Van laboratorium tot industrie? Idealiter geordende poreuze titania films, gemaakt op schaal

Onderzoekers van de Tokyo Metropolitan University hebben een high-throughput-productie gerealiseerd van dunne, geordende doorlopende membranen van titaniumdioxide. Titania-lagen werden gegroeid met behulp van anodisatie op met een masker geëtst titanium voordat ze werden gekristalliseerd. Door een tweede anodisatie toe te passen, zetten ze een deel van de laag terug in een amorfe toestand. Het amorfe gedeelte werd vervolgens selectief opgelost om de film vrij te maken terwijl het sjabloon intact bleef. Dit maakt de weg vrij voor de industriële productie van bestelde titania-membranen voor fotonica.

Titania, of titaniumdioxide, is misschien wel de meest bruikbare stof waarvan je nog nooit hebt gehoord. Het wordt veel gebruikt als pigment en is het actieve ingrediënt in de meeste zonnefilters, met sterke UV-absorberende eigenschappen. Het wordt aangetroffen als een reflecterende laag in spiegels, evenals als coatings voor zelfreinigende, anticondenserende oppervlakken. Belangrijk voor de industrie is dat het in aanwezigheid van licht allerhande chemische reacties kan versnellen; het wordt al in bouwmaterialen aangetroffen om de afbraak van schadelijke verontreinigende stoffen in de lucht te versnellen, en er wordt gewerkt aan de toepassing ervan op luchtfilters, waterzuiveraars en zonnecellen.

Het is de sterke interactie tussen titaniumdioxide en licht die het het toekomstige materiaal maakt voor een breed scala aan toepassingen met fotonica, met name fotonische kristallen, geordende reeksen materiaal die licht kunnen absorberen of doorlaten, afhankelijk van hun golflengte. Om deze “kristallen” te maken, hebben onderzoekers manieren bedacht om in het laboratorium poreuze titania-films te maken, waar kleine gaatjes, tientallen nanometers doorsnee, in geordende arrays op dunne titaandioxide-lagen worden aangebracht. Ondanks hun belofte is het echter nog steeds niet mogelijk om ze op schaal te produceren, een groot struikelblok om ze uit het laboratorium te krijgen en in de nieuwste fotonische technologie te krijgen.

Nu heeft een team onder leiding van universitair hoofddocent Takashi Yanagishita en prof.Hideki Masuda van de Tokyo Metropolitan University een belangrijke stap gezet in de richting van de ontwikkeling van een industrieel productieproces. Eerder bedachten ze een methode om patronen op titaniummetaal te “stempelen” voordat een laag titaniumdioxide werd gegroeid met behulp van een methode die anodisatie wordt genoemd. De lagen hadden gaten die hetzelfde patroon vormden als de gaten die kunstmatig op het metaal waren aangebracht. Maar omdat titanium zo hard is, gingen de stempels niet erg lang mee. Nu hebben ze een methode bedacht die stempels helemaal vermijdt. Nadat ze een laag titaniumoxide hebben laten groeien met geordende reeksen gaten op een geëtste titaniumsjabloon, passen ze warmte toe, waardoor de amorfe, ongeordende structuur van het titaniumdioxide in een kristallijne vorm verandert. Vervolgens ondergaan ze een tweede anodisatie; een laag dicht bij het oorspronkelijke sjabloonoppervlak keert terug naar een ongeordende toestand. Omdat ongeordend en kristallijn titaniumdioxide anders oplossen, zijn ze dan in staat om selectief de laag die nog in contact is met de mal met zuur op te lossen, waardoor een vrije laag titaniumdioxide achterblijft met hetzelfde doorlopende gatenpatroon.

Van de vele voordelen van hun methode is een belangrijk voordeel dat het sjabloonpatroon op het metaal intact blijft. Nadat de film is verwijderd, kan dezelfde sjabloon steeds opnieuw worden gebruikt. Het team experimenteerde ook met verschillende afstanden, tot gaten met een tussenruimte van slechts 100 nm. Belangrijk is dat het protocol schaalbaar is en een hoge doorvoer heeft, wat betekent dat het niet lang kan duren voordat industriële hoeveelheden hun weg vinden naar commerciële producten. Het team hoopt dat hun methode niet alleen een brede toepassing een stap dichterbij zal brengen, maar ook zal worden toegepast op een breed scala aan andere nanogestructureerde materialen met verschillende functies.