Femtosecond laser microfabrication for artificial leaf in glass

The main aim of this project is to apply femtosecond laser microfabrication to form buried microfluidic channels in glass with suitable geometry to prevent diffusion and turbulence mixing, to support laminar flow. The microfluidic channels will then be functionalized in order to immobilize CdSe@CdS quantum rods photocatalysts on the surface. I aim to use these functionalized microfluidic channels as flow microreactors for photoreactions. As a first step, a laser writing system was built at CNR-IFN at the beginning of the project. The laser source is a Yb:KGW femtosecond fiber laser with a pulse duration of 300 fs, wavelength of 1030 nm. Additionally, a second harmonic generation crystal was installed to exploit the more efficient wavelength of 515 nm for laser writing. Glass samples were irradiated by focusing a 250 mW average power femtosecond laser beam at a wavelength of 515 nm to form the desired geometry inside the glass. Then the samples were etched using hydrofluoric acid at room temperature to obtain hollow structures. In order to optimize the processes for immobilization of CdSe@CdS nanorods on the surface of microchannels, the immobilization of nanorods on a glass slide surface was first investigated using several linkers such as (3-aminopropyl)triethoxysilane (APTES), carbon disulfide (CS2) and (3-mercaptopropyl)triethoxysilane (MPTES). Fourier transform infra-red (FTIR) spectroscopy and wet contact angle measurement confirmed the existence of silane layers on glass. The thickness of silane layers was measured by an ellipsometer, giving the thickness of 30 nm. The results from absorption spectroscopy show that MPTES is the best linker for immobilization of nanorods. The catalytic performance of nanorod modified glass slides was investigated by photoreaction with a mixture of anthraquinone. The nanorod modified glass slides were dipped into a cuvette containing anthraquinone, benzylamine, acetonitrile and water. The cuvettes were irradiated by a 460 nm lamp under nitrogen atmosphere to trigger the reaction between modified glass and the mixture. The absorption spectra of reagent solution were taken before, during and after illumination. The nanorods were immobilized on microchannel surfaces using similar procedures as the glass slide. Fluorescent microscopy revealed that the nanorods were deposited successfully on the microchannel surface. The success in immobilization of nanorods on the surface of microchannels opens a new and exciting approach to investigate photocatalytic reaction under flow conditions.

Lo scopo principale di questo progetto è applicare la microfabbricazione laser a femtosecondi per formare dei canali microfluidici in vetro con geometria adeguata per prevenire la diffusione e la miscelazione turbolenta. I canali microfluidici verranno poi funzionalizzati per immobilizzare i fotocatalizzatori CdSe @ CdS quantum rods sulla superficie. Mi propongo di utilizzare questi canali microfluidici funzionalizzati come microreattori di flusso per le fotoreazioni. Come primo passo all'inizio del progetto, al CNR-IFN è stato realizzato un sistema di scrittura laser. La sorgente laser è un laser a fibra Yb: KGW a femtosecondi con una durata dell'impulso di 300 fs e una lunghezza d'onda di 1030 nm. Inoltre, è stato anche installato un cristallo nonlineare per sfruttare la lunghezza d'onda più efficiente di 515 nm per la scrittura laser. I campioni di vetro sono stati irradiati focalizzando un raggio laser a femtosecondi di potenza media di 250 mW a una lunghezza d'onda di 515 nm per realizzare la geometria desiderata all'interno del vetro. Quindi i campioni sono stati trattati con acido fluoridrico a temperatura ambiente per ottenere strutture cave. Al fine di ottimizzare i processi dell’immobilizzazione dei nanotubi CdSe @ CdS sulla superficie dei microcanali, è stata prima studiata l'immobilizzazione dei nanotubi sulla superficie di un vetrino utilizzando diversi linker come (3-amminopropil) trietossisilano(APTES), disolfuro di carbonio (CS2 ) e (3-mercaptopropil) trietossisilano (MPTES). La spettroscopia a infrarossi trasformata di Fourier (FTIR) e l'angolo di contatto hanno confermato l'esistenza di strati di silano sul vetro. Lo spessore degli strati di silano è stato misurato mediante un ellissometro, rilevando uno spessore di 30 nm. I risultati della spettroscopia di assorbimento mostrano che MPTES è il miglior connettore per l'immobilizzazione dei nanotubi. Le prestazioni catalitiche dei vetrini modificati con i nanorod sono state studiate mediante fotoreazione con una miscela di antrachinone. I vetrini modificati con nanorod sono stati immersi in una cuvetta contenente antrachinone, benzilammina, acetonitrile e acqua. Le cuvette sono state irradiate da una lampada da 460 nm sotto atmosfera di azoto per innescare la reazione tra il vetro modificato e la miscela. Gli spettri di assorbimento della soluzione reagente sono stati rilevati prima, durante e dopo l'illuminazione. I nanotubi sono stati immobilizzati sui microcanali utilizzando una procedura simile a quella del vetrino. La microscopia a fluorescenza ha rivelato che i nanotubi sono stati depositati con successo sulla superficie del microcanale. Il successo nell'immobilizzazione dei nanotubi sulla superficie dei microcanali apre un nuovo ed entusiasmante approccio per studiare la reazione fotocatalitica in condizioni di flusso.