Abbildung 1: Grafische Zusammenfassung der Studie. Technik und Ladungen des Nahfeld-Elektrospinnens (NFES). Das IBS-Team gelang es, die Nanofaser-Abscheidung Schicht für Schicht präzise zu steuern, indem der Polymerlösung lediglich Salz zugesetzt wurde. Optische Bilder der 3D-gedruckten Nanofasern wurden mit Lösungen hergestellt, die aus (i) nur Polymerpoly (ethylenoxid) (PEO), (ii) PEO und Salz und unter Verwendung einer leitenden Plattform und (iii) PEO und Salz unter Verwendung eines Isoliermaterials hergestellt wurden Plattform. In (i) ist die Nanostruktur nicht gut ausgerichtet, da die abgeschiedenen Fasern eine schwache positive Oberflächenladung aufweisen, aber die Zugabe von Salz die Leitfähigkeit der Ausgangslösung und die Anziehungskraft zwischen dem Nanofaserstrahl und den abgeschiedenen Fasern erhöht. Eine Isolierplatte aus Kieselsäure reduzierte den Effekt und bestätigte die Hypothese. Dank dieser Technik konstruierten IBS-Forscher Nanowände mit der gewünschten Höhe und Anzahl von Schichten. Kredit: Institut für Grundlagenforschung

Nanowände, Nanobrücken, Nano- "Klettergerüste": Es könnte wie die Beschreibung eines Liliputanerdorfs aussehen, aber es handelt sich um 3D-gedruckte Komponenten mit potenziellen Anwendungen in der Nanoelektronik, intelligenten Materialien und biomedizinischen Geräten. Forscher am Zentrum für weiche und lebende Materie (CSLM) des Instituts für Grundlagenforschung (IBS, Südkorea) haben einen 3-D-Nanodruckprozess verbessert, der selbstgestapelte, hohe, schmale Nanostrukturen erzeugt.

Wie in ihrer neuesten Veröffentlichung in Nano Letters ("Nahfeld-Elektrospinnen für dreidimensional gestapelte Nanoarchitekturen mit hohen Aspektverhältnissen") gezeigt, verwendete das Team diese Technik auch, um transparente Nanoelektroden mit hoher optischer Transmission und kontrollierbarer Leitfähigkeit herzustellen.

Die Nahfeld-Elektrospinntechnik (NFES) besteht aus einer Spritze, die mit einer Polymerlösung gefüllt ist, die über einer Plattform hängt, die die ausgestoßene Nanofaser sammelt und so vorprogrammiert ist, dass sie sich je nach Bedarf nach links und rechts hin und her bewegt Form des gewünschten Endprodukts. Die Spritze und die Plattform haben entgegengesetzte Ladungen, so dass der aus der Nadel austretende Polymerstrahl von der Plattform angezogen wird und eine kontinuierliche Faser bildet, die sich auf der Plattform verfestigt.

Da die elektrogesponnenen Strahlen schwer zu handhaben sind, war diese Technik auf zweidimensionale (2-D) Strukturen oder hohlzylindrische dreidimensionale (3-D) Strukturen beschränkt, oft mit relativ großen Faserdurchmessern von einigen Mikrometern.

IBS-Forscher konnten eine bessere Kontrolle der Nanofaserablagerung auf der Plattform erzielen, indem der Polymerlösung eine geeignete Konzentration an Natriumchlorid (NaCl) zugesetzt wurde. Dies stellte die spontane Ausrichtung der übereinander gestapelten Nanofaserschichten zur Bildung von Wänden sicher.

Abbildung 2: Verschiedene 3D-gedruckte 40-Lagen-High-Nanoarchitekturen, die mit verschiedenen Funktionsmaterialien beschichtet sind. (A) Gerade Nickel-Nanowände. (B) Gebogene Goldnanowände. (C) Silica-Gittermuster. (D) Zinkoxid-Nanobrücken, die zwischen Nanowänden suspendiert sind. Kredit: Institut für Grundlagenforschung

"Obwohl es auf verschiedenen Gebieten sehr gut anwendbar ist, ist es schwierig, gestapelte Nanofasern mit mehreren Designs unter Verwendung der herkömmlichen Elektrospinntechniken zu bauen", sagt Yoon-Kyoung Cho, der entsprechende Autor der Studie. "Unser Experiment hat gezeigt, dass Salz den Trick gemacht hat."

Der Nutzen von Salz hängt von den Gebühren ab. Der Spannungsunterschied zwischen der Spritze und der Plattform erzeugt positive Ladungen in der Polymerlösung und negative Ladungen in der Plattform, aber eine verbleibende positive Ladung verbleibt in den verfestigten Fasern auf der Plattform. Das Team stellte fest, dass das Aufbringen von Salz auf die Polymerlösung die Ladungsableitung verbessert, was zu einer höheren elektrostatischen Anziehungskraft zwischen dem Nanofaserstrahl und den auf der Plattform abgelagerten Fasern führt.

Basierend auf diesem Mechanismus war das Team in der Lage, hohe und schmale Nanowände mit einer Mindestbreite von rund 92 Nanometern und einer maximalen Höhe von 6, 6 Mikrometern herzustellen und eine Vielzahl von 3-D-Nanoarchitekturen wie gekrümmte Nanowand-Arrays, Nano, zu konstruieren "Klettergerüste" und Nanobrücken mit steuerbaren Abmessungen.

Abbildung 3: Mit Silber bedeckte und in transparente Nanoelektroden eingebettete Nanowände. Der Aufbau wurde verwendet, um die Widerstandsabstimmbarkeit der Elektroden, die 3D-Nanodrähte unterschiedlicher Höhe (von 20 bis 100 Schichten Nanofasern) enthielten, basierend auf einem LED-Intensitätsvergleich zu identifizieren. Das Zentrum für weiche und lebendige Materie befindet sich am Nationalen Institut für Wissenschaft und Technologie (UNIST) in Ulsan.

Um die mögliche Anwendung dieser Nanostrukturen zu demonstrieren, stellten die Forscher in Zusammenarbeit mit Hyunhyub Ko, Professor am Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), 3-D-Nanoelektroden mit silberbeschichteten Nanowänden her, die in transparente und flexible Polydimethylsiloxan (PDMS) -Folien eingebettet waren . Sie bestätigten, dass der elektrische Widerstand auf die Anzahl der Nanofaserschichten abgestimmt werden konnte (je höher die Nanowände, desto kleiner der Widerstand), ohne die Lichtdurchlässigkeit zu beeinträchtigen.

Interessanterweise kann dieses Verfahren möglicherweise den Kompromiss zwischen optischer Durchlässigkeit und Schichtwiderstand in transparenten Elektroden vermeiden. Arrays aus 3-D-Silbernanodrähten aus 20, 40, 60, 80 oder 100 Schichten Nanofasern wiesen eine variable Leitfähigkeit auf, waren jedoch stabil Lichtdurchlässigkeit von rund 98 Prozent ", schließt Yang-Seok Park, der erste Autor der Studie.