냉간 인발에 의한 표면에 털이 많아 종횡비가 높은 털의 촘촘한 잔디밭이 됩니다.

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 9952(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

많은 유기체의 표면은 복잡한 환경에서 생존하는 데 필수적인 털로 덮여 있습니다. 고분자 재료로 인공 털이 표면을 생성하는 것은 매우 높은 종횡비(AR)를 가진 구조를 생성해야 하기 때문에 어려운 것으로 입증되었습니다. 우리는 매우 높은 AR 나노크기 폴리머 털의 조밀한 층으로 덮인 표면을 제작하는 기술에 대해 보고합니다. 이를 위해 수백 나노미터 직경의 기공을 갖는 템플릿은 모세관 현상에 의해 용융된 고분자로 채워집니다. 그런 다음 폴리머를 냉각시키고 템플릿을 기계적으로 제거합니다. 사용된 조건에 따라 형성된 구조는 기공의 단순한 복제일 수 있거나 중합체는 냉간 인발에 의해 매우 강하게 변형되어 AR에서 최대 6,6 × 108 모발/cm2의 모발 밀도를 갖는 긴 모발을 생성합니다. 200보다 훨씬 높습니다. 모발 형성 메커니즘은 기공 내 폴리머의 접착력과 기계적으로 탈형하는 동안 폴리머에 작용하는 항복력 사이의 섬세한 균형에 기인합니다. 우리는 아주 적은 노력으로 몇 초 안에 독특한 지형을 얻을 수 있는 방법을 보여 주며, 이는 일반적인 폴리머의 습윤 특성을 극적으로 조정할 수 있습니다.

많은 동물(또는 어떤 경우에는 식물)의 표면은 적어도 부분적으로 촘촘한 털층으로 덮여 있습니다1,2. 머리카락은 다양한 용도로 사용될 수 있습니다. UV 또는 적외선 복사3의 영향으로부터 보호할 수 있으며, 비에 노출4,5 또는 수영6,7 중에 신체가 물과 직접 접촉하는 것을 방지할 수 있습니다. 머리카락에는 체온을 안정시키는 온도 조절 기능도 있습니다2. 이를 위해 상당한 양의 공기를 가두기 때문에 열 흡수나 열 손실을 줄이는 절연층6 역할을 합니다. 또는 땀을 흡수하여 더 넓은 표면적에 분산시킴으로써 모발의 수분 증발 속도를 높이고 모발이 덮고 있는 신체를 식힐 수 있습니다. 어떤 경우에는 페로몬과 같은 냄새의 분포에 기여하여 사회적 상호 작용에서 역할을 하기도 합니다1.

생물학적 모발은 본질적으로 종횡비가 높은 케라틴 기반 물질1이며, 덮고 있는 피부 표면에 단단히 고정되어 있습니다. 그들은 머리카락 사이의 거리가 개별 머리카락의 길이보다 상당히 작은 빽빽한 "잔디밭"을 형성합니다8. 종횡비 AR > 100은 레이디스 맨틀 잎과 같은 천연 털이 식물 표면에 특징적입니다. 인간의 머리카락 종횡비는 1000보다 훨씬 더 높은 것을 관찰할 수 있습니다.

기술 분야에서 높은 AR 구조는 사진, X선 또는 전자 빔 리소그래피와 매우 구체적인 에칭 공정을 통해 주로 실리콘과 같은 다소 견고한 재료에 기록될 수 있습니다8,11,12. 흥미로운 응용을 위해 매우 높은 AR 구조가 생성된 시스템의 예는 Chang과 Sakdinawat13의 작업입니다. 그들은 하드 X선용 이미징 광학 장치를 생성하는 데 사용할 수 있는 초고AR(> 120), 고해상도 나노특징을 제조하기 위해 전자 빔 리소그래피와 금속 보조 화학 에칭 기술을 사용합니다. 그러나 높은 AR 마이크로 및 나노구조 실리콘 표면에 대한 많은 출판물과 달리 고분자 재료를 고려할 때 보고된 출판물은 훨씬 적습니다14,15. 폴리머 마이크로 및 나노 구조 생성을 위한 주요 방법은 포토리소그래피 및 마이크로복제이며, 후자의 접근법은 대규모 구조화된 영역을 제조할 때 특히 선호됩니다12,16.

폴리머 나노 또는 마이크로헤어는 다공성 템플릿이 사용되는 복제 성형 기술을 사용하여 생성될 수 있습니다. 실제로 여러 가지 예에서는 털이 많은 잎10,19 또는 실제 곤충17과 같은 자연 표면 마스터를 사용하여 네거티브 곰팡이를 얻었으며 결과적으로 동일한 폴리머 복제 형태로 이어졌습니다. 그러나 매우 높은 AR(> 100)로 자연스럽고 털이 많은 표면을 재현하는 것은 여전히 어려운 과제로 남아 있습니다. 특히 템플릿에서 이러한 높은 AR 구조를 탈형하는 것이 다소 어렵기 때문입니다. 최근 Tiller와 동료들은 천연 소 치과용 템플릿을 사용하여 최대 2009의 AR을 갖는 매우 긴 아크릴레이트 수지 필라멘트를 성공적으로 생성했습니다. 템플릿을 이용한 중합으로 Corokia cotoneaster 잎의 지형을 모방한 표면이 생성되었습니다. 그러나 자연 템플릿은 일반적으로 크기가 작고 이러한 접근 방식에서 용해되거나 에칭되기 때문에 이러한 경로를 통해 얻은 샘플 크기는 본질적으로 제한되며 대규모 기판을 수정할 수 없습니다.

20) were successfully generated over a large area./p>

200 and occasionally even over 400 have been observed at intermediate pore sizes, however, under such conditions the process is in a critical regime. Although qualitatively excellent reproducibility is observed, even small process variations lead to structural variations and the exact values of the AR are difficult to reproduce./p> 5 μm, the pull-out force surpasses the adhesion force leading to a classical microreplication process. In this case well defined polymer cylinders are formed, which have more or less the same dimensions as the template pores. At the border between the two regimes (i.e. at d ≥ 5 μm) the difference between the force of adhesion and the yield is very small, so that both the formation of short hairs and templating occur on the same substrate, depending of the height of filling. As shown in Figs. 2 and 5, this analysis correlates in an excellent manner with the experimental observations described above. However, as already briefly discussed above this balance between the two forces is not only related to the pore diameter but also a function of the height of filling. The filling needs to extend a certain level to offer enough contact area between polymer and template to lead to the minimum level of adhesion to initiate the elongation process (Fig. 7)./p> ℎmin./p>