(Phys.org) - Sandia National Laboratories heeft een goedkope manier bedacht om titaniumdioxide-nanodeeltjes te synthetiseren en zoekt partners die het proces op industriële schaal kunnen demonstreren voor alles van zonnecellen tot lichtgevende diodes (LED's).

Titaandioxide (TiO ₂ ) nanodeeltjes zijn veelbelovend als vulstoffen om de brekingsindex van antireflecterende coatings op borden en optische inkapselingsmiddelen voor LED's af te stemmen, zonnecellen en andere optische apparaten. Optische inkapselingsmiddelen zijn bekledingen of coatings, meestal gemaakt van siliconen, die een apparaat beschermen.

Industrie heeft TiO . grotendeels gemeden ₂ nanodeeltjes omdat ze moeilijk en duur zijn om te maken, en de huidige methoden produceren deeltjes die te groot zijn.

Sandia raakte geïnteresseerd in TiO ₂ voor optische inkapseling vanwege zijn werk aan LED-materialen voor halfgeleiderverlichting.

Huidige productiemethoden voor TiO ₂ vereisen vaak verwerking bij hoge temperatuur of dure oppervlakteactieve stoffen - moleculen die zich aan iets binden om het oplosbaar te maken in een ander materiaal, zoals afwasmiddel doet met vet.

Die methoden produceren minder dan ideale nanodeeltjes die erg duur zijn, kan sterk in grootte variëren en significante deeltjesklontering vertonen, agglomeratie genoemd.

Sandia's techniek, anderzijds, gebruik dat direct beschikbaar is, goedkope materialen en resulteert in kleine nanodeeltjes, ongeveer uniform van grootte en klontert niet.

"We wilden iets dat goedkoop en schaalbaar was, en dat maakte deeltjes die heel klein waren, " zei onderzoeker Todd Monson, die samen met hoofdonderzoeker Dale Huber het proces medio 2011 patenteerde als "High-yield synthese van brookite TiO ₂ nanodeeltjes."

Goedkope techniek produceert uniforme nanodeeltjes die niet klonteren

Hun methode produceert nanodeeltjes met een diameter van ongeveer 5 nanometer, ongeveer 100 keer kleiner dan de golflengte van zichtbaar licht, dus er is weinig lichtverstrooiing, zei Monson.

"Dat is het voordeel van nanodeeltjes - niet alleen nanodeeltjes, maar kleine nanodeeltjes, " hij zei.

Verstrooiing vermindert de hoeveelheid lichttransmissie. Minder verstrooiing kan ook helpen meer licht te onttrekken, in het geval van een led, of meer licht opvangen, in het geval van een zonnecel.

TiO ₂ kan de brekingsindex van materialen verhogen, zoals siliconen in lenzen of optische inkapselingsmiddelen. Brekingsindex is het vermogen van materiaal om licht te buigen. Brillenglazen, bijvoorbeeld, een hoge brekingsindex hebben.

Praktische nanodeeltjes moeten verschillende oppervlakteactieve stoffen aankunnen, zodat ze oplosbaar zijn in een breed scala aan oplosmiddelen. Verschillende toepassingen vereisen verschillende oplosmiddelen voor verwerking.

Techniek kan worden gebruikt met verschillende oplosmiddelen

"Als iemand TiO . wil gebruiken ₂ nanodeeltjes in een reeks verschillende polymeren en toepassingen, het is handig dat uw deeltjes ook suspensiestabiel zijn in een breed scala aan oplosmiddelen, Monson zei. "Sommige biologische toepassingen vereisen mogelijk stabiliteit in oplosmiddelen op waterbasis, dus het kan heel nuttig zijn om oppervlakteactieve stoffen beschikbaar te hebben die de deeltjes stabiel kunnen maken in water."

De onderzoekers kwamen tot hun synthesetechniek door hun achtergronden te bundelen:Hubers expertise in de synthese van nanodeeltjes en polymeerchemie en Monsons kennis van materiaalfysica. Het werk werd gedaan in het kader van een laboratoriumgericht onderzoeks- en ontwikkelingsproject dat Huber in 2005 begon.

"De oorspronkelijke projectdoelen waren om de basiswetenschap van nanodeeltjesdispersies te onderzoeken, maar toen deze synthese tegen het einde van het project werd ontwikkeld, de commerciële toepassingen lagen voor de hand, Huber zei. De onderzoekers verfijnden vervolgens het proces om deeltjes gemakkelijker te vervaardigen te maken.

Bestaande synthesemethoden voor TiO ₂ deeltjes waren te duur en moeilijk om de productie op te schalen. In aanvulling, leveranciers van chemicaliën verzenden titaandioxide-nanodeeltjes gedroogd en zonder oppervlakteactieve stoffen, dus deeltjes klonteren samen en zijn onmogelijk te breken. "Dan heb je niet meer de eigenschappen die je wilt, ' zei Monson.

De onderzoekers probeerden verschillende soorten alcohol als goedkoop oplosmiddel om te zien of ze een gemeenschappelijke titaniumbron konden krijgen, titanium isopropoxide, reageren met water en alcohol.

De grootste uitdaging, Monson zei, was uitzoeken hoe de reactie te controleren, omdat het toevoegen van water aan titaniumisopropoxide meestal resulteert in een snelle reactie die grote brokken TiO . produceert ₂ , in plaats van nanodeeltjes. "Dus de truc was om de reactie te beheersen door de toevoeging van water aan die reactie te regelen, " hij zei.

Leerboeken zeiden dat het maken van nanodeeltjes niet mogelijk was, Sandia hield vol

Sommige leerboeken verwierpen de titanium-isopropoxide-water-alcohol-methode als een manier om TiO . te maken ₂ nanodeeltjes. Huber en Monson, echter, volhardden totdat ze ontdekten hoe ze heel langzaam water konden toevoegen door het in een verdunde oplossing van alcohol te doen. "Toen we de synthesevoorwaarden aanpasten, we waren in staat om nanodeeltjes te synthetiseren, ' zei Monson.

De volgende stap is het demonstreren van synthese op industriële schaal, waarvoor een commerciële partner nodig is. Monson, die het werk presenteerde op Sandia's Fall Science and Technology Showcase, zei dat Sandia vragen heeft ontvangen van bedrijven die geïnteresseerd zijn in het commercialiseren van de technologie.

"Hier bij Sandia zijn we niet ingesteld om de deeltjes op commerciële schaal te produceren, " zei hij. "We willen dat ze het oppakken en ermee aan de slag gaan en deze gaan produceren op een schaal die groot genoeg is om aan de eindgebruiker te verkopen."

Sandia zou een klein aantal deeltjes synthetiseren, werk vervolgens samen met een partnerbedrijf om composieten te vormen en evalueer ze om te zien of ze kunnen worden gebruikt als betere inkapselingsmiddelen voor LED's, flexibele composieten met een hoge brekingsindex voor lenzen of zonneconcentratoren. "Ik denk dat het aan nogal wat behoeften kan voldoen, ' zei Monson.