adhesie; daaropvolgend rekken verlaagt adhesie, wat de druppel toestaat vrij te geven en onder zwaartekracht te vallen. Een supplementaire video demonstreert de volledige cyclus (Aanvullend bestand 1: Video S1). De eenvoud van dit mechanisme maakt het geschikt voor geautomatiseerde microfluïdische afhandeling, en de schaalbaarheid van femtoseconde laser verwerking met hoge-vermogen (>100 W) lasers en hoge-snelheid galvanometers suggereert industriële haalbaarheid.

Conclusies

We hebben, voor het eerst, fluorfrije superhydrofobe oppervlakken op Ecoflex silicone elastomer gedemonstreerd die reken tot 400% weerstaan terwijl ze waterafstoting handhaven—en zelfs verbeteren. Door laserfluens en afstand af te stemmen, bereikten we zowel LA als HA morfologieën, en rek-geïnduceerde overgangen van vastpinnen naar rollen staten maken reversibele druppel vastleggen en vrijgeven mogelijk. De oppervlakken vertonen uitstekende duurzaamheid onder herhaalde mechanische cycli en zijn compatibel met schaalbare femtoseconde laser fabricage. Deze hoog rekbare, controleerbare, en robuuste oppervlakken houden grote belofte voor biomedische apparaten, microfluïdische systemen, en slimme draagbare technologieën.