Titaniumoxide -nanostructurering overstijgt grenzen, waardoor precieze vorming op metaalcoatings mogelijk is

Grote metalen oppervlakken bedekt met precies gevormde nanostructuren zijn tot nu toe in het rijk van fantasie gebleven. Het obstakel dat hun productie in de weg stond, leek fundamenteel, omdat het het gevolg was van de aanwezigheid van kristalkorrels in metalen: hun grenzen verstoorden de groei van de nanostructuren. Bij het Institute of Nuclear Physics of the PAS, met behulp van titanium en zijn oxide bij wijze van voorbeeld, is bewezen dat dit obstakel kan worden overwonnen.

Coatings gemaakt van nanostructuren met nauwkeurig geselecteerde maten en vormen maken het mogelijk om materiaaleigenschappen te regelen. Helaas was er in het geval van de meeste metalen een ernstige beperking: het was onmogelijk om homogene coatings op grote oppervlakken te produceren vanwege de verstoringen die verschijnen aan de grenzen van de kristalkorrels.

Deze beperking is overwonnen aan het Institute of Nuclear Physics van de Poolse Academie van Wetenschappen (IFJ PAN) in Krakow, waar het proces van metaalcoating met een groot gebied met nanobuisjes is aangetoond met behulp van titanium en zijn oxide als illustratie. Deze prestatie lijkt veelbelovend in de context van veel toepassingen, waaronder medische implantaten, fotovoltaïsche cellen, chemische detectoren en memristors opvallen.

“We zijn uniek in de wereld in ons vermogen om grote gebieden van titaniumplaatmetaal te coaten, waarbij tientallen vierkante centimeters worden gemeten, met titaniumoxide -nanobuisjes op een strikt gecontroleerde manier. De methode die we voorstellen is het gevolg van het combineren van twee onconventionele technieken voor nanostructurerende materiaalmateriaalmateriaalmateriaalmateriaalmateriaal: Juliusz Chojenka (IFJ Pan), de eerste auteur van het artikel die de prestatie beschrijft, gepubliceerd in Acta materialia.

Zowel nanodeeltjeslithografie als anodisatie zijn technieken die al lang bekend zijn, maar ze zijn alleen op laboratoriumschaal gebruikt en zijn tot nu toe niet gecombineerd. De natuurkundigen van Krakow benadrukken dat het voordeel van hun voorgestelde methode de eenvoud, snelheid, lage productiekosten en de mogelijkheid is om het hele proces gemakkelijk te schalen op een manier die technologische toepassingen mogelijk maakt, zoals de productie van coatings met een groot gebied.

Lithografie van nanodeeltjes speelt een rol in de eerste, voorbereidende fase van de productie van titaniumoxide nanobuis -coatings. De hoofdrolspelers hier zijn bolvormige polystyreen nanodeeltjes, commercieel verkrijgbaar in diameters variërend van 50 nanometer tot enkele tientallen micrometers. Nanosferen van een geselecteerde diameter worden in zulke hoeveelheden in water geïntroduceerd die, wanneer ze naar het oppervlak zweven, ze een enkele laag van de gewenste grootte vormen. Omdat de nanodeeltjes tijdens dit proces elektrisch geladen zijn, duwen ze elkaar uit elkaar, wat resulteert in hun gelijkmatige verdeling, gekenmerkt door zeshoekige regelmaat.

De zeer uniforme monolaag van polystyreen nanodeeltjes wordt vervolgens afgezet op een gepolijste titaniumplaat. Het met nanodeeltjes gecoate materiaal wordt nu in een vacuümkamer geplaatst, waar het gedurende enkele minuten wordt blootgesteld aan plasma gegenereerd uit stikstof en zuurstof. Onder zijn invloed krimpen de polystyreen -bollen enigszins, maar behouden hun oorspronkelijke posities. Het monster wordt vervolgens overgebracht naar een andere vacuümkamer, waar een dunne laag titanium erop wordt afgezet.

De laatste fase van de lithografische fase is het verwijderen van de nanodeeltjes met behulp van een organisch oplosmiddel en echografie, waardoor het monster trilt. Het resultaat is een oppervlak bedekt met een zeshoekig, normaal rooster van kuilen genaamd antidots.

“In een speciale kamer onderwerpen we nu het monster bedekt met antidots aan anodisatie, dat wil zeggen een elektrochemisch proces dat resulteert in de vorming van uniforme en geordende nanostructuren op het oppervlak,” legt Dr. Eng uit. Michal Krupinski (IFJ Pan).

“Door vakkundig de samenstelling van de elektrolyt te selecteren waarin anodisatie plaatsvindt, en door de toegepaste spanning, temperatuur en tijd te regelen, zijn we in staat om een dichte coating van titaniumoxide -nanobuisjes te vormen, gerangschikt in overeenstemming met het oorspronkelijke antidotpatroon en met een vooraf bepaalde lengte, die in het geval is beschreven in ons artikel is 15 micrometers.”

Hier moet worden benadrukt dat standaard titaniumanodisatie onderhevig is aan ernstige fysieke beperkingen met betrekking tot de schaal van ordelijkheid van de nanostructuren, als gevolg van de grootte van de kristalkorrels in de metalen matrix. Dit is de reden waarom de fysici in Krakow voorafgaan aan anodisatie met een nanopatterningsproces met behulp van lithografie van nanodeeltjes. Lithografie maakt de aanpassing van de elektrische veldverdeling op het titaniumoppervlak mogelijk, wat belangrijk is tijdens anodisatie, waardoor de langetermijnorde van de gevormde nanostructuren wordt gedwongen.

De fysische en chemische eigenschappen van de op deze manier verkregen coatings werden uitgebreid gekarakteriseerd met behulp van scanning-elektronenmicroscopie, röntgendiffractie en Raman-spectroscopie, en hun fotoactiviteit onder ultraviolette straling werd ook bepaald. Tijdens verschillende dagen van testen werd vastgesteld dat ondanks het overschrijden van de grenzen van de kristalkorrels, de geproduceerde nanobuis -coatings mechanisch duurzaam zijn, en de nanobuisjes zelf breken zelfs niet tijdens het gloeien.

De gepresenteerde methode van titaniumoxide -nanostructurering heeft het potentieel voor brede toepassing. Medische implantaten kunnen worden bekleed met nanobuisjes die medicijnen op een gecontroleerde manier in het lichaam vrijgeven, waardoor de biocompatibiliteit wordt verbeterd.

Door vakkundig de grootte en dichtheid van de nanobuisjes te selecteren, is het mogelijk om de fotoactiviteit van titaniumoxide die interageert met ultraviolette straling te regelen, die toepassingen met betrekking tot fotovoltaïsche cellen of de controle van chemische reacties aanmoedigt. Het is ook bekend dat het oppervlak van titaniumoxide zijn eigenschappen verandert, afhankelijk van de adsorptie van zelfs kleine hoeveelheden waterstof, dus nieuwe, meer gevoelige detectoren dan die momenteel beschikbaar zijn, worden ook overwogen.

Interessante vooruitzichten ontstaan in de miniaturisatie van memristors, dwz elektronische componenten waarvan de weerstand afhangt van de geschiedenis van de stroom die erdoorheen stroomt. Momenteel zijn memristors, die veelbelovende componenten zijn van nieuwe soorten geheugen en kunstmatige synapsen, tientallen micrometers in grootte. Ondertussen kon hun functie worden overgenomen door enkele nanobuisjes – ten minste honderd keer kleiner.

“Er zijn geen fysische, chemische of technische obstakels om onze methode aan te passen aan de nanostructurering van oppervlakken gemaakt van overgangsmetalen dan titanium, zoals ijzer, aluminium of tantalum. Het hangt allemaal af van de behoeften,” concludeert Dr. Chojenka.