Ingenieurs van de Oregon State University hebben een fundamentele doorbraak bereikt in het begrijpen van de fysica van fotonisch "sinteren, " wat zou kunnen leiden tot veel nieuwe ontwikkelingen in zonnecellen, flexibele elektronica, verschillende soorten sensoren en andere high-tech producten geprint op zoiets eenvoudigs als een vel papier of plastic.

Sinteren is het samensmelten van nanodeeltjes tot een vaste, functionele dunne film die voor vele doeleinden kan worden gebruikt, en het proces kan van grote waarde zijn voor nieuwe technologieën.

Fotonisch sinteren heeft het mogelijke voordeel van een hogere snelheid en lagere kosten, vergeleken met andere technologieën voor het sinteren van nanodeeltjes.

In het nieuwe onderzoek OSU-experts ontdekten dat eerdere benaderingen om fotonisch sinteren te begrijpen en te beheersen gebaseerd waren op een gebrekkige kijk op de betrokken fundamentele fysica, die had geleid tot een grove overschatting van de productkwaliteit en procesefficiëntie.

Op basis van het nieuwe perspectief van dit proces, die is geschetst in Nature's Wetenschappelijke rapporten , onderzoekers geloven nu dat ze producten van hoge kwaliteit kunnen maken bij veel lagere temperaturen, minstens twee keer zo snel en met 10 keer meer energie-efficiëntie.

Beperkingen op productietemperaturen wegnemen, snelheid en kosten, zeggen de onderzoekers, moet de creatie mogelijk maken van veel nieuwe hightechproducten die op substraten worden gedrukt die zo goedkoop zijn als papier of plasticfolie.

"Fotonisch sinteren is een manier om nanodeeltjes op een gecontroleerde manier te deponeren en ze vervolgens samen te voegen, en het was van groot belang, " zei Rajiv Malhotra, een assistent-professor werktuigbouwkunde aan het OSU College of Engineering. "Tot nu, echter, we begrepen de onderliggende fysica van wat er aan de hand was niet echt. Het was gedacht, bijvoorbeeld, die temperatuurverandering en de mate van fusie waren niet gerelateerd - maar in feite is dat heel belangrijk."

Met de concepten die in de nieuwe studie zijn geschetst, de deur staat open voor nauwkeurige temperatuurregeling met kleinere nanodeeltjes. Dit zorgt voor een hogere snelheid van het proces en een productie van hoge kwaliteit bij temperaturen die minstens twee keer lager zijn dan voorheen. Er werd een inherent "zelfdempend" effect geïdentificeerd dat een grote invloed heeft op het verkrijgen van de gewenste kwaliteit van de afgewerkte film.

"Een lagere temperatuur is een echte sleutel, " zei Malhotra. "Om de kosten te verlagen, we willen deze nanotech-producten printen op dingen als papier en plastic, die bij hogere temperaturen zouden verbranden of smelten. We weten nu dat dat kan, en hoe het te doen. We moeten productieprocessen kunnen creëren die zowel snel als goedkoop zijn, zonder kwaliteitsverlies."

Producten die kunnen ontstaan ​​uit het onderzoek, Malhotra zei, omvatten zonnecellen, gas sensoren, radiofrequentie identificatiemarkeringen, en een breed scala aan flexibele elektronica. Er kunnen draagbare biomedische sensoren ontstaan, samen met nieuwe detectieapparatuur voor omgevingstoepassingen.

Bij deze technologie, licht van een xenonlamp kan over relatief grote gebieden worden uitgezonden om nanodeeltjes samen te smelten tot functionele dunne films, veel sneller dan bij conventionele thermische methoden. Het moet mogelijk zijn om het proces op te schalen naar grote productieniveaus voor industrieel gebruik.

Dit voorschot werd mogelijk gemaakt door een vierjarige $ 1,5 miljoen National Science Foundation Scalable Nanomanufacturing Grant, dat zich richt op het overstijgen van de wetenschappelijke barrières voor de productie van nanomaterialen op industrieniveau. Medewerkers van OSU zijn onder meer Chih-hung Chang, Alan Wang en Greg Herman.

OSU-onderzoekers zullen samenwerken met twee fabrikanten in de particuliere industrie om een ​​proof-of-concept-faciliteit in het laboratorium te creëren, als de volgende stap om deze technologie naar commerciële productie te brengen.