Nanoporeuze metalen - schuimachtige materialen met een zekere mate van luchtvacuüm in hun structuur - hebben een breed scala aan toepassingen vanwege hun superieure eigenschappen.

Ze hebben een groot oppervlak voor een betere elektronenoverdracht, wat kan leiden tot een betere prestatie van een elektrode in een elektrische dubbele condensator of batterij. Nanoporeuze metalen bieden een groter aantal beschikbare plaatsen voor de adsorptie van analyten, een zeer wenselijke functie voor sensoren.

Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) en de onderzoekers van het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie (ETH) hebben een kosteneffectieve en efficiëntere manier ontwikkeld om nanoporeuze metalen op vele schalen te produceren, van nanoschaal naar macroschaal, die met het blote oog te zien is.

Het proces begint met een siliciumwafel van vier inch. Een coating van metaal wordt toegevoegd en over de wafel gesputterd. Goud, zilver en aluminium werden gebruikt voor dit onderzoeksproject. Echter, het fabricageproces is niet beperkt tot deze metalen.

Volgende, een mengsel van twee polymeren wordt aan het metalen substraat toegevoegd om patronen te creëren, een proces dat bekend staat als diblokcopolymeerlithografie (BCP). Het patroon wordt omgezet in een enkel polymeermasker met kenmerken van nanometergrootte. Laatste, een techniek die bekend staat als anisotrope ionenbundelfrezen (IBM) wordt gebruikt om door het masker te etsen om een ​​reeks gaten te maken, het maken van het nanoporeuze metaal.

Tijdens het fabricageproces, de ruwheid van het metaal wordt continu onderzocht om ervoor te zorgen dat het eindproduct een goede porositeit heeft, wat de sleutel is tot het creëren van de unieke eigenschappen die nanoporeuze materialen laten werken. Hoe ruwer het metaal is, hoe minder gelijkmatig poreus het wordt.

"Tijdens de fabricage, ons team bereikte een poriëndekking van 92 procent met een uniformiteit van 99 procent over een siliciumwafel van 4 inch, wat betekent dat het metaal glad en gelijkmatig poreus was, " zei Tiziana Bond, een LLNL-ingenieur die lid is van het gezamenlijke onderzoeksteam.

Het team heeft een metriek gedefinieerd - gebaseerd op een geparametriseerde correlatie tussen BCP-poriedekking en metaaloppervlakruwheid - waarmee de fabricage van nanoporeuze metalen moet worden gestopt wanneer ongelijkmatige porositeit het bekende resultaat is, verwerkingstijd en kosten besparen.

"De echte doorbraak is dat we een nieuwe techniek hebben ontwikkeld om nanoporeuze metalen te produceren die goedkoop is en op vele schalen kan worden uitgevoerd, waarbij de lift-off-techniek om metalen te verwijderen, wordt vermeden, met realtime kwaliteitscontrole, Bond zei. "Deze metalen openen de toepassingsruimte voor gebieden zoals het oogsten van energie, sensing en elektrochemische studies."

De lift-off-techniek is een methode om doelmaterialen op het oppervlak van een substraat van een patroon te voorzien door een opofferingsmateriaal te gebruiken. Een van de grootste problemen met deze techniek is dat de metaallaag op nanoschaal niet gelijkmatig (of helemaal niet) kan worden afgepeld.

De bevindingen van het onderzoeksteam werden gerapporteerd in een artikel met de titel "Vervaardiging over vele schalen:High-fidelity macroscale dekking van nanoporeuze metalen arrays via lift-off-free nanofrabication." Het was het omslagverhaal in een recent nummer van Geavanceerde materiaalinterfaces .

Andere toepassingen van nanoporeuze metalen zijn onder meer de ondersteuning van de ontwikkeling van nieuwe metamaterialen (engineered materials) voor door straling versterkte filtering en manipulatie, inclusief diep ultraviolet licht. Deze toepassingen zijn mogelijk omdat nanoporeuze materialen abnormale versterking van doorgelaten (of gereflecteerd) licht mogelijk maken door de tunneling van oppervlakteplasmonen, een functie die op grote schaal kan worden gebruikt door lichtgevende apparaten, plasmonische lithografie, detectie op basis van brekingsindex en volledig optische schakeling.