Er kan in de toekomst meer materiaal worden bespaard bij de productie van wafels. Ultradunne zagen gemaakt van koolstofnanobuisjes en diamant zouden siliciumwafels kunnen doorsnijden met minimaal kerfverlies. Een nieuwe methode maakt het mogelijk om de zaagdraden te vervaardigen.

Je kunt niet zagen zonder zaagsel te produceren - en dat kan duur zijn als, bijvoorbeeld, het "stof" komt van de productie van wafels in de fotovoltaïsche en halfgeleiderindustrie, waar relatief hoog zaagsnedeverlies als onvermijdelijk wordt geaccepteerd, indien zeer betreurenswaardig, feit van het leven. Maar nu hebben wetenschappers van het Fraunhofer Institute for Mechanics of Materials IWM in Freiburg samen met collega's van de Australische Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO een zaagdraad ontwikkeld die een drastische vermindering van kerfverlies zal bewerkstelligen:in plaats van met diamant geïmpregneerd staal draden, de onderzoekers gebruiken ultradunne en extreem stabiele draden gemaakt van koolstofnanobuisjes bedekt met diamant.

Het potentieel van gecoate koolstofnanobuizen is al lang bekend:mogelijke toepassingen zijn onder meer het gebruik ervan als een hard en taai composietmateriaal of als onderdeel van zeer gevoelige sensoren en thermo-elektrische generatoren. Echter, het nieuwe materiaal is buitengewoon moeilijk te synthetiseren. Diamanten groeien alleen onder extreme omstandigheden - bij temperaturen van rond de 900 graden Celsius in een atmosfeer die koolwaterstoffen bevat. Het kweken van diamanten op nanobuisjes is een lastige propositie, omdat koolstof de neiging heeft om grafiet te vormen. Om de vorming van de diamantfase te katalyseren, het is noodzakelijk om reactieve waterstof te gebruiken om de afzetting van grafiet te voorkomen. Echter, dit proces beschadigt ook de koolstofnanobuisjes.

Maar de IWM-wetenschapper Manuel Mee vond een oplossing om de fijne koolstofnanobuisjes te beschermen, die groeien als bossen op een substraat:"Tijdens onze eerste experimenten, fused silica uit de reactiekamer kwam per ongeluk in contact met het coatingplasma. Het zette zich neer op het substraat en beschermde het tegen de agressieve waterstof." En tot zijn verbazing, diamanten groeiden daadwerkelijk op deze laag. "Wat volgde was voorzichtig, nauwgezet werk, " wijst Mee aan. "We moesten de siliciumoxidelaag bestuderen, die op een ongedefinieerde manier werd gedeponeerd, en een methode vinden om de depositie te beheersen en het proces te optimaliseren." Tests met een transmissie-elektronenmicroscoop in het laboratorium van CSIRO in Australië onthulden dat de nanobuisjes daadwerkelijk overleefden onder hun beschermende laag.

Een Duits-Australisch succesverhaal

Hoe nu precies te werk te gaan, was de vraag waar de wetenschappers nu voor stonden. Als ze een manier vonden om de nanodraadjes die de CSIRO-specialisten van nanobuisjes maken met diamant te bekleden, deze met diamanten gecoate nanothreads zouden kunnen worden gebruikt om ultradunne zagen te maken die bijvoorbeeld door siliciumwafels kunnen snijden. Het Australische team van CSIRO is een van de belangrijkste wereldwijde experts met de knowhow om garens te maken van koolstofnanobuisjes. Het productieproces vereist speciale koolstof nanobuis "bossen", die kan worden geëxtraheerd als een ultradun "vilt" en kan worden gedraaid tot een zeer dun garen met een diameter van tien tot twintig micrometer. In principe, dit garen met diamantcoating is het ideale materiaal om een ​​nieuwe generatie zagen op te baseren, die bijvoorbeeld in de zonne-industrie kunnen worden gebruikt. Zoals Mee uitlegt:"De nieuwe zaagdraden beloofden veel beter te zijn dan traditionele staaldraden. Vanwege hun hoge treksterkte, ze kunnen veel dunner worden vervaardigd dan staaldraden - en dat betekent aanzienlijk minder kerfverlies."

Ondertussen, de natuurkundige is erin geslaagd zijn idee uit te voeren. Voor de methode en bijbehorende producten is al een gezamenlijke octrooiaanvraag ingediend door Fraunhofer en CSIRO. Mee en zijn collega's voeren momenteel zaagproeven uit. "Om onze partners in de industrie het potentieel van de technologie te laten zien, " zegt Mee, "we moeten aantonen hoe het zonne-energiebedrijven kan helpen om materiaal te besparen bij het verwerken van wafers."