СТРУЙНАЯ ПЕЧАТЬ ВЫСОКОРЕФРАКТИВНЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ ЗОЛЯ TiO₂

Предмет исследования.Впервые описано формирование наноструктур на основе диоксида титана в виде оптических элементов, нанесенных методом струйной печати. Предложенный подход развивает высокоэффективный способ создания оптических нанообъектов, таких как прозрачные дифракционные структуры, прозрачные интерференционные изображения. Методы. Для синтеза золя использован изопропоксид титана, изопропиловый спирт, азотная кислота и деионизованная вода. Наночастицы TiO₂ получены в результате гидролиза изопропоксида титана (0,36 моль) в деионизованной воде (33,3 моль) при постоянном перемешивании в присутствии азотной кислоты (0,04 моль) в качестве протонирующего агента. Вязкость определялась вискозиметром Brookfield HA/HB, а поверхностное натяжение – тензиометром Kyowa DY-700. Титаноксидные чернила наносились на коммерческие образцы гладкой и микроэмбоссированной полиэтиленовой пленки толщиной 20 мкм. Для печати использован струйный принтер Canon Pixma IP 2840. Толщина напечатанного слоя TiO₂ после высыхания на воздухе и удаления растворителей была не более 500 нм с показателем преломления не менее 2,08 во всем видимом диапазоне. Основные результаты. Проведен синтез водного золя диоксида титана, использованного для получения чернил с заданными реологическими характеристиками – вязкостью и поверхностным натяжением. Требуемая реология жидкости достигалась регулированием параметров золь-гель перехода в системе водного золя TiO_2, а также путем добавления этилового спирта, влияющего на состояние заряда двойного электрического слоя дисперсной фазы. Получено оптимальное объемное соотношение компонентов золя TiO₂ и этанола, дающее оптимальное соотношение между возможными значениями вязкости и поверхностного натяжения материала для применения полученной жидкости в качестве чернил струйного принтера. Установлено, что образуемые нанокристаллическим золем диоксида титана покрытия имеют высокий показатель преломления во всем видимом диапазоне (не ниже 2,08).Показана возможность нанесения оптических прозрачных микроструктур, обладающих дифракционным эффектом, на прозрачные поверхности. Представлена характеризация морфологии частиц и топология поверхности напечатанных объектов, изученных при помощи оптического и атомно-силового микроскопов. Практическая значимость. Предложен подход для получения цветных, интерференционных изображений с использованием одного вида высокорефрактивных чернил. Метод открывает новые возможности для рулонной технологии производства защищенных оптических структур на гибких полимерных субстратах.

1. Yakovlev A.V., Milichko V.A., Vinogradov V.V., Vinogradov A.V. Sol-gel assisted inkjet hologram patterning // Advanced Functional Materials. 2015. V. 25. N 47. P. 7375–7380. doi: 10.1002/adfm.201503483
2. Calvert P. Inkjet printing for materials and devices // Chemistry of Materials. 2001. V. 13. N 10. P. 3299–3305. doi: 10.1021/cm0101632
3. Singh M., Haverinen H.M., Dhagat P., Jabbour G.E. Inkjet printing-process and its applications // Advanced Materials. 2010. V. 22. N 6. P. 673–685. doi: 10.1002/adma.200901141
4. Yakovlev A.V., Milichko V.A., Vinogradov V.V., Vinogradov A.V. Inkjet color printing by interference nanostructures // ACS Nano. 2016. V. 10. N 3. P. 3078–3086. doi: 10.1021/acsnano.5b06074
5. Hebner T.R., Wu C.C., Marcy D., Lu M.H., Sturm J.C. Ink-jet printing of doped polymers for organic light emitting devices // Applied Physics Letters. 1998. V. 72. N 5. P. 519–521. doi: 10.1063/1.120807
6. Zhang S. Fabrication of novel biomaterials through molecular self-assembly // Nature Biotechnology. 2003. V. 21. N 10. P. 1171–1178. doi: 10.1038/nbt874
7. Liu J-G., Nakamura Y., Ogura T., Shibasaki Y., Ando S., Ueda M. Optically transparent sulfur-containing polyimide-TiO2 nanocomposite films with high refractive index and negative pattern formation from poly(amic acid)-TiO2 nanocomposite film // Chemistry of Materials. 2008. V. 20. N 1. P. 273–281. doi: 10.1021/cm071430s
8. Lv C., Liu Y., Mo J., Li P., Lv X. Angle-resolved diffraction grating biosensor based on porous silicon // Journal of Applied Physics. 2016. V. 119. N 9. Art. 094502. doi: 10.1063/1.4943072
9. Lee L.-H., Chen W.-C. High-refractive-ondex thin films prepared from trialkoxysilane-capped poly(methyl methacrylate)-titania materials // Chemistry of Materials. 2001. V. 13. N 3. P. 1137–1138. doi: 10.1021/cm000937z
10. Elim H.I., Cai B., Kurata Y., Sugihara O., Kaino T., Adschiri T., Chu A.-L., Kambe N. Refractive index control and rayleigh scattering properties of transparent TiO2 nanohybrid polymer // Journal of Physics Chemistry B. 2009. V. 113. N 1. P. 10143–10148. doi: 10.1021/jp902598f
11. Cavallin T., Habra N., Casarin M., Bordin F., Sartori A., Favaro M., Gerbasi R., Rossetto G. Superhydrophilic and tribological improvements of polymeric surfaces via plasma enhanced chemical vapor deposition ceramic coatings // Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 2011. V. 11. N 9. P. 8079–8082. doi: 10.1166/jnn.2011.5084
12. Szili E.J., Kumar S., Smart R.St.C., Lowe R., Saiz E., Voelcker N.H. Plasma enhanced chemical vapour deposition of silica onto titanium: analysis of surface chemistry, morphology and functional hydroxyl groups // Surface Science. 2008. V. 602. N 14. P. 2402–2411. doi: 10.1016/j.susc.2008.05.027
13. Wu J. Computer Generated Hologram [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.loft.optics.arizona.edu/documents/journal_articles/2007_James_Wu.pdf, свободный Яз. англ. (дата обращения 28.09.2016).
14. Vinogradov A.V., Vinogradov V.V. Effect of acidic peptization on formation of highly photoactive TiO2 films prepared without heat treatment // Journal of the American Ceramic Society. 2014. V. 97. N 1. P. 290-294. doi: 10.1111/jace.12560
15. Gao L., Lemarchand R., Lequime M. Refractive index determination of SiO2 layer in the UV/Vis/NIR range: spectrophotometric reverse engineering on single and bi-layer designs // Journal of the European Optical Society. Rapid Publications. 2013. V. 8. Art. 13010. doi: 10.2971/jeos.2013.13010
16. Harizanov O., Harizanova A. Development and investigation of sol-gel solutions for the formation of TiO2 coatings // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2000. V. 63. N 2. P. 185–195. doi: 10.1016/S0927-0248(00)00008-8

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License