елементи

абстрактно

Днес голямото търсене на електроника води до масово производство на отпадъци, поради което електронните устройства, базирани на екологични материали, са все по-важни за опазването на околната среда и устойчивостта. Хидрогеловете на основата на биоматериали се използват широко в тъканното инженерство, но тяхното използване в фотониката е ограничено. В това проучване коприненият фиброинов протеин под формата на хидрогел е изследван като био-приятелска алтернатива на конвенционалните полимери за приложения на лещи в светодиоди. Концентрацията на копринен фиброинов протеин и омрежител оказва пряк ефект върху оптичните свойства на копринения хидрогел. Разпределението на интензитета на пространственото излъчване се контролира с помощта на спирално-хидрогелни куполи от типа купол и кратер. Хидрогелната леща показа ефективност на извличане на светлина над 0,95 на топло бял светодиод. Стабилността на копринената хидрогелна леща се увеличава с приблизително три пъти, като се използва биосъвместимо/биоразградимо поли (естер-уретаново) покритие и повече от три порядъка, като се използва ядливо парафиново покритие. Следователно, лещите с биоматериал обещават зелени оптоелектронни приложения.

Потреблението на електронни устройства се увеличава всеки ден и тази тенденция води до огромно количество електронни отпадъци (електронни отпадъци). Например през 2011 г. САЩ са произвели повече от 2 милиона тона електронни отпадъци само за 1 и въпреки че значителна част от електронните отпадъци (24,9%) се рециклират, останалите отпадъци представляват значителен риск за околната среда 2. Когато се вземат предвид глобалните електронни отпадъци, произведени в световен мащаб, последиците стават катастрофални (например големи боклуци в Тихия океан). Следователно в електрониката е необходим преход към „зелени“ материали за опазване на околната среда и устойчивост.

Хидрогеловете на основата на биосъвместим материал се използват широко в тъканното инженерство като скелета 11, 12. Протеинът от копринен фиброин, получен от какавиди Bombyx-mori, е тестван за различни биомедицински приложения 4, 13, 14, 15, а наскоро е демонстриран нов тип хидрогел от копринен фиброин за микрофлуидни системи, многопотонна микрообработка и тъканно инженерство. 16, 17, 18, 19, 20, 21. Въпреки че течностите са били използвани за различни приложения на оптоелектронни устройства, като течнокристални дисплеи (LCD), адаптивно фокусиране на течността и слоеве за преобразуване на цветове 22, 23, лещите с хидрогелни лещи не са изследвани за LED приложения.

В това проучване ние изследвахме възможността за използване на копринени хидрогелове като материал за лещи за светодиоди. Изследвахме оптичните свойства на лещите с хидрогелни лещи и показахме, че концентрацията на фиброин протеин и омрежването имат пряк ефект върху оптичните свойства на хидрогелите. Ние демонстрирахме висок контрол върху пространственото разпределение на светлината, използвайки спирално-хидрогелни куполи и кратерни лещи за LED приложения. В допълнение, хидрогелните лещи излъчват високоефективна светлина върху топли бели светодиоди. И накрая, тяхната стабилност беше значително увеличена чрез използването на полимерно покритие.

Резултати и дискусия

Образуване и оптична прозрачност на копринен хидрогел

хидрогелни

Оптични свойства на копринения хидрогел. а ) снимка, показваща нивото на прозрачност на парче копринен хидрогел, поставено върху логото на университета Koc, отпечатано на хартия; вмъкване: структурна диаграма на копринен хидрогел, показващ водни молекули, които са заловени вътре в ковалентно омрежени копринени фиброинови протеини. Скала, 0,5 cm. ( б ) Снимки на копринени хидрогелове с концентрации 3, 0, 5, 0, 8, 0, 14, 0 и 18,0 тегловни%. Мащаб, 1 см. ( ° С ) пропускливостта на копринените хидрогелове в dB/cm единици във видимия спектър при концентрации 3, 0, 5, 0, 8, 0, 14, 0 и 18, 0 тегл. Вграждане: Средна пропускливост на копринени хидрогелове във видимия спектър. ( д ) Сравнение на пропускливостта между разтвора на коприна и хидрогела при същата концентрация (8,0% w/w).

Изображение в пълен размер

Друг важен параметър е показателят на пречупване на копринения хидрогел и стойността на показателя на пречупване трябва да бъде малко по-висока от стойността на водата поради нейното основно водно съдържание и по-ниско съдържание на биополимери. Индексът на пречупване на копринения хидрогел е изчислен с помощта на уравнение 1, където C е концентрацията на коприна в разтвор (g/ml), dn/dC е специфичният показател на пречупване, а n SH и n вода са показателят на пречупване на копринения хидрогел и вода, 32. Тук знаем специфичния показател на пречупване на разтвора на коприната (dn/dC = 0,18 ml/g при 488 nm) и получихме показателя на пречупване на копринения хидрогел като 1,35 при 488 nm. Освен това температурата (5-70 ° C) не влияе значително на оптичните характеристики на копринения хидрогел 32 .

Пространствено разпределение на интензивността на излъчване на копринени хидрогелни лещи

За да разберем пространственото разпределение на интензитета на светодиодите със и без обектив, използвахме метода за проследяване на лъча. Светлината се генерира от електролуминесценция с полупроводникова матрица и се пречупва от леща над светодиода. Измерихме диаграмата на излъчване на светодиодите без лещата като еталонна светодиодна емисия и създадохме същия симулационен профил на LED в симулацията. За да се разбере ефектът на лещите върху профила на разпределение на светлината, кратерните и куполовидните лещи 4 бяха симулирани върху LED матрицата (фиг. 2а). Числени симулации на проследяване на лъча със и без лещи са показани на ФИГ. 2б. Обективът от тип кратер (фиг. 2b, център) показва максимална интензивност на светлината при 16 ° и −16 °, която разсейва светлината в по-широки ъгли (вмъкнете фиг. 2б, в центъра). За разлика от тях куполната леща (фиг. 2б, вдясно) фокусира светлината в центъра (вмъкнете фиг. 2б, вдясно).

( а ) Схематично представяне на светодиоди (вляво), хидрогелна леща от кратерен тип на LED матрица (средна) и спирална хидрогелна леща с капак на купола на LED матрица (вдясно). ( б ) Пространствено разпределение на интензитета на излъчване на симулацията за проследяване на лъча (без разсейващи ефекти). Приставка: пространствено разпределение на радиацията. ( ° С ) Снимки на LED чипа, използван за експериментални тестове (вляво), светодиоди, покрити с леща хидрогелна леща (средна) и свързваща хидрогелна леща (вдясно). Мащаб, 1 см. ( д ) Експериментално светодиодно пространствено разпределение на интензитета. Депозит: снимки на пространственото разпределение на радиацията.

Изображение в пълен размер

( а ) Схематично представяне на разсейването в хидрогелен копринен протеин. ( б ) Средна квадратна грешка между резултатите от експеримента и проследяването на лъчите. Коефициентът на разсейване варира между 0 и 0,3 mm-1, а g-факторът варира между 0,1 и 0,95. ° С ) Експериментално измерване и симулирано проследяване на лъчи за разпределение на интензитета на пространственото излъчване за куполни лещи и ( д ) за лещи от тип кратер, където минималната грешка е получена с коефициент на разсейване 0,05 mm -1 и фактор g 0,7.

Изображение в пълен размер

Лесно извличане и стабилност на хидрогелните лещи

Ефективност на извличане на светлина и стабилност на лещите от биоматериал. а ) Схема на копринен хидрогел с покритие от биополимерен слой. ( б ) Абсолютно облъчване на студени и топли бели светодиоди. ( ° С ) Снимка 8% тегл. лещи хидрогелни лещи на студен бял светодиод (отгоре) и на топло бял светодиод (отдолу). Мащаб, 1 см. ( д ) Ефективност на извличане на светлина (LEE) на покрити и непокрити хидрогелни (SH) лещи и PDMS лещи на студени и топли бели светодиоди. д ) Масово разлагане на леща хидрогелна леща. Черна линия: единична копринена хидрогелна леща, циан линия: 8 тегловни% Копринена хидрогелна леща с поли (естер-уретаново) покритие, синя линия: 8 тегловни%. Леща от копринен хидрогел с парафин. Вложка: увеличаване на теглото на лещата хидрогелна леща с парафиново покритие.

Изображение в пълен размер

Маса в пълен размер

заключения

Накратко, замяната на конвенционалните пластмаси с екологично чисти материали е важна за устойчивата и чиста околна среда. Лещите заемат важен обем и тегло в светодиодите. Като решение в това проучване въведохме биоматериал от копринени хидрогелове като оптичен материал за нанасяне на лещи в светодиоди. За тази цел извличаме протеини от копринен фиброин от пашкули, трансформирахме ги в хидрогелове и произвеждаме кратерни и куполни лещи за контрол на профила на пространствената интензивност. Разсейването, дължащо се на протеини и омрежването, има пряк ефект върху оптичните свойства. Обективните хидрогелни лещи показват ефективност на извличане на светлина над 0,95 върху топло бял светодиод и стабилността е значително увеличена от биосъвместимо и биоразградимо поли (естер-уретаново) покритие. В допълнение, използването на годно за консумация парафиново покритие увеличава стабилността на лещата на хидрогелната леща с приблизително три порядъка. Следователно, лещите с биоматериал обещават приложения за екологични устройства.

методи

Приготвяне на разтвор на копринен фиброин

Приготвянето на копринения разтвор се извършва съгласно реф. 38, както следва: 5 g пашкули се разрязват наполовина и червеите се изхвърлят и след това се варят в 2 L, 0,02 M Na 2 CO 3 разтвор (Sigma-Aldrich) в продължение на 30 минути, за да се отстрани дъвката като серицин. След това дегазираните пашкули се измиват два пъти в продължение на 20 минути в 1 L дейонизирана вода при разбъркване и се изсушават на въздух. Изсушените обезсолени сушени качулки се смесват с разтвор на 9,3 М LiBr (Sigma-Aldrich) (1 g/4 ml) и се държат във фурна при 60 ° С в продължение на 4 часа. Разтворената коприна се диализира с диализни патрони (3500 MWCO, Thermo Scientific) срещу 1 L дейонизирана вода в продължение на 2 дни при непрекъснато разбъркване за отстраняване на LiBr. Водата се сменяше редовно на 1, 4, 12, 24 и 36 часа. Накрая, коприненият разтвор се центрофугира при 9000 об/мин за 20 минути при -2 ° С два пъти, за да се отстранят примесите. Получените копринени разтвори са 8 до 10 тегловни% във вода. За да се постигне по-висока концентрация на копринен разтвор, 15 ml от 8 до 10 тегл. Коприненият разтвор се концентрира във фурна в продължение на 4 часа при 60 ° С. Чрез термична концентрация достигнахме концентрация на копринен разтвор до 28 тегловни%.

Приготвяне на копринен хидрогел

Приготвя се разтвор от 1000 U/ml пероксидаза от хрян (HRP) (Sigma-Aldrich) чрез смесване на 4 mg HRP с 1 ml дейонизирана вода 17. Копринени хидрогелове се приготвят чрез добавяне на 10 U HRP към 1 ml копринен разтвор. След обработка с ултразвук, 10 μl 1% H 2 O 2 се добавят към 1 ml копринен разтвор HRP 21. Хидрогелове от коприна се образуват за 20 минути.

Измервания на трансмисията

3, 0, 5, 0, 8, 0, 14, 0, 18, 0 тегл. Коприненият разтвор се приготвя чрез увеличаване или намаляване на водното съдържание в 8 тегловни%. Копринен разтвор. Приготвят се 2 ml копринен хидрогел и се поставят в 1 cm кювети за определяне на UV-Vis пропускливост (Shimadzu UV-3600 - UV-VIS-NIR спектрофотометър).

Разпределение на интензивността на измерване на пространственото излъчване и симулация на проследяване на лъча

В LG Innotek WLED е монтирана леща с хидрогелни лещи. Използвана е въртяща се на 360 ° платформа със спектрофотометър (CCS 220, Thorlabs) за измерване на оптичния интензитет от WLED през леща хидрогелна леща. След това беше използван софтуер за проследяване на лъчи TracePro60. След това бяха създадени форми на кратер и купол в софтуера Solidworks, които след това бяха вмъкнати в TracePro60. Източникът на светлина в TracePro60 е съчетан с LG Innotek WLED с еднакъв пространствен профил и ъглов профил на Гаус с половин ъгъл от 90 ° в координати X и Y. След това бяха въведени разсейването и анизотропията на g-фактора, беше използван моделът на разсейване на Hunyey-Greenstein и радиационният модел беше анализиран в TracePro60.

Измерване на ефективността на извличане на светлина

Копринени хидрогелни полусфери лещи с 3 и 8 тегл. Приготвят се копринени разтвори с диаметър 7 mm и се поставят в интегрирана сфера (Ocean Optics, FOIS-1). Спектрофотометър (Ocean Optics, Torus), интегрираща сфера и източник на светлина HL-3 VIS-NIR (Ocean Optics, HL-3 VIS-NIR) бяха използвани за измерване на ефективността на извличане на светлината на подготвените проби. Като контролни експерименти първо се измерва интензитетът на еталонната светлина без никаква леща и се изчислява ефективността на екстракцията. Измерванията на ъгловите зависимости на хидрогелните лещи на лещите бяха извършени с помощта на 360 ° етап на въртене и спектрофотометър.

Оценка на стабилността на копринените лещи

Приготвя се копринен хидрогел с помощта на форми и се измерва теглото му. Загубата на тегло е измерена в продължение на 2 дни. След това се приготвя копринен хидрогел и се покрива най-горният слой парафинов восък и поли (естерен уретан), за да се увеличи неговата стабилност и загубата на тегло се измерва в продължение на 8 дни.

Процес на полимеризация

4,50 g (2,25 mmol) PCL и 0,38 g (2,25 mmol) HMDI се поставят в 100 ml реакционна колба с кръгло дъно, снабдена с бъркалка, азотен вход и обратен хладник. 9.0 g тетрахидрофуран (THF) (Aldrich> 99%) се добавят като разтворител и 50 ppm дибутилтин дилаурат като катализатор и системата се нагрява до кипене. Завършването на реакцията, продължила приблизително 2 часа, беше определено чрез проследяване на изчезването на силния пик на абсорбция на изоцианат при около 2270 cm -1, използвайки FTIR спектрофотометър. Полученото средно молекулно тегло (45 000 g/mol) и индексът на полидисперсност (PDI = 1,63) на получения полиестер-уретан бяха определени чрез хроматография за изключване на размера в THF, използвайки полистиролови стандарти. Различните отливки бяха здрави и твърди.

Благодаря

SN оценява подкрепата на гранта за кариерна интеграция на Мария Кюри (PROTEINLED, 631679), Турската академия на науките и турския съвет за научни и технологични изследвания (TUBITAK) (114F317) и (114E194). Благодарим на VESTEL Electronics Inc., Маниса, Турция, че предостави LED чипове. Благодарим и на проф. Sunghwan Kim от университета Ajou в Южна Корея за ползотворни дискусии.

Електронен допълнителен материал

подкрепяща информация

Коментари

Изпращайки коментар, вие се съгласявате да спазвате нашите Общи условия и насоки на общността. Ако смятате, че това е обидно действие, което не отговаря на нашите условия или насоки, моля, сигнализирайте за неподходящо.