obiecte

abstract

Cererea mare de produse electronice de astăzi duce la producerea masivă a deșeurilor, motiv pentru care dispozitivele electronice bazate pe materiale ecologice sunt din ce în ce mai importante pentru protecția mediului și durabilitate. Hidrogelurile bazate pe biomateriale sunt utilizate pe scară largă în ingineria țesuturilor, dar utilizarea lor în fotonică este limitată. În acest studiu, proteina fibroinei de mătase sub formă de hidrogel este investigată ca o alternativă bio-prietenoasă la polimerii convenționali pentru aplicații de lentile în diode emițătoare de lumină. Concentrația de proteină fibroină de mătase și agent de reticulare a avut un efect direct asupra proprietăților optice ale hidrogelului de mătase. Distribuția intensității radiației spațiale a fost controlată prin intermediul unor cupole spiral-hidrogel de tip cupolă și crater. Lentila hidrogel a arătat o eficiență de extracție a luminii peste 0,95 pe un LED alb cald. Stabilitatea lentilei de mătase din hidrogel este mărită cu aproximativ trei ori folosind un strat de poli (ester-uretan) biocompatibil/biodegradabil și mai mult de trei ordine de mărime folosind un strat de ceară de parafină comestibil. Prin urmare, lentilele biomateriale promit aplicații optoelectronice verzi.

Consumul de dispozitive electronice crește în fiecare zi și această tendință duce la o cantitate masivă de deșeuri electronice (e-deșeuri). De exemplu, în 2011, SUA au produs peste 2 milioane de tone de deșeuri electronice în doar 1 și, deși o proporție semnificativă de deșeuri electronice (24,9%) este reciclată, restul deșeurilor prezintă un risc semnificativ pentru mediu 2. Când se iau în considerare deșeurile electronice globale produse la nivel mondial, consecințele devin catastrofale (de exemplu, gunoi mare în Oceanul Pacific). Prin urmare, în electronică, tranziția către materiale „verzi” este necesară pentru protecția mediului și durabilitate.

Hidrogelurile pe bază de material biocompatibil sunt utilizate pe scară largă în ingineria țesuturilor ca schele 11, 12. Proteina din fibroină de mătase obținută din pupa Bombyx-mori a fost testată pentru diferite aplicații biomedicale 4, 13, 14, 15 și s-a demonstrat recent un nou tip de hidrogel din fibroină de mătase pentru sistemele microfluidice, micromachining multipoton și ingineria țesuturilor. 16, 17, 18, 19, 20, 21. Deși lichidele au fost utilizate pentru diverse aplicații ale dispozitivelor optoelectronice, cum ar fi afișajele cu cristale lichide (LCD), focalizarea adaptivă a fluidului și straturile de conversie a culorilor 22, 23, lentilele cu lentile hidrogel nu au fost investigate pentru aplicațiile cu LED-uri.

În acest studiu, am investigat posibilitatea utilizării hidrogelurilor de mătase ca material pentru lentile pentru diode emițătoare de lumină. Am investigat proprietățile optice ale lentilelor hidrogel ale lentilelor și am arătat că concentrația proteinelor din fibroină și reticularea au un efect direct asupra proprietăților optice ale hidrogelurilor. Am demonstrat un control ridicat asupra distribuției spațiale a luminii folosind cupole spiral-hidrogel și lentile crater pentru aplicații cu LED-uri. În plus, lentilele hidrogel au emis lumină de înaltă eficiență pe LED-uri albe calde. În cele din urmă, stabilitatea lor a fost semnificativ crescută prin utilizarea unui strat de acoperire polimeric.

rezultate si discutii

Formarea și transparența optică a hidrogelului de mătase

lentile

Proprietăți optice ale hidrogelului de mătase. A ) o fotografie care arată nivelul de transparență al unei bucăți de hidrogel de mătase plasată deasupra siglei Universității Koc tipărită pe hârtie; inserție: o diagramă a structurii unui hidrogel de mătase care arată moleculele de apă care sunt prinse în interiorul proteinelor fibroinei de mătase reticulate covalent. Cantar, 0,5 cm. ( b ) Fotografii cu hidrogeluri de mătase cu concentrații de 3, 0, 5, 0, 8, 0, 14, 0 și 18,0% din greutate. Scală, 1 cm. ( c ) permeabilitatea hidrogelurilor de mătase în unități dB/cm în spectrul vizibil la concentrații de 3, 0, 5, 0, 8, 0, 14, 0 și 18, 0 în greutate. Incorporare: permeabilitatea medie a hidrogelurilor de mătase în spectrul vizibil. ( d ) Comparația permeabilității dintre soluția de mătase și hidrogel la aceeași concentrație (8,0% g/g).

Imagine la dimensiune completă

Un alt parametru important este indicele de refracție al hidrogelului de mătase, iar valoarea indicelui de refracție trebuie să fie ușor mai mare decât valoarea apei datorită conținutului său principal de apă și a conținutului mai mic de biopolimeri. Indicele de refracție al hidrogelului de mătase a fost calculat folosind ecuația 1, unde C este concentrația mătăsii în soluție (g/ml), dn/dC este indicele de refracție specific și n SH și n apă sunt indicele de refracție al hidrogelului de mătase și al apei, 32. Aici cunoaștem indicele de refracție specific al soluției de mătase (dn/dC = 0,18 ml/g la 488 nm) și am obținut indicele de refracție al hidrogelului de mătase ca 1,35 la 488 nm. În plus, temperatura (5-70 ° C) nu afectează semnificativ performanța optică a hidrogelului de mătase 32 .

Distribuția intensității radiațiilor spațiale a lentilelor de hidrogel de mătase

Pentru a înțelege distribuția intensității spațiale a LED-urilor cu și fără obiectiv, am folosit metoda de urmărire a fasciculului. Lumina este generată de electroluminiscență cu o matrice semiconductoare și refractată de o lentilă peste LED. Am măsurat modelul de radiație al LED-urilor fără obiectiv ca emisie de referință LED și am creat același profil de emisie LED în simulare. Pentru a înțelege efectul lentilelor asupra profilului de distribuție a luminii, lentilele de tip crater și cupolă 4 au fost simulate deasupra matricei LED (Fig. 2a). Simulările numerice de urmărire a fasciculului cu sau fără lentile sunt prezentate în FIG. 2b. Obiectivul de tip crater (Fig. 2b, centru) prezintă o intensitate maximă a luminii la 16 ° și -16 °, care împrăștie lumina la unghiuri mai largi (introduceți Fig. 2b, centru). În contrast, lentila cu cupolă (Fig. 2b, dreapta) focalizează lumina în centru (introduceți Fig. 2b, dreapta).

( A ) Reprezentarea schematică a LED-urilor (stânga), a lentilei hidrogel de tip crater pe matricea LED (din mijloc) și a lentilei hidrogel în spirală cu capac de cupolă pe matricea LED (dreapta). ( b ) Distribuția intensității radiației spațiale a simulării de urmărire a fasciculului (fără efecte de împrăștiere). Inset: distribuția spațială a radiației. ( c ) Fotografii ale cipului LED utilizat pentru testarea experimentală (stânga), LED-uri acoperite cu un obiectiv hidrogel (mijloc) și un obiectiv hidrogel cuplaj (dreapta). Scală, 1 cm. ( d ) Distribuția experimentală a intensității spațiale a LED-urilor. Depozit: fotografii ale distribuției spațiale a radiațiilor.

Imagine la dimensiune completă

( A ) Reprezentarea schematică a împrăștierii în proteina de mătase hidrogel. ( b ) Eroarea pătrată medie între rezultatele experimentului și trasarea razelor. Coeficientul de împrăștiere a variat între 0 și 0,3 mm-1, iar factorul g a variat între 0,1 și 0,95. c ) Măsurarea experimentală și urmărirea simulată a razelor de distribuție a intensității radiațiilor spațiale pentru lentilele cu cupolă și ( d ) pentru lentilele de tip crater, unde eroarea minimă a fost obținută cu un coeficient de împrăștiere de 0,05 mm -1 și un factor g de 0, 7.

Imagine la dimensiune completă

Extracție ușoară și stabilitate a lentilelor hidrogel

Eficiența de extracție a luminii și stabilitatea lentilelor biomateriale. A ) Schema hidrogelului de mătase cu strat de strat de biopolimer. ( b ) Iradianța absolută a LED-urilor albe reci și calde. ( c ) Foto 8% în greutate. lentilă lentilă hidrogel pe un LED alb rece (sus) și pe un LED alb cald (jos). Scală, 1 cm. ( d ) Eficiență de extracție a luminii (LEE) a lentilelor de hidrogel (SH) acoperite și neacoperite și a obiectivului PDMS pe LED-uri albe reci și calde. e ) Descompunerea în masă a unei lentile hidrogel. Linia neagră: lentilă hidrogel de mătase simplă, linia cian: 8% din greutate Lentile hidrogel de mătase cu acoperire poli (ester-uretan), linie albastră: 8% din greutate. Lentile hidrogel de mătase cu parafină. Inserare: creșterea greutății lentilei de hidrogel cu un strat de ceară de parafină.

Imagine la dimensiune completă

Tabel în dimensiune completă

concluzii

Pe scurt, înlocuirea materialelor plastice convenționale cu materiale ecologice este importantă pentru un mediu durabil și curat. Lentilele preiau volum și greutate importante în LED-uri. Ca soluție, în acest studiu am introdus un biomaterial de hidrogeluri de mătase ca material optic pentru aplicarea lentilelor în LED. În acest scop, am extras proteine ​​din fibroină de mătase din coconi, le-am transformat în hidrogeluri și am produs lentile și cupole de tip crater pentru a controla profilul intensității spațiale. Împrăștierea datorată proteinelor și reticularea au avut un efect direct asupra proprietăților optice. Lentilele cu hidrogel ale lentilelor au prezentat eficiență de extracție a luminii peste 0,95 pe un LED alb cald, iar stabilitatea a fost îmbunătățită semnificativ printr-un strat poli-ester-uretanic biocompatibil și biodegradabil. În plus, utilizarea unui strat de ceară de parafină comestibil a crescut stabilitatea lentilei de hidrogel cu aproximativ trei ordine de mărime. Prin urmare, lentilele biomateriale promit aplicații pentru dispozitive ecologice.

metode

Prepararea soluției de fibroină de mătase

Prepararea soluției de mătase a fost efectuată conform ref. 38 după cum urmează: 5 g de coconi au fost tăiați în jumătate și viermii au fost aruncați și apoi fierți în 2 L, 0,02 M soluție Na 2 CO 3 (Sigma-Aldrich) timp de 30 de minute pentru a îndepărta guma sub formă de sericină. Coconii degasați au fost apoi spălați de două ori timp de 20 minute în 1 L de apă deionizată cu agitare și uscați la aer. Hote uscate degomate uscate au fost amestecate cu o soluție de 9,3 M LiBr (Sigma-Aldrich) (1 g/4 ml) și păstrate într-un cuptor la 60 ° C timp de 4 ore. Mătasea dizolvată a fost dializată cu cartușe de dializă (3500 MWCO, Thermo Scientific) împotriva 1 L de apă deionizată timp de 2 zile cu agitare continuă pentru a îndepărta LiBr. Apa a fost schimbată în mod regulat la 1, 4, 12, 24 și 36 de ore. În cele din urmă, soluția de mătase a fost centrifugată la 9000 rpm timp de 20 minute la -2 ° C de două ori pentru a îndepărta impuritățile. Soluțiile de mătase obținute au fost de 8-10% în greutate în apă. Pentru a obține o concentrație mai mare de soluție de mătase, 15 ml de 8-10 gr. Soluția de mătase a fost concentrată într-un cuptor timp de 4 ore la 60 ° C. Prin concentrație termică am ajuns la o concentrație de soluție de mătase de până la 28% în greutate.

Preparat hidrogel de mătase

O soluție de 1000 U/ml de peroxidază de hrean (HRP) de tip VI (Sigma-Aldrich) a fost preparată prin amestecarea 4 mg HRP cu 1 ml apă deionizată 17. Hidrogelurile de mătase au fost preparate adăugând 10 U HRP la 1 ml soluție de mătase. După sonicare, s-au adăugat 10 pl de H2O2 1% la 1 ml soluție de mătase HRP 21. Hidrogelurile de mătase s-au format în 20 de minute.

Măsurători ale transmisiei

3, 0, 5, 0, 8, 0, 14, 0, 18, 0 în greutate Soluția de mătase a fost preparată prin creșterea sau scăderea conținutului de apă în 8% în greutate. Soluție de mătase. 2 ml de hidrogel de mătase au fost preparate și plasate în cuve de 1 cm pentru a determina transmitanța UV-Vis (Shimadzu UV-3600 - spectrofotometru UV-VIS-NIR).

Distribuția intensității măsurării radiației spațiale și simularea fasciculului

O lentilă hidrogel a fost montată în LG Innotek WLED. O platformă rotativă la 360 ° a fost utilizată cu un spectrofotometru (CCS 220, Thorlabs) pentru a măsura intensitatea optică de la WLED printr-un obiectiv hidrogel al obiectivului. A fost apoi folosit software-ul de urmărire a fasciculului TracePro60. Formele de cratere și cupole au fost apoi create în software-ul Solidworks, care au fost apoi inserate în TracePro60. Sursa generatoare de lumină din TracePro60 a fost potrivită cu un LG Innotek WLED cu un profil spațial uniform și un profil unghiular gaussian cu un unghi de jumătate de 90 ° în coordonatele X și Y. Au fost utilizate 748501 grinzi la 546,1 nm. Apoi, au fost introduse împrăștierea și anizotropia factorului g, a fost utilizat modelul de împrăștiere Hunyey-Greenstein, iar modelul de radiații a fost analizat în TracePro60.

Măsurarea eficienței extracției luminii

Lentile de emisfere din mătase hidrogel cu 3 și 8 gr. Soluțiile de mătase cu diametrul de 7 mm au fost preparate și plasate într-o sferă integrată (Ocean Optics, FOIS-1). Un spectrofotometru (Ocean Optics, Torus), o sferă integratoare și o sursă de lumină HL-3 VIS-NIR (Ocean Optics, HL-3 VIS-NIR) au fost utilizate pentru a măsura eficiența de extracție a luminii probelor preparate. Ca experimente de control, intensitatea luminii de referință fără lentile a fost mai întâi măsurată și a fost calculată eficiența extracției. Măsurările dependențelor unghiulare ale lentilelor hidrogel ale lentilelor au fost efectuate folosind o etapă de rotație de 360 ​​° și un spectrofotometru.

Evaluarea stabilității lentilelor de mătase

S-a preparat un hidrogel de mătase folosind matrițe și s-a măsurat greutatea acestuia. Pierderea în greutate a fost măsurată pe parcursul a 2 zile. A fost apoi preparat un hidrogel de mătase și un strat superior de ceară de parafină și poli (ester uretan) a fost acoperit pentru a-i crește stabilitatea și pierderea în greutate a fost măsurată pe parcursul a 8 zile.

Procesul de polimerizare

4,50 g (2,25 mmol) de PCL și 0,38 g (2,25 mmol) de HMDI au fost plasate într-un balon de reacție cu fund rotund de 100 mL echipat cu un agitator, intrare de azot și reflux. S-au adăugat 9,0 g de tetrahidrofuran (THF) (Aldrich> 99%) ca solvent și 50 ppm de dilaurat de dibutiletină ca catalizator și sistemul a fost încălzit la reflux. Finalizarea reacției, care a durat aproximativ 2 ore, a fost determinată prin monitorizarea dispariției vârfului puternic de absorbție a izocianatului la aproximativ 2270 cm -1 folosind un spectrofotometru FTIR. Greutatea moleculară medie obținută (45.000 g/mol) și indicele de polidispersitate (PDI = 1,63) ale poliester-uretanului obținut au fost determinate prin cromatografie de excludere a dimensiunii în THF utilizând standarde de polistiren. Piesele turnate cu solvent au fost puternice și dure.

Mulțumiri

SN apreciază sprijinul Grantului pentru integrare în carieră Marie Curie (PROTEINLED, 631679), al Academiei de Științe din Turcia și al Consiliului Turc pentru Cercetare Științifică și Tehnologică (TUBITAK) (114F317) și (114E194). Mulțumim VESTEL Electronics Inc., Manisa, Turcia pentru furnizarea de cipuri LED. Mulțumim și prof. Univ. Sunghwan Kim de la Universitatea Ajou din Coreea de Sud pentru discuții fructuoase.

Material suplimentar electronic

informatii justificative

Comentarii

Prin trimiterea unui comentariu, sunteți de acord să respectați Termenii și condițiile și Regulile comunității. Dacă considerați că acesta este un act ofensator care nu este conform cu termenii sau liniile directoare, vă rugăm să îl marcați ca fiind inadecvat.