(Phys.org)—Het maken van uniforme coatings is een veelvoorkomende technische uitdaging, en, bij het werken op nanoschaal, zelfs de kleinste scheurtjes of defecten kunnen een groot probleem zijn. Nieuw onderzoek van ingenieurs van de Universiteit van Pennsylvania heeft een nieuwe manier aangetoond om dergelijke scheuren te vermijden bij het afzetten van dunne films van nanodeeltjes.

Het onderzoek werd geleid door afgestudeerde student Jacob Prosser en assistent-professor Daeyeon Lee, beide van de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering in Penn's School of Engineering and Applied Science. Afgestudeerde student Teresa Brugarolas en student Steven Lee, ook van Chemische en Biomoleculaire Engineering, en professor Adam Nolte van het Rose-Hulman Institute of Technology namen deel aan het onderzoek.

Hun werk werd gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters .

Om een ​​nanodeeltjesfilm te maken, de gewenste deeltjes worden gesuspendeerd in een geschikte vloeistof, die vervolgens dun en gelijkmatig over het oppervlak wordt verspreid via verschillende fysieke methoden. De vloeistof mag dan verdampen, maar, als het droogt, de film kan barsten als modder in de zon.

"Een methode om barsten te voorkomen, is de chemie van de suspensie te wijzigen door er bindende additieven in te doen, "Zei Prosser. "Maar dat is in wezen het toevoegen van nieuw materiaal aan de film, die zijn eigendommen kan ruïneren."

Dit dilemma wordt benadrukt in het geval van elektroden, de contactpunten in veel elektrische apparaten die elektriciteit overbrengen. Hoogwaardige apparaten, zoals bepaalde soorten zonnecellen, hebben elektroden die zijn samengesteld uit nanodeeltjesfilms die elektronen geleiden, maar scheuren in de films werken als isolatoren. Het toevoegen van een bindmiddel aan de films zou het probleem alleen maar verergeren.

"Deze bindmiddelen zijn meestal polymeren, die zelf isolatoren zijn, ' zei Lee. 'Als je ze gebruikt, je krijgt de beoogde woning niet, de geleidbaarheid, dat je wilt."

Ingenieurs kunnen scheuren voorkomen met alternatieve droogmethoden, maar deze omvatten ultrahoge temperaturen of drukken en dus dure en gecompliceerde apparatuur. Een goedkope en efficiënte methode om scheuren te voorkomen zou een zegen zijn voor een groot aantal industriële processen.

De alomtegenwoordigheid van kraken in deze context, echter, betekent dat onderzoekers de "kritische scheurdikte" voor veel materialen kennen. De doorbraak kwam toen Prosser probeerde een film dunner te maken dan deze drempel, ze vervolgens op elkaar stapelen om een ​​composiet van de gewenste dikte te maken.

"Ik zat te denken over hoe, bij het schilderen van gebouwen en huizen, meerdere lagen worden gebruikt, "Zei Prosser. "Een reden daarvoor is om barsten en afbladderen te voorkomen. Ik dacht dat het ook voor deze films zou kunnen werken, dus ik heb het geprobeerd."

"Dit is een van die dingen waar, als je het eenmaal doorhebt, "Lee zei, "het is zo duidelijk, maar op de een of andere manier heeft deze methode iedereen al die jaren ontweken."

Een van de redenen waarom deze benadering onbeproefd is gebleven, is dat het contra-intuïtief is dat het überhaupt zou moeten werken.

De methode die de onderzoekers gebruikten om de films te maken, staat bekend als 'spin-coating'. Een precieze hoeveelheid van de suspensie van nanodeeltjes - in dit geval silicabolletjes in water wordt verspreid over het doeloppervlak. Het oppervlak wordt dan snel rondgedraaid, waardoor centrifugale versnelling de suspensie over het oppervlak in een uniforme laag dunner maakt. De suspensie droogt vervolgens onder voortdurende rotatie, waardoor het water verdampt en de silicabolletjes in een verdichte opstelling achterblijven.

Maar om hier eerst een tweede laag over te maken, er zou nog een druppel vloeibare suspensie op de gedroogde nanodeeltjes moeten worden geplaatst, iets dat ze normaal zou wegspoelen. Echter, de onderzoekers waren verrast toen de gedroogde lagen intact bleven nadat het proces 13 keer was herhaald; het exacte mechanisme waarmee ze stabiel bleven, is een beetje een mysterie.

"Wij geloven dat de nanodeeltjes aan de oppervlakte blijven, "Lee zei, "Omdat er covalente bindingen tussen worden gevormd, ook al stellen we ze niet bloot aan hoge temperaturen. De inspiratie voor die hypothese kwam van onze collega Rob Carpick. Zijn recente Natuur papier ging helemaal over hoe silica-silica-oppervlakken bij kamertemperatuur bindingen vormen; we denken dat dit zal werken met andere soorten metaaloxiden."

Toekomstig onderzoek zal nodig zijn om dit mechanisme vast te stellen en toe te passen op nieuwe soorten nanodeeltjes.