Forskere bruger spincoating for at forhindre revner i nanopartikelfilm

(Phys.org)—At lave ensartede belægninger er en almindelig ingeniørudfordring, og, når du arbejder på nanoskalaen, selv de mindste revner eller defekter kan være et stort problem. Ny forskning fra ingeniører fra University of Pennsylvania har vist en ny måde at undgå sådanne revner, når man afsætter tynde film af nanopartikler.

Forskningen blev ledet af kandidatstuderende Jacob Prosser og adjunkt Daeyeon Lee, både fra Institut for Kemi og Biomolekylær Teknik i Penns School of Engineering and Applied Science. Kandidatstuderende Teresa Brugarolas og bachelorstuderende Steven Lee, også af kemi og biomolekylær teknik, og professor Adam Nolte fra Rose-Hulman Institute of Technology deltog i forskningen.

Deres arbejde blev offentliggjort i tidsskriftet Nano bogstaver .

For at generere en nanopartikelfilm, de ønskede partikler suspenderes i en passende væske, som derefter spredes tyndt og jævnt ud over overfladen gennem en række fysiske metoder. Væsken får derefter lov til at fordampe, men, når det tørrer, filmen kan revne som mudder i solen.

"En metode til at forhindre revnedannelse er at modificere suspensionens kemi ved at putte bindende additiver deri, " sagde Prosser. "Men det er i bund og grund at tilføje et nyt materiale til filmen, som kan ødelægge dens egenskaber."

Dette dilemma fremhæves i tilfælde af elektroder, kontaktpunkterne i mange elektriske enheder, der overfører elektricitet. High-end-enheder, ligesom visse typer solceller, har elektroder sammensat af nanopartikelfilm, der leder elektroner, men revner i filmene fungerer som isolatorer. Tilføjelse af et bindemiddel til filmene ville kun forværre problemet.

"Disse bindemidler er normalt polymerer, som selv er isolatorer, " sagde Lee. "Hvis du bruger dem, du vil ikke få den målrettede ejendom, ledningsevnen, som du ønsker."

Ingeniører kan forhindre revner med alternative tørremetoder, men disse involverer ultrahøje temperaturer eller tryk og dermed dyrt og kompliceret udstyr. En billig og effektiv metode til at forhindre revner ville være en velsignelse for et vilkårligt antal industrielle processer.

Allestedsnærværelsen af ​​cracking i denne sammenhæng, imidlertid, betyder, at forskere kender den "kritiske revnetykkelse" for mange materialer. Gennembruddet kom, da Prosser forsøgte at lave en film tyndere end denne tærskel, stable dem derefter sammen for at lave en komposit af den ønskede tykkelse.

"Jeg tænkte på, hvordan i maling af bygninger og boliger, der bruges flere lag, " sagde Prosser. "En grund til det er at undgå at revne og skalle. Jeg troede, at det også kunne fungere til disse film, så jeg prøvede det. "

"Dette er en af ​​de ting, hvor når du først finder ud af det, "Lee sagde, "det er så tydeligt, men på en eller anden måde har denne metode undgået alle i alle disse år."

En af grundene til, at denne tilgang kan have været uafprøvet, er, at det er kontraintuitivt, at det overhovedet skulle virke.

Metoden, som forskerne brugte til at lave filmene, er kendt som "spin-coating". En præcis mængde af nanopartikelsuspensionen - i dette tilfælde, silicakugler i vand - spredes over måloverfladen. Overfladen spindes derefter hurtigt, hvilket får centrifugalaccelerationen til at fortynde suspensionen over overfladen i et ensartet lag. Suspensionen tørrer derefter med fortsat rotation, får vandet til at fordampe og efterlader silicakuglerne i et komprimeret arrangement.

Men for at lave et andet lag over dette først, endnu en dråbe flydende suspension skal placeres på de tørrede nanopartikler, noget, der normalt ville vaske dem væk. Imidlertid, forskerne blev overraskede, da de tørrede lag forblev intakte, efter at processen blev gentaget 13 gange; den nøjagtige mekanisme, hvormed de forblev stabile, er noget af et mysterium.

"Vi tror på, at nanopartiklerne bliver på overfladen, "Lee sagde, "fordi der dannes kovalente bindinger mellem dem, selvom vi ikke udsætter dem for høje temperaturer. Inspirationen til den hypotese kom fra vores kollega Rob Carpick. Hans seneste Natur papir handlede om, hvordan silica-silica overflader danner bindinger ved stuetemperatur; vi tror, ​​det vil fungere med andre slags metaloxider."

Fremtidig forskning vil være nødvendig for at fastlægge denne mekanisme og anvende den på nye typer nanopartikler.