Nanophotonics on Paper Platform

Abstract

This work concentrated on three nanophotonic applications based on printed and coated functionality on natural fibre based substrates. Hence, the thesis deals with three emerging fields: nanotechnology, nanophotonics, and sustainable materials. Nanotechnology tools have been developed over the past few decades increasing tremendously our abilities to control matter in nanoscale. This has resulted in the growth of nanophotonics, i.e. how light can be controlled by nanoscale structures and particles. This work concentrates on TiO2 and silver nanoparticles, and their applications on paperboard substrate. Demands for sustainability have grown significantly in recent years with growing population and emerging environmental issues. Nanotechnology is an ideal tool for promoting sustainability: with less material and energy consumption one can generate the same or even enhanced properties. Combining such nanoscale structures with renewable materials provides a double advantage compared to the traditional solutions.

First, photocatalytic activity of liquid flame spray (LFS) deposited TiO2 nanoparticles on paperboard was utilized for controlled wettability. It has been shown earlier that it is possible to convert an initially superhydrophobic surface into a highly hydrophilic one by ultraviolet A (UVA) irradiation. However, this process is reversible and the initial superhydrophobicity is returned within 60 days in storage. In this work a protocol was developed for making the wettability conversion permanent by first stage wetting, i.e. by exposing the UVA irradiated TiO2 nanoparticles to water that removed the nanoparticles from the irradiated area permanently.

Additionally, durability of such nanoparticle coated paperboard under compression was studied. Surface-enhanced Raman scattering (SERS) activity was demonstrated by LFS deposited silver nanoparticles on glass substrate, thereafter expanded to paperboard surfaces. A problem with paperboard for SERS analysis is background luminescence, which is typically orders of magnitude larger than the Raman signal, and which thereby easily dominates the measured spectrum. Two different solutions for SERS active paperboard substrates were developed. First, inkjet printing with commercial silver nanoparticle ink was found suitable for SERS activity but only with a full silver coverage on paperboard blocking the luminescence from the base paperboard. A more cost-effective solution was developed by using a simple carbon coating by flexography that allowed even individual LFS deposited silver nanoparticles for SERS measurements on paperboard with significantly reduced silver amount and consequently, cost.

Finally, commercial TiO2 nanoparticles were used together with methylene blue (MB) organic dye. MB has a distinct blue color in the oxidized form that can be converted to the transparent leucomethylene blue form by UVA activation together with TiO2 nanoparticles. Therefore, functional ink combining MB with TiO2 nanoparticles was shown to be suitable for costefficient oxygen indicators. Both reverse gravure coated and flexographic printed indicator labels were demonstrated that are suitable for simple oxygen indicators, for example, in modified atmosphere packages.

The use of metal and metal oxide nanostructures as functional light-activated materials enables creation of both cost-efficient and environmentally sound products, which can be widely used in society enabling a break-through in transformation from the current fossil fuel based economy to a solar driven economy. Therefore, as a summary, it is believed that the results of the thesis can lay ground for the development of new large-scale, nanostructured light-activated materials on natural fibre based substrates providing sustainable solutions for future generations.

Detta arbete koncentrerade sig på tre nanofotoniska applikationer som baserar sig på tryckt och bestruken funktionalitet på naturfiberbaserade substrat. Avhandlingen behandlar tre nya områden: nanoteknologi, nanofotonik och hållbara material. Nanotekniska verktyg har utvecklats under de senaste decennierna och ökat enormt vår förmåga att kontrollera materia i nanoskala. Detta har resulterat i tillväxt av nanofotonik, dvs. hur ljus kan styras av strukturer och partiklar i nanoskala. Detta arbete koncentrerar sig på TiO2- och silvernanopartiklar och deras applikationer på kartongunderlag. Kraven på hållbarhet har vuxit betydligt under de senaste åren samtidigt med ökande befolkning och växande miljöproblem. Nanoteknologi är ett idealt verktyg för främjande av hållbarhet: med mindre material- och energiförbrukning kan man generera samma eller till och med förbättrade egenskaper. Genom att kombinera sådana strukturer i nanoskala med förnybara material fördubblas fördelen jämfört med de traditionella lösningarna.

Fotokatalytisk aktivitet av TiO2-nanopartiklar som utfällts med flytande flamspray (LFS) på kartong användes för kontrollerad vätningsförmåga. Det har tidigare visats att det är möjligt att konvertera en initialt superhydrofob yta till i en hög grad hydrofil yta via ultraviolett A (UVA)-aktivering. Denna process är dock reversibel och den initiala superhydrofobiciteten återkommer inom 60 dagars lagring. I detta arbete utvecklades en metod för att göra vätningsförmågans konvertering permanent genom vätning av första steget, dvs. genom att utsätta de UVA-aktiverade TiO2-nanopartiklarna för vatten som permanent avlägsnade nanopartiklarna från det strålade ytan. Dessutom undersöktes hållbarheten för en nanopartikelbelagd kartong under kompression. Aktiviteten av ytförstärkt Raman-spridning (SERS) demonstrerades med hjälp av LFS-deposition av silverpartiklar på glassubstrat och senare på kartongytor. Ett problem med kartong för SERS-analys är bakgrundsluminescensen som är normalt några storleksordningar större än Raman-signalen och därför enkelt dominerar det mätta spektrumet. Två olika lösningar för SERS-aktiva kartong utvecklades. Den första var bläckstråletryckning med en kommersiell nanopartikulär silvertryckfärg som var lämplig för SERS-aktivitet men endast då kartongytan var totalt täckt så att luminescensen från kartongen blockerades. En mer kostnadseffektiv lösning utvecklades genom att använda en enkel kolbeläggning med hjälp av flexografi som möjliggjorde även SERS-analys av individuella LFS-deponerade silverpartiklar på kartong vilket reducerade silvermängden och kostnaderna. Slutligen användes kommersiella TiO2-nanopartiklar tillsammansmed ett organiskt färgämne, metylenblå (MB). MB har en distinkt blå färg i oxiderad form som kan omvandlas till den genomskinliga leukometylenblå genom UVA-aktivering tillsammans med TiO2-nanopartiklar. Därför visade sig det funktionella bläcket som kombinerar MB med TiO2-nanopartiklar vara lämpligt för kostnadseffektiva syreindikatorer. Både omvänd gravyrbelagda och flexografitryckta indikatoretiketter, som är lämpliga för t.ex. enkla syreindikatorer i förpackningar med modifierad atmosfär, demonstrerades.

Användning av metall- och metalloxidnanostrukturer som funktionella ljusaktiverade material möjliggör skapande av både kostnadseffektiva och miljöanpassade produkter som kan i stor utsträckning användas i samhället, och som möjliggör ett genombrott i omvandlingen från en ekonomi baserad på fossilt bränsle till en solstyrd ekonomi. Sammanfattningsvis, resultaten från denna avhandling kan antas ge en bas för utveckling av nya storskaliga, nanostrukturerade ljusaktiverade material på naturfiberbaserade substrat som ger hållbara lösningar för kommande generationer.