Figur 1:Grafisk sammanfattning av studien. Near-field electrospinning (NFES) teknik och laddningar. IBS-teamet uppnådde exakt kontroll av lager-för-lager avsättning av nanofiber genom att bara tillsätta salt till polymerlösningen. Optiska bilder av de 3D-tryckta nanofibrerna framställdes med lösningar gjorda av:(i) endast polymerpoly(etylenoxid) (PEO), (ii) PEO och salt och med användning av en ledande plattform, och (iii) PEO och salt med användning av en isolerande plattform. I (i), nanostrukturen är inte väl anpassad, eftersom de avsatta fibrerna har en svag positiv ytladdning, men tillsats av salt ökar konduktiviteten hos startlösningen och attraktionen mellan nanofiberstrålen och de avsatta fibrerna. En isoleringsplatta gjord av kiseldioxid minskade effekten, bekräftar hypotesen. Tack vare denna teknik, IBS forskare konstruerade nanoväggar med önskad höjd och antal lager. Kredit:Institutet för grundvetenskap
Nanoväggar, nanobroar, nano "djungelgym":Det kan tyckas som beskrivningen av en Lilliputian by, men dessa är faktiska 3-D-tryckta komponenter med potentiella tillämpningar inom nanoelektronik, smarta material och biomedicinska apparater. Forskare vid Center for Soft and Living Matter (CSLM), inom Institutet för grundvetenskap (IBS, Sydkorea) har förbättrat en 3-D nanoprintprocess som producerar självstaplade, lång, smala nanostrukturer.
Som framgår av deras senaste publikation i Nanobokstäver ("Närfältselektrospinning för tredimensionella staplade nanoarkitekturer med höga bildförhållanden"), teamet använde också denna teknik för att producera transparenta nanoelektroder med hög optisk transmission och kontrollerbar konduktivitet.
Near-field electrospinning (NFES)-tekniken består av en spruta fylld med en polymerlösning upphängd ovanför en plattform, som samlar upp den utskjutna nanofibern och är förprogrammerad att röra sig åt vänster och höger, fram och tillbaka, beroende på formen på den önskade slutprodukten. Sprutan och plattformen har motsatta laddningar så att polymerstrålen som kommer ut från nålen attraheras till plattformen, bildar en kontinuerlig fiber som stelnar på plattformen.
Eftersom de elektrospunna strålarna är svåra att hantera, denna teknik var begränsad till tvådimensionella (2D) strukturer eller ihåliga cylindriska tredimensionella (3D) strukturer, ofta med relativt stora fiberdiametrar på några mikrometer.
IBS-forskare kunde uppnå bättre kontroll över avsättningen av nanofiber på plattformen genom att tillsätta en lämplig koncentration av natriumklorid (NaCl) till polymerlösningen. Detta säkerställde den spontana inriktningen av nanofiberskikten staplade ovanpå varandra som bildar väggar.
Figur 2:Olika 3D-printade 40-lagers höga nanoarkitekturer belagda med olika funktionsmaterial. (A) Raka nickel nanoväggar. (B) Böjda guld nanoväggar. (C) Silica rutmönster. (D) Zinkoxid nanobryggor upphängda mellan nanoväggar. Kredit:Institutet för grundvetenskap
"Även om det är mycket tillämpligt på olika områden, det är svårt att bygga staplade nanofibrer med flera mönster med konventionella elektrospinningstekniker, " säger Yoon-Kyoung Cho, motsvarande författare till studien. "Vårt experiment visade att salt gjorde susen."
Fördelen med salt är relaterad till avgifterna. Skillnaden i spänning mellan sprutan och plattformen skapar positiva laddningar i polymerlösningen och negativa laddningar i plattformen, men en återstående positiv laddning stannar i de stelnade fibrerna på plattformen. Teamet fann att applicering av salt på polymerlösningen förbättrar laddningsavledningen, vilket leder till högre elektrostatisk attraktion mellan nanofiberstrålen och fibrerna som avsätts på plattformen.
Baserat på denna mekanism, teamet kunde producera höga och smala nanoväggar med en minsta bredd på cirka 92 nanometer och en maximal höjd på 6,6 mikrometer, och konstruera en mängd olika 3D nanoarkitekturer, såsom böjda nanoväggar, nano "djungelgym, " och nanobryggor med kontrollerbara dimensioner.
Figur 3:Nanoväggar täckta med silver och inbäddade i transparenta nanoelektroder. Inställningen användes för att identifiera resistansavstämningsförmågan hos elektroderna som innehöll 3D nanotrådar av olika höjd (från 20 till 100 lager av nanofibrer), baserat på en LED-intensitetsjämförelse. Centrum för mjuk och levande materia ligger vid Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST).
För att demonstrera den potentiella tillämpningen av dessa nanostrukturer, forskarna i samarbete med Hyunhyub Ko, professor vid Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), preparerade 3-D nanoelektroder med silverbelagda nanoväggar inbäddade i transparenta och flexibla polydimetylsiloxan (PDMS) filmer. De bekräftade att det elektriska motståndet kunde justeras med antalet nanofiberlager (ju högre nanoväggar, ju mindre motstånd) utan att påverka ljustransmissionen.
"Intressant, denna metod kan potentiellt undvika avvägningen mellan optisk transmittans och arkresistans i transparenta elektroder. Matriser av 3-D silver nanotrådar gjorda med 20, 40, 60, 80, eller 100 lager av nanofibrer hade variabel ledningsförmåga, men stabil ljusgenomsläpplighet på cirka 98 procent, " avslutar Yang-Seok Park, studiens första författare.
