предметів

реферат

Сьогодні високий попит на електроніку призводить до масового виробництва відходів, тому електронні пристрої на основі екологічно чистих матеріалів стають все більш важливими для захисту навколишнього середовища та стійкості. Гідрогелі на основі біоматеріалів широко використовуються в тканинній інженерії, але їх використання в фотоніці обмежене. У цьому дослідженні досліджено білок фіброїну шовку у формі гідрогелю як біологічно безпечну альтернативу звичайним полімерам для застосування на лінзах у світлодіодах. Концентрація білка фіброїну шовку та зшивального механізму мала прямий вплив на оптичні властивості шовкового гідрогелю. Розподіл інтенсивності просторового випромінювання контролювали за допомогою спірально-гідрогелевих куполів купольного та кратерного типу. Гідрогелева лінза показала ефективність вилучення світла вище 0,95 на теплому білому світлодіоді. Стійкість шовкової гідрогелевої лінзи збільшується приблизно в три рази за допомогою біосумісного/біорозкладаного полі (ефір-уретанового) покриття та більш ніж на три порядки за допомогою їстівного парафінового воскового покриття. Тому лінзи з біоматеріалом обіцяють зелене оптоелектронне застосування.

Споживання електронних пристроїв зростає з кожним днем, і ця тенденція призводить до величезної кількості електронних відходів (електронних відходів). Наприклад, у 2011 р. США утворили понад 2 млн. Т електронних відходів лише за 1, і хоча значна частина електронних відходів (24,9%) переробляється, інші відходи становлять значний ризик для навколишнього середовища 2. Якщо розглядати глобальні електронні відходи, що виробляються у всьому світі, наслідки стають катастрофічними (наприклад, велике сміття в Тихому океані). Тому в електроніці перехід до «зелених» матеріалів необхідний для захисту навколишнього середовища та стійкості.

Гідрогелі на основі біосумісного матеріалу широко використовуються в тканинній інженерії як ліси 11, 12. Білок шовкового фіброїну, отриманий із лялечок Bombyx-mori, був протестований для різних біомедичних застосувань 4, 13, 14, 15, а нещодавно продемонстровано новий тип гідрогелю шовкового фіброїну для мікрофлюїдних систем, мультипотонної мікрообробки та тканинної інженерії. 16, 17, 18, 19, 20, 21. Незважаючи на те, що рідини використовувались для різних застосувань оптоелектронних пристроїв, таких як рідкокристалічні дисплеї (РК-дисплеї), адаптаційне фокусування до рідини та шари перетворення кольорів 22, 23, лінзові гідрогелеві лінзи не досліджувались для застосування на світлодіодах.

У цьому дослідженні ми досліджували можливість використання гідрогелів шовку як матеріалу лінз для світлодіодів. Ми досліджували оптичні властивості лінзових гідрогелевих лінз і показали, що концентрація білка фіброїну та зшивання мають прямий вплив на оптичні властивості гідрогелів. Ми продемонстрували високий контроль над просторовим розподілом світла за допомогою спірально-гідрогелевих куполів та кратерних лінз для світлодіодних додатків. Крім того, гідрогелеві лінзи випромінювали високоефективне світло на теплі білі світлодіоди. Нарешті, їх стабільність значно підвищилася завдяки використанню полімерного верхнього покриття.

Результати і обговорення

Формування та оптична прозорість шовкового гідрогелю

наукових

Оптичні властивості шовкового гідрогелю. a ) фотографія, що показує рівень прозорості шматочка шовкового гідрогелю, розміщеного поверх логотипу Університету Коц, надрукованого на папері; вставка: структурна схема шовкового гідрогелю, що показує молекули води, що потрапили всередину ковалентно зшитих білків фіброїну шовку. Вага, 0,5 см. ( b ) Фотографії шовкових гідрогелів з концентрацією 3, 0, 5, 0, 8, 0, 14, 0 та 18,0% по масі. Масштаб, 1 см. ( c ) проникність гідрогелів шовку в дБ/см одиниць у видимому спектрі при концентраціях 3, 0, 5, 0, 8, 0, 14, 0 і 18, 0 мас. Вбудовування: Середня проникність гідрогелів шовку у видимому спектрі. ( d ) Порівняння проникності між розчином шовку та гідрогелем при однаковій концентрації (8,0% мас./Мас.).

Повнорозмірне зображення

Іншим важливим параметром є показник заломлення гідрогелю шовку, і значення показника заломлення повинно бути трохи вищим за значення води через її основний вміст води та менший вміст біополімерів. Показник заломлення шовкового гідрогелю розраховували за допомогою рівняння 1, де С - концентрація шовку в розчині (г/мл), dn/dC - питомий показник заломлення, а n SH і n води - показник заломлення шовкового гідрогелю та води, 32. Тут ми знаємо питомий показник заломлення розчину шовку (dn/dC = 0,18 мл/г при 488 нм) і отримали показник заломлення шовкового гідрогелю 1,35 при 488 нм. Крім того, температура (5-70 ° С) суттєво не впливає на оптичні характеристики шовкового гідрогелю 32 .

Просторовий розподіл інтенсивності випромінювання шовкових гідрогелевих лінз

Щоб зрозуміти просторовий розподіл інтенсивності світлодіодів із лінзою та без неї, ми використали метод відстеження променя. Світло генерується електролюмінесценцією з напівпровідниковою матрицею і заломлюється лінзою над світлодіодом. Ми виміряли діаграму випромінювання світлодіодів без лінзи як еталонне випромінювання світлодіодів і створили той самий профіль випромінювання світлодіодів під час моделювання. Щоб зрозуміти вплив лінз на профіль розподілу світла, поверх світлодіодної матриці моделювали лінзи 4 із кратером та куполом (рис. 2а). Чисельне моделювання відстеження променя з лінзами та без них показано на фіг. 2б. Лінза кратерного типу (рис. 2b, центр) показує максимальну інтенсивність світла при 16 ° і −16 °, яка розсіює світло на більш широкі кути (вставити рис. 2b, центр). Навпаки, куполова лінза (рис. 2b, праворуч) фокусує світло в центрі (вставити рис. 2b, праворуч).

( a ) Схематичне зображення світлодіодів (зліва), гідрогелевої лінзи кратерного типу на світлодіодній матриці (середня) та спіральної гідрогелевої лінзи з кришкою купола на світлодіодній матриці (праворуч). ( b ) Просторовий розподіл інтенсивності випромінювання моделювання відстеження променя (без ефектів розсіяння). Врізка: просторовий розподіл випромінювання. ( c ) Фотографії світлодіодного чіпа, що використовується для експериментальних випробувань (ліворуч), світлодіодів, покритих лінзою гідрогелевої лінзи (посередині) та сполучної гідрогелевою лінзою (праворуч). Масштаб, 1 см. ( d ) Експериментальний розподіл просторової інтенсивності світлодіодів. Поклад: фотографії просторового розподілу випромінювання.

Повнорозмірне зображення

( a ) Схематичне зображення розсіювання в білку шовку гідрогелю. ( b ) Середня квадратна помилка між результатами експерименту та трасуванням променів. Коефіцієнт розсіювання коливався в межах від 0 до 0,3 мм-1, а коефіцієнт g змінювався від 0,1 до 0,95. c ) Експериментальне вимірювання та моделювання відстеження просторових розподілів інтенсивності випромінювання для купольних лінз та ( d ) для лінз типу кратера, де мінімальна похибка отримана з коефіцієнтом розсіювання 0,05 мм -1 та коефіцієнтом g 0,7.

Повнорозмірне зображення

Легке вилучення та стабільність гідрогелевих лінз

Ефективність вилучення світла та стабільність лінз біоматеріалів. a ) Схема шовкового гідрогелю з біополімерним шаровим покриттям. ( b ) Абсолютне опромінення холодних і теплих білих світлодіодів. ( c ) Фото 8% мас. лінзи гідрогелеві лінзи на холодному білому світлодіоді (зверху) та на теплому білому світлодіоді (знизу). Масштаб, 1 см. ( d ) Ефективність вилучення світла (LEE) з лінзами гідрогелю (SH) з покриттям та без покриття та лінзою PDMS на холодних та теплих білих світлодіодах. e ) Масове розкладання лінзи гідрогелевої лінзи. Чорна лінія: одинарна шовкова гідрогелева лінза, блакитна лінія: 8% по масі Шовкова гідрогелева лінза з полі (ефірно-уретановим) покриттям, синя лінія: 8% по масі. Шовкова гідрогелева лінза з парафіном. Врізка: збільшення ваги лінзи з гідрогелевою лінзою з парафіновим восковим покриттям.

Повнорозмірне зображення

Стіл в натуральну величину

висновки

Коротше кажучи, заміна звичайних пластмас на екологічно чисті матеріали є важливою для стійкого та чистого навколишнього середовища. Лінзи займають важливий обсяг і вагу світлодіодів. Як рішення, в цьому дослідженні ми ввели біоматеріал шовкових гідрогелів як оптичний матеріал для нанесення лінз у світлодіодах. Для цього ми витягували білки шовкового фіброїну з коконів, перетворювали їх у гідрогелі та виробляли лінзи та куполи кратерного типу для контролю просторового профілю інтенсивності. Розсіювання внаслідок білків та зшивання мали прямий вплив на оптичні властивості. Лінзові гідрогелеві лінзи демонстрували ефективність вилучення світла вище 0,95 на теплому білому світлодіоді, а стабільність значно покращувалась біосумісним та біологічно розкладаним полі (ефір-уретановим) покриттям. Крім того, використання їстівного парафінового воскового покриття збільшило стійкість лінзової гідрогелевої лінзи приблизно на три порядки. Тому лінзи з біоматеріалів обіцяють застосування екологічних пристроїв.

методи

Приготування розчину фіброїну шовку

Приготування шовкового розчину проводили згідно з посиланням. 38 наступним чином: 5 г коконів розрізали навпіл і глистів викинули, а потім кип'ятили у 2 л, 0,02 М розчині Na 2 CO 3 (Sigma-Aldrich) протягом 30 хвилин, щоб видалити камедь у вигляді серицину. Потім дегазовані кокони двічі промивали протягом 20 хвилин в 1 л деіонізованої води при перемішуванні та сушили на повітрі. Висушені висушені для знесолення витяжки змішували з розчином 9,3 М LiBr (Sigma-Aldrich) (1 г/4 мл) і витримували в духовці при 60 ° C протягом 4 годин. Розчинений шовк діалізували за допомогою діалізних картриджів (3500 MWCO, Thermo Scientific) проти 1 л деіонізованої води протягом 2 днів при постійному перемішуванні для видалення LiBr. Воду регулярно змінювали через 1, 4, 12, 24 та 36 годин. Нарешті, шовковий розчин центрифугували при 9000 об/хв протягом 20 хвилин при -2 ° C двічі для видалення домішок. Отримані шовкові розчини складали від 8 до 10 мас.% У воді. Для досягнення більш високої концентрації шовкового розчину, 15 мл від 8 до 10 мас. Шовковий розчин концентрували в печі протягом 4 годин при 60 ° C. За допомогою термічної концентрації ми досягали концентрації шовкового розчину до 28% по масі.

Препарат шовкового гідрогелю

Розчин 1000 Од/мл пероксидази хрону типу VI (HRP) (Sigma-Aldrich) готували шляхом змішування 4 мг HRP з 1 мл деіонізованої води 17. Шовкові гідрогелі отримували додаванням 10 U HRP до 1 мл розчину шовку. Після обробки ультразвуком 10 мкл 1% H 2 O 2 додавали до 1 мл шовкового розчину HRP 21. Шовкові гідрогелі утворюються за 20 хвилин.

Вимірювання передачі

3, 0, 5, 0, 8, 0, 14, 0, 18, 0 мас. Шовковий розчин готували шляхом збільшення або зменшення вмісту води на 8% по масі. Шовковий розчин. 2 мл шовкового гідрогелю підготували і помістили в кювети розміром 1 см для визначення пропускання UV-Vis (спектрофотометр Shimadzu UV-3600 - UV-VIS-NIR).

Розподіл інтенсивності вимірювання просторового випромінювання та моделювання відстеження променя

Лінзова гідрогелева лінза була встановлена ​​в LG Innotek WLED. Платформа, що обертається на 360 °, була використана за допомогою спектрофотометра (CCS 220, Thorlabs) для вимірювання оптичної інтенсивності від WLED через лінзову гідрогелеву лінзу. Потім було використано програмне забезпечення для відстеження променів TracePro60. Потім форми кратера і купола були створені в програмному забезпеченні Solidworks і вставлені в TracePro60. Джерело світла, що генерує в TracePro60, відповідало LG Innotek WLED з рівномірним просторовим профілем та кутовим профілем Гауса з напівкутом 90 ° у координатах X та Y. Було використано 748501 пучок при 546,1 нм. Потім було введено розсіювання та анізотропію коефіцієнта g-фактора, використано модель розсіювання Хюні-Грінштейна та проаналізовано модель випромінювання в TracePro60.

Вимірювання ефективності вилучення світла

Шовкові гідрогелеві напівсферні лінзи з 3 і 8 мас. Готували шовкові розчини діаметром 7 мм і поміщали в інтегровану сферу (Ocean Optics, FOIS-1). Для вимірювання ефективності вилучення світла підготовлених зразків використовували спектрофотометр (Ocean Optics, Torus), інтегруючу сферу та джерело світла HL-3 VIS-NIR (Ocean Optics, HL-3 VIS-NIR). В якості контрольних експериментів спочатку вимірювали інтенсивність еталонного світла без будь-якої лінзи і розраховували ефективність вилучення. Вимірювання кутових залежностей лінз гідрогелевих лінз проводили за допомогою каскаду обертання на 360 ° та спектрофотометра.

Оцінка стійкості шовкових лінз

Шовковий гідрогель готували за допомогою форм і вимірювали його вагу. Втрату ваги вимірювали протягом 2 днів. Потім готували шовковий гідрогель, покривали верхній шар парафінового воску та поліефіру уретану, щоб підвищити його стійкість, і втрату ваги вимірювали протягом 8 днів.

Процес полімеризації

4,50 г (2,25 ммоль) PCL та 0,38 г (2,25 ммоль) HMDI поміщали в 100 мл круглодонну реакційну колбу, оснащену верхньою мішалкою, входом азоту та зворотним холодильником. 9,0 г тетрагідрофурану (ТГФ) (Aldrich> 99%) додавали як розчинник і 50 ppm дибутилолового дилаурату в якості каталізатора і систему нагрівали із зворотним холодильником. Завершення реакції, яка тривала приблизно 2 години, визначали, контролюючи зникнення сильного піку поглинання ізоціанату приблизно на 2270 см -1, використовуючи спектрофотометр FTIR. Отриману середню молекулярну масу (45000 г/моль) та індекс полідисперсності (PDI = 1,63) отриманого поліефір-уретану визначали методом ексклюзивної хроматографії у ТГФ за допомогою стандартів полістиролу. Розливні виливки були міцними і твердими.

Дякую

SN оцінює підтримку гранту на інтеграцію кар'єри Марії Кюрі (PROTEINLED, 631679), Турецької академії наук та Турецької ради з наукових та технологічних досліджень (TUBITAK) (114F317) та (114E194). Ми дякуємо VESTEL Electronics Inc., Маніса, Туреччина, за надання світлодіодних чіпів. Також ми дякуємо проф. Сунгван Кім з Університету Аджу в Південній Кореї за плідні дискусії.

Електронний додатковий матеріал

допоміжна інформація

Коментарі

Надсилаючи коментар, ви погоджуєтесь дотримуватися наших Загальних положень та умов та Правил спільноти. Якщо ви вважаєте, що це образливий вчинок, який не відповідає нашим умовам чи інструкціям, повідомте про це як про недоречний.