Właściwości materiałów daje się kontrolować pokrywając je nanostrukturą o precyzyjnie dobranych rozmiarach i kształtach. Niestety, w przypadku większości metali istniało tu poważne ograniczenie: wytworzenie jednorodnych pokryć na dużych powierzchniach było niemożliwe z uwagi na zaburzenia pojawiające się na granicach ziaren krystalicznych.

Ograniczenie to udało się przełamać w Instytucie Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie, gdzie proces wielkopowierzchniowego pokrywania metalu nanorurkami zaprezentowano na przykładzie tytanu i jego tlenku. Pomysł ten opisują przedstawiciele instytutu w przesłanym PAP komunikacie.

Osiągnięcie wydaje się obiecujące w kontekście wielu zastosowań, wśród których wyróżniają się implanty medyczne, fotoogniwa, detektory chemiczne czy memrystory (urządzenia, których opór zależy od historii przepływającego przez nie prądu).

„Jako jedyni na świecie potrafimy w sposób ściśle kontrolowany pokrywać nanorurkami z tlenku tytanu blachy tytanowe o dużych powierzchniach, liczonych w dziesiątkach centymetrów kwadratowych. Zaproponowana przez nas metoda to efekt połączenia uchodzących za niekonwencjonalne technik nanostrukturyzacji powierzchni materiałów: litografii nanocząstek oraz elektrochemicznej anodyzacji” - mówi cytowany w komunikacie dr inż. Juliusz Chojenka (IFJ PAN), pierwszy autor artykułu opublikowanego w Acta Materialia.

Krakowscy fizycy podkreślają w komunikacie, że zaletą zaproponowanej przez nich metody jest prostota, szybkość, niskie koszty produkcji i możliwość łatwego skalowania całego procesu w sposób pozwalający na zastosowania technologiczne, na przykład do wytwarzania pokryć wielkopowierzchniowych.

W pierwszej, przygotowawczej fazie wytwarzania pokryć z nanorurek tlenku tytanu rolę odgrywa litografia nanocząstek. Głównymi bohaterami są tu kuliste nanocząstki polistyrenowe. Jednorodna monowarstwa polistyrenowych nanodrobin jest następnie osadzana na wypolerowanej blasze tytanowej. W komorze próżniowej i pod działaniem plazmy polistyrenowe kulki nieco się kurczą, zachowując jednak swoje pierwotne położenia.

Próbka jest następnie przenoszona do kolejnej komory próżniowej, gdzie napyla się na nią cienką warstwę tytanu. Ostatnim etapem fazy litograficznej jest usunięcie nanocząstek (rozpuszczalnikiem organicznym i ultradźwiękami). Rezultatem jest powierzchnia pokryta heksagonalną, regularną siatką dołków - nazywanych antykropkami. Poddaje się je anodyzacji, czyli procesowi elektrochemicznemu, w ramach którego powstają na jej powierzchni jednorodne i uporządkowane nanostruktury.

„Umiejętnie dobierając skład elektrolitu, w którym zachodzi anodyzacja, oraz kontrolując przyłożone napięcie, temperaturę i czas, potrafimy doprowadzić do uformowania się gęstego pokrycia z nanorurek z tlenku tytanu, rozmieszczonych zgodnie z pierwotnym układem antykropek i o założonej długości w przypadku opisanym w naszym artykule, wynoszącej 15 mikrometrów” - precyzuje cytowany w komunikacie dr hab. inż. Michał Krupiński (IFJ PAN).

W trakcie badań stwierdzono, że mimo przekraczania tzw. granic ziaren krystalicznych, wytworzone pokrycia z nanorurek są mechanicznie trwałe, a same nanorurki nie pękają nawet podczas wygrzewania.

„Nie ma żadnych przeszkód fizycznych, chemicznych czy technicznych, by zaadaptować naszą metodę do nanostrukturyzacji powierzchni wykonanych z innych metali przejściowych niż tytan, takich jak żelazo, glin czy tantal. Wszystko zależy tu po prostu od potrzeb” - podkreśla dr Chojenka.

Badania fizyków materiałowych z IFJ PAN, sfinansowane z grantu Narodowego Centrum Nauki, w zakresie analiz chemicznych zrealizowano we współpracy z Wydziałem Chemii Uniwersytetu Jagiellońskiego.(PAP)

Nauka w Polsce

lt/ bar/