Büyülü ışık kontrolü! Çin Elektronik Bilim ve Teknoloji Üniversitesi, malzemelerin yönlü büyümesini sağlamak için ortaklaşa yeni bir yöntem geliştiriyor
Doğal organik yapı, besinleri emen, taşıyan ve entegre eden bir büyüme yöntemi ile oluşturulur. Bunun yerine, kompozit mimariler, montaj, kalıplama, kesme ve baskı gibi temelde farklı yöntemlerle oluşturulur. Biyomühendislikte uygulanmasını incelemek için makul bir tasarım yoluyla büyüme davranışının nasıl daha iyi simüle edileceği, materyal araştırma ve geliştirmede önemli bir odak noktasıdır.
Son zamanlarda, Leibniz Yeni Malzemeler Enstitüsü / Almanya Elektronik Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'nden Profesör Cui Jiaxi ve Şangay Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'nden Profesör Zheng Yijun'un ekibi, ışıkla düzenlenen moleküler transfer kullanarak malzemelerin yönlü büyümesini sağladı. Araştırma sonuçları, "Pürüzlü yüzeyler yapmak için dinamik şişmiş alt tabakalardan ışıkla düzenlenmiş büyüme" başlıklı en iyi uluslararası Nature Communications dergisinde yayınlandı.
Makalede araştırma ekibi, fotoliz, fotopolimerizasyon ve transesterifikasyon reaksiyonlarını birleştirerek genişletilmiş bir dinamik substratın yüzeyinden mikro yapıların yerel büyümesini ayarlamak için ışık kaynaklı bir strateji bildirdi.
Yazara göre, fotoliz, şişme kabiliyetini arttırmak için ayrışabilir iyonik gruplar oluşturmak için kullanılır, böylece polimerize edilebilir bileşenler içeren besin çözeltisini ışınlanmış alana yönlendirir, fotopolimerizasyon polimerize edilebilir bileşenleri polimerlere dönüştürür ve transesterifikasyon reaksiyonu Yeni oluşturulan polimer, orijinal ağ yapısına dahil edilir.
Bu ışıkla düzenlenen büyüme, uzaysal olarak kontrol edilebilir ve doza bağımlıdır ve büyüme yapısının boyutunun, bileşiminin ve mekanik özelliklerinin ince ayarına izin verir. Araştırma ekibi ayrıca, bu yöntemin yüzey mikro yapılarının hazırlanmasında ve büyük ölçekli yüzey hasarının kurtarılmasında uygulandığını gösterdi.
Canlı organizmalar, bir büyüme modeli aracılığıyla çeşitli büyüleyici mikro yapılar oluşturabilir. Doğal büyüme sürecinde besinler vücuda emilir, içeriye taşınır ve ardından iç kodun talimatlarına göre organizmaya entegre edilir. Doğadaki bu tamamen dinamik ve açık yaklaşımın aksine, sentetik malzemeler kendi kendini düzenleyen bir mekanizmaya sahiptir ve malzemenin bütünlüğünden ödün vermeden dış kaliteyi sürekli olarak absorbe edemez.
Çalışma, şişmiş substrat yüzeyinden mikro yapıların yerel büyümesini kontrol etmek için bir ışık modülasyon stratejisi bildirdi. Tasarımında, matriste hapsolmuş sıvı bileşenlerin taşınmasına rehberlik etmek ve sıvıdaki polimerize edilebilir bileşenleri polimerlere dönüştürmek için üç reaksiyon-fotoliz, fotopolimerizasyon ve transesterifikasyon reaksiyonu bir araya getirilmiştir. Ve yeni oluşan ve orijinal polimerleri yeniden yapılandırın. Bu reaksiyonların sonucu, mikro yapıların herhangi bir ön programlama olmadan doğrudan düz bir substrattan büyütülebilmesidir. Geliştirilen ışıkla indüklenen büyüme yöntemi mekansal olarak kontrol edilebilir, doza bağımlıdır ve birden çok kez tetiklenebilir ve çeşitli pürüzlü yüzeyler oluşturmak veya büyük ölçekli yüzey hasarını eski haline getirmek için kullanılabilir.
Şekil 1 (a) Büyüyebilen "tohum" bileşenleri. (b) Şişmiş "tohumlar". Şişirme için kullanılan kültür çözeltisi, monomerleri, çapraz bağlama maddelerini, foto başlatıcıları ve karşılıklı esterlenme katalizörlerini içerir. (c) Şişmiş substratın yüzeyinde seçici ultraviyole ışık ışıması. Nitrobenzen moleküllerinin fotolizi, sıvı bileşenlerin aydınlatılmış alana göçünü indükleyebilen iyonlaşabilir iyon çiftleri üretebilir. (d) Fotopolimerizasyon yeni polimerler üretir. (e) Transesterifikasyon yoluyla, yeni oluşturulan polimer ağı, orijinal polimer ağıyla birleştirilebilir.
Şekil 2a, düz, şişmiş bir "tohum" yüzeyinden (% 20) ışıkla indüklenen sütunlu büyümenin bir görüntüsünü gösterir. UV ışınlaması sırasında malzemenin yüzeyindeki ışınlama alanından düzenli yapı yavaş yavaş büyür ve test sırasında bu dikmenin yüksekliği 250 m'ye ulaşabilir.
Şekil 2b, büyüme sütununun yüksekliği ile değerlendirilen büyüme sürecini gösterir. 365nm veya 460nm ışık ışınlaması,% 20 şişmiş tohumların büyümesini tetikledi. 365 nm ışığa maruz kalma, polimerizasyon ve fotoliz reaksiyonlarını tetiklerken, 460 nm ışık yalnızca polimerizasyona neden olur. Bu bağlamda, fotoliz reaksiyonunun katkısını değerlendirmek için deneyler 460 nm ışık kullanılarak gerçekleştirilebilir. İki tip ışığın yoğunluğu aynıdır (10 mW cm-2) ve bu tasarım benzer bir fotopolimerizasyon etkisi elde etmek için kullanılır (fotopolimerizasyon dönüşüm oranı 2 dakika içinde bir düzlüğe ulaşır). 365 nm ışıkla ışınlandıktan sonra, büyüme yapısının yüksekliği ilk 5 dakikada (75 m) hızla arttı ve 50 dakika içinde 250 m'lik bir platoya ulaştı. Büyüyen örnek gece boyunca karanlıkta saklandıktan sonra şeklini korur. Bunun aksine, kontrol numunesinde de büyüme meydana geldi, ancak platformda büyütülen yapının yüksekliği önemli ölçüde daha küçüktü (70 m).
Işıkla kontrol edilen büyüme
Işık kaynaklı büyüme yalnızca yerel değil, aynı zamanda zaman içinde kontrol edilebilir. Araştırmacılar bu yeteneği, "tohum" yüzeyindeki (% 20) aydınlatma ışığını değiştirerek gösterdiler.
Şekil 3a'da gösterildiği gibi, büyümeyi yalnızca ışınlama uygulayarak tetiklemek mümkündür. Örneğin, büyüyen yapının yüksekliği aktivasyonun ilk dakikasında 25 m'ye çıkar ve ışık kaynağı kapatıldığında büyüme durur. Işığı açarak büyümeyi yeniden başlatın. Bu "açma-kapama" modülasyonu, büyüme bir düzlüğe ulaşıncaya kadar uzatılabilir. Ek olarak, büyümeyi ayarlamak için "tohumun" çapraz bağlanma derecesi, ışınlanmış alanın çapı ve ışık yoğunluğu dahil olmak üzere çeşitli parametreler de çalışıldı. "Tohumun" çapraz bağlanma derecesini% 20 artırmak, yayla koşulları altında şişme kapasitesini ve büyüme yapısının yüksekliğini azaltacaktır. Işınlama çapının artmasıyla, platform durumundaki büyüme yüksekliği 266m'den 600m'ye yükseldi, ancak > 600m aralığında bırakın. Araştırmacılar, bu artışı fotopolimerizasyonun neden olduğu termal etkiye bağlamaktadır (sıcaklıktaki bir artış, sıvı moleküllerin difüzyon oranını hızlandırır ve böylece büyümelerini hızlandırır). Radyant çapın arttırılması, sıcaklık artışı için faydalıdır ve ayrıca difüzyon mesafesini uzatarak büyümeyi azaltır. Daha geniş çap aralığında ( > 600m), bu azalma etkisi daha belirgin hale gelir. Işık yoğunluğunun azaltılması için, daha yavaş fotoliz ve polimerizasyon nedeniyle büyüme azaltılır.
Referans kaynağı: Pürüzlü yüzeyler yapmak için dinamik şişmiş alt tabakalardan ışıkla düzenlenmiş büyüme
https://www.nature.com/articles/s41467-020-14807-x
