elemeket
absztrakt
Az elektronika iránti nagy igény manapság hatalmas hulladéktermeléshez vezet, ezért az ökológiai anyagokon alapuló elektronikus eszközök egyre fontosabbak a környezetvédelem és a fenntarthatóság szempontjából. A bioméreteken alapuló hidrogéleket széles körben alkalmazzák a szövettechnikában, de ezek felhasználása a fotonikában korlátozott. Ebben a tanulmányban a hidrogél formájú selyemfibroin fehérjét a hagyományos polimerek bio-barát alternatívájaként vizsgálják a fénykibocsátó diódákban alkalmazott lencsék alkalmazásához. A selyem fibroin fehérje és a térhálósító koncentrációja közvetlen hatással volt a selyem hidrogél optikai tulajdonságaira. A térbeli sugárzás intenzitás-eloszlását spirál-hidrogél kupola és kráter típusú kupolák segítségével szabályoztuk. A hidrogéllencse fényelhúzási hatékonysága 0,95 fölött volt egy meleg fehér LED-en. A selyem hidrogéllencse stabilitása biokompatibilis/biológiailag lebontható poli (észter-uretán) bevonattal körülbelül háromszorosára, ehető paraffinviasz bevonattal pedig több mint három nagyságrenddel növekszik. Ezért a biomateriális lencsék zöld optoelektronikus alkalmazásokat ígérnek.
Az elektronikus eszközök fogyasztása minden nap növekszik, és ez a tendencia hatalmas mennyiségű elektronikus hulladékhoz vezet (e-hulladék). Például 2011-ben az Egyesült Államok csupán 1 millióval több mint 2 millió tonna e-hulladékot termelt, és bár az e-hulladék jelentős részét (24,9%) újrahasznosítják, a fennmaradó hulladék jelentős kockázatot jelent a környezetre 2. Ha figyelembe vesszük a világszerte előállított globális e-hulladékot, a következmények katasztrofálissá válnak (pl. Nagy szemét a Csendes-óceánon). Ezért az elektronikában a "zöld" anyagokra való áttérésre van szükség a környezetvédelem és a fenntarthatóság érdekében.
A biokompatibilis anyagon alapuló hidrogéleket széles körben használják a szövetmérnöki munkában, 11, 12 állványként. A Bombyx-mori bábokból nyert selyemfibrin fehérjét különféle biomedicinális alkalmazásokhoz tesztelték 4, 13, 14, 15, és a közelmúltban egy új típusú selyem fibroin hidrogélt bizonyítottak a mikrofluidikus rendszerek, a multipoton mikromegmunkálás és a szövettechnika területén. 16, 17, 18, 19, 20, 21. Bár folyadékokat alkalmaztak az optoelektronikus készülékek különféle alkalmazásaihoz, például folyadékkristályos kijelzőkhöz, folyadékadaptív fókuszáláshoz és a 22, 23 színátalakító rétegekhez, a lencsés hidrogéllencséket LED-es alkalmazásoknál nem vizsgálták.
Ebben a tanulmányban a selyem hidrogélek lencseként való felhasználásának lehetőségét vizsgáltuk fénykibocsátó diódákhoz. Megvizsgáltuk a lencse hidrogél lencsék optikai tulajdonságait, és kimutattuk, hogy a fibroin fehérje koncentrációja és a térhálósodás közvetlen hatással van a hidrogélek optikai tulajdonságaira. A fény térbeli eloszlásának magas ellenőrzését bizonyítottuk spirál-hidrogél kupolákkal és kráter lencsékkel a LED alkalmazásokhoz. Ezenkívül a hidrogél lencsék nagy hatásfokú fényt bocsátottak ki a meleg fehér LED-eken. Végül stabilitásukat jelentősen megnövelte egy polimer fedőréteg alkalmazása.
Eredmények és vita
A selyem-hidrogél képződése és optikai átlátszósága
A selyem hidrogél optikai tulajdonságai. a ) egy papírra nyomtatott fénykép, amely a Koc Egyetem logójának tetejére helyezett selyem-hidrogél darab átlátszóságát mutatja; inzert: egy selyem hidrogél szerkezeti diagramja, amely a kovalensen térhálósított selyem fibroin fehérjék belsejében rekedt vízmolekulákat mutat be. Méret, 0,5 cm. ( b ) 3, 0, 5, 0, 8, 0, 14, 0 és 18,0 tömeg% koncentrációjú selyem hidrogélek fényképei. Méret, 1 cm. ( c ) a selyem hidrogélek permeabilitása dB/cm egységekben a látható spektrumban 3, 0, 5, 0, 8, 0, 14, 0 és 18, 0 tömeg% koncentrációban. Beágyazás: A selyem hidrogélek átlagos permeabilitása a látható spektrumban. ( d ) A selyemoldat és a hidrogél permeabilitásának összehasonlítása ugyanazon koncentráció mellett (8,0 tömeg%).
Teljes méretű kép
Egy másik fontos paraméter a selyem hidrogél törésmutatója, és a törésmutató értékének a fő víztartalma és alacsonyabb biopolimer tartalma miatt valamivel magasabbnak kell lennie, mint a víz értéke. A selyem-hidrogél törésmutatóját az 1. egyenlet felhasználásával számoltuk, ahol C az oldatban található selyem koncentrációja (g/ml), dn/dC a fajlagos törésmutató, n SH és n víz pedig a selyem hidrogél és a víz törésmutatója., 32. Itt ismerjük a selyemoldat fajlagos törésmutatóját (dn/dC = 0,18 ml/g 488 nm-en), és a selyem hidrogél törésmutatóját 1,35-ként kaptuk 488 nm-en. Ezenkívül a hőmérséklet (5-70 ° C) nem befolyásolja jelentősen a selyem hidrogél 32 optikai teljesítményét .
A selyem hidrogél lencsék térbeli sugárzási intenzitása
A lencsékkel ellátott és lencsék nélküli LED-ek térbeli intenzitási eloszlásának megértéséhez a sugárkövetési módszert alkalmaztuk. A fényt egy félvezető mátrix elektrolumineszcenciával állítják elő, és a LED felett lencsével megtörik. Megmértük a lencsék nélküli LED-ek sugárzási mintázatát, mint a referencia LED-emissziót, és a szimulációban megalkottuk ugyanazt a LED-emissziós profilt. A lencsék fényeloszlási profilra gyakorolt hatásának megértése érdekében a kráter és a kupola típusú 4 lencséket szimulálták a LED-mátrix tetején (2a. Ábra). A fénysugár lencsével és anélkül történő numerikus szimulációit a 3. ábra mutatja. 2b. A kráter típusú lencse (2b. Ábra, középen) a maximális fényintenzitást mutatja 16 ° és –16 ° között, amely szélesebb szögekre szórja a fényt (helyezze be a 2b. Ábrát, középen). Ezzel szemben a kupolás lencse (2b. Ábra, jobb) a fényt középre fókuszálja (helyezze be a 2b. Ábrát, jobbra).
( a ) A LED-ek (balra), a kráter típusú hidrogéllencsék sematikus ábrázolása a LED-mátrixon (középen) és a spirálos hidrogéllencsék kupolafedéllel a LED-mátrixon (jobbra). ( b ) A sugárkövetési szimuláció térbeli sugárzási intenzitásának eloszlása (szórási hatások nélkül). Inset: a sugárzás térbeli eloszlása. ( c ) A kísérleti teszteléshez használt LED-chip fényképei (balra), a lencse-hidrogél lencsével borított LED-ek (középen) és a kapcsoló hidrogél lencsékkel (jobbra). Méret, 1 cm. ( d ) A LED térbeli intenzitásának kísérleti eloszlása. Letét: fényképek a sugárzás térbeli eloszlásáról.
Teljes méretű kép
( a ) A hidrogél selyemfehérje szétszóródásának sematikus ábrázolása. ( b ) A kísérleti eredmények és a sugárkövetés közötti átlagos négyzethiba. A szórási együttható 0 és 0,3 mm-1, a g-faktor pedig 0,1 és 0,95 között mozgott. c ) A térbeli sugárzási intenzitás eloszlási sugarainak kísérleti mérése és szimulált követése domború lencséknél és ( d ) kráter típusú lencsék esetében, ahol a minimális hibát 0,05 mm −1 szórási együtthatóval és g tényezővel 0,7.
Teljes méretű kép
A hidrogél lencsék könnyű kivonása és stabilitása
A fényelnyelés hatékonysága és a biomateriális lencsék stabilitása. a ) A selyem hidrogél sémája biopolimer réteg bevonattal. ( b ) A hideg és a meleg fehér LED abszolút besugárzása. ( c ) Fotó: 8 tömeg% lencse hidrogél lencse hideg fehér LED-en (felül) és meleg fehér LED-en (alul). Méret, 1 cm. ( d ) A fedett és a bevonat nélküli hidrogél (SH) lencsék és a PDMS lencse fényhúzási hatékonysága hideg és meleg fehér LED-eken. e ) A lencse hidrogél lencséjének tömeges bomlása. Fekete vonal: egyetlen selyem hidrogél lencse, cián vonal: 8 tömeg% Selyem hidrogél lencse poli (észter-uretán) bevonattal, kék vonal: 8 tömeg%. Selyem hidrogéllencse paraffinviaszjal. Inset: parafin viasz bevonattal ellátott lencse hidrogél lencse tömegének növelése.
Teljes méretű kép
Asztal teljes méretben
következtetések
Röviden, a hagyományos műanyagok cseréje környezetbarát anyagokkal fontos a fenntartható és tiszta környezet érdekében. A lencsék fontos térfogatot és súlyt vesznek fel a LED-ekben. Megoldásként ebben a tanulmányban a selyem-hidrogélek biomediumát vezettük be optikai anyagként a lencsék LED-ben történő alkalmazásához. Erre a célra selyemfibrin fehérjéket nyertünk ki gubókból, hidrogélekké alakítottuk át, és kráter típusú lencséket és kupolákat állítottunk elő a térbeli intenzitásprofil szabályozására. A fehérjék miatti szóródás és a térhálósodás közvetlen hatással volt az optikai tulajdonságokra. A lencse hidrogél lencsék fényelszívási hatékonysága 0,95 felett volt meleg fehér LED-en, és a stabilitást jelentősen növelte egy biokompatibilis és biológiailag lebontható poli (észter-uretán) bevonat. Ezenkívül ehető paraffinviasz bevonat használata körülbelül három nagyságrenddel növelte a lencse hidrogél lencséjének stabilitását. Ezért a bioanyagok lencséi ökológiai eszközök alkalmazását ígérik.
mód
Selyem fibroin oldat készítése
A selyemoldat elkészítését a ref. 38 g az alábbiak szerint: 5 g gubót félbevágunk, a férgeket eldobjuk, majd 2 liter, 0,02 M Na2C03 oldatban (Sigma-Aldrich) 30 percig forraljuk, hogy eltávolítsuk a gumit mint sericint. A gáztalanított gubókat ezután kétszer 20 percig mossuk 1 liter ionmentes vízben, keverés közben és levegőn szárítjuk. A szárított, sótalanított, szárított burkolatokat összekevertük 9,3 M LiBr (Sigma-Aldrich) (1 g/4 ml) oldatával, és 4 órán át 60 ° C-os kemencében tartottuk. Az oldott selymet dializáló patronokkal (3500 MWCO, Thermo Scientific) dializáltuk 1 liter ionmentes vízzel 2 napig, folyamatos keverés közben az LiBr eltávolítása céljából. A vizet rendszeresen 1, 4, 12, 24 és 36 órakor cserélték. Végül a selyemoldatot 9000 fordulat/perc sebességgel 20 percig -2 ° C-on centrifugáltuk a szennyeződések eltávolítása céljából. A kapott selyemoldatok 8-10 tömeg% vízben vannak. Nagyobb selyemoldat-koncentráció elérése érdekében 15 ml 8-10 tömeg% A selyemoldatot kemencében 4 órán át 60 ° C-on betöményítettük. Termikus koncentrációval a selyemoldat 28 tömeg% -os koncentrációját értük el.
Selyem hidrogél készítmény
1000 U/ml VI típusú torma-peroxidáz (HRP) oldatot (Sigma-Aldrich) készítettünk 4 mg HRP és 1 ml ionmentes víz 17 keverésével. Selyemhidrogéleket állítottunk elő 10 U HRP hozzáadásával 1 ml selyemoldathoz. Szonikálás után 10 μl 1% H 2 O 2 -ot adunk 1 ml selyem HRP 21 oldathoz. 20 perc alatt selyem hidrogélek képződtek.
Átviteli mérések
3, 0, 5, 0, 8, 0, 14, 0, 18, 0 tömeg% A selyemoldatot a víztartalom 8 tömeg% -os növelésével vagy csökkentésével állítottuk elő. Selyem oldat. 2 ml selyem-hidrogélt készítettünk, és 1 cm-es küvettákba helyeztük az UV-Vis transzmittancia meghatározásához (Shimadzu UV-3600 - UV-VIS-NIR spektrofotométer).
A térbeli sugárzásmérési intenzitás és a sugárkövetési szimuláció eloszlása
Az LG Innotek WLED készülékbe lencse-hidrogél lencsét szereltek. 360 ° -ban forgó platformot használtunk spektrofotométerrel (CCS 220, Thorlabs) a WLED optikai intenzitásának mérésére a lencse hidrogél lencséjén keresztül. Ezután a TracePro60 nyalábkövető szoftvert használták. A kráter és a kupola alakzatokat ezután a Solidworks szoftverben hozták létre és illesztették be a TracePro60-ba. A TracePro60 fénykibocsátó forrását egy egyenletes térprofillal rendelkező LG Innotek WLED-hez illesztettük, amelynek Gauss-szögprofilja 90 ° -os félszöggel X és Y koordinátákban készült. Ezután szórást és g-faktor anizotrópiát vezettek be, a Hunyey-Greenstein szórási modellt használták, és a sugárzási modellt a TracePro60-ban elemezték.
A fényelszívás hatékonyságának mérése
3 és 8 tömeg% selyem hidrogél félgömb lencsék. 7 mm átmérőjű selyemoldatokat készítettünk és integrált gömbbe helyeztük (Ocean Optics, FOIS-1). Spektrofotométert (Ocean Optics, Torus), integráló gömböt és HL-3 VIS-NIR fényforrást (Ocean Optics, HL-3 VIS-NIR) használtunk az előkészített minták fényelhúzási hatékonyságának mérésére. Kontroll kísérletként először megmértük a lencse nélküli referenciafény intenzitását, és kiszámítottuk az extrakciós hatékonyságot. A lencse hidrogél lencséinek szögfüggéseinek mérését 360 ° -os forgási fokozat és spektrofotométer segítségével végeztük.
A selyemlencsék stabilitásának értékelése
Selyem hidrogélt készítettünk formák alkalmazásával, és megmértük annak tömegét. A súlycsökkenést 2 nap alatt mértük. Ezután selyem-hidrogélt készítettünk, és a stabilitás növelése érdekében egy felső paraffinviasz és poli (észter-uretán) réteget vontunk be, és 8 nap alatt mértük a súlycsökkenést.
Polimerizációs folyamat
4,50 g (2,25 mmol) PCL-t és 0,38 g (2,25 mmol) HMDI-t egy 100 ml-es gömblombikba tettünk, amely egy felső keverővel, nitrogén bevezetéssel és visszafolyatással volt ellátva. Hozzáadunk 9,0 g tetrahidrofuránt (THF) (Aldrich> 99%) oldószerként és 50 ppm dibutil-ón-dilaurátot katalizátorként, és a rendszert visszafolyató hűtő alatt forraljuk. A körülbelül 2 órán át tartó reakció befejeződését úgy határoztuk meg, hogy FTIR spektrofotométerrel figyeltük meg az erős izocianát abszorpciós csúcs eltűnését körülbelül 2270 cm-1-nél. A kapott poliészter-uretán átlagos molekulatömegét (45 000 g/mol) és polidiszperzitási indexét (PDI = 1,63) meghatároztuk méretkizárásos kromatográfiával THF-ben, polisztirol standardok alkalmazásával. Az oldószer öntvények erősek és kemények voltak.
köszönöm
Az SN nagyra értékeli a Marie Curie karrierintegrációs támogatás (PROTEINLED, 631679), a Török Tudományos Akadémia és a Török Tudományos és Technológiai Kutatási Tanács (TUBITAK) (114F317) és (114E194) támogatását. Köszönjük a VESTEL Electronics Inc.-nek, Manisa, Törökország a LED-chipek biztosításáért. Köszönetet mondunk prof. Sunghwan Kim, a dél-koreai Ajou Egyetem eredményes vitáért.
Elektronikus kiegészítő anyag
segítő információ
Hozzászólások
Megjegyzés beküldésével vállalja, hogy betartja Általános Szerződési Feltételeinket és közösségi irányelveinket. Ha ezt sértő cselekedetnek találja, amely nem felel meg feltételeinknek vagy irányelveinknek, kérjük, jelölje meg nem megfelelőnek.