(Phys.org)—La realizzazione di rivestimenti uniformi è una sfida ingegneristica comune, e, quando si lavora su scala nanometrica, anche le più piccole crepe o difetti possono essere un grosso problema. Una nuova ricerca degli ingegneri dell'Università della Pennsylvania ha mostrato un nuovo modo per evitare tali crepe quando si depositano film sottili di nanoparticelle.

La ricerca è stata condotta dallo studente laureato Jacob Prosser e dall'assistente professore Daeyeon Lee, entrambi del Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biomolecolare della Penn's School of Engineering and Applied Science. La studentessa laureata Teresa Brugarolas e lo studente universitario Steven Lee, anche di Ingegneria Chimica e Biomolecolare, e il professor Adam Nolte del Rose-Hulman Institute of Technology hanno partecipato alla ricerca.

Il loro lavoro è stato pubblicato sulla rivista Nano lettere .

Per generare un film di nanoparticelle, le particelle desiderate sono sospese in un liquido adatto, che viene poi distribuito in modo sottile e uniforme sulla superficie attraverso una varietà di metodi fisici. Il liquido viene poi lasciato evaporare, ma, mentre si asciuga, il film può rompersi come fango al sole.

"Un metodo per prevenire la fessurazione è modificare la chimica della sospensione inserendovi additivi leganti, " Ha detto Prosser. "Ma questo è essenzialmente aggiungere un nuovo materiale al film, che può rovinare le sue proprietà."

Questo dilemma è evidenziato nel caso degli elettrodi, i punti di contatto in molti dispositivi elettrici che trasferiscono elettricità. Dispositivi di fascia alta, come certi tipi di celle solari, hanno elettrodi composti da film di nanoparticelle che conducono elettroni, ma le crepe nei film fungono da isolanti. L'aggiunta di un legante ai film non farebbe altro che aggravare il problema.

"Questi leganti sono solitamente polimeri, che sono isolanti stessi, " ha detto Lee. "Se li usi, non otterrai la proprietà mirata, la conducibilità, che vuoi."

Gli ingegneri possono prevenire le crepe con metodi di asciugatura alternativi, ma questi comportano temperature o pressioni ultra elevate e quindi apparecchiature costose e complicate. Un metodo economico ed efficiente per prevenire le crepe sarebbe un vantaggio per qualsiasi numero di processi industriali.

L'ubiquità del cracking in questo contesto, però, significa che i ricercatori conoscono lo "spessore critico di fessurazione" per molti materiali. La svolta è arrivata quando Prosser ha provato a fare un film più sottile di questa soglia, quindi impilarli insieme per creare un composto dello spessore desiderato.

"Stavo pensando a come, nella pittura di edifici e abitazioni, vengono utilizzate più mani, " Ha detto Prosser. "Una ragione per questo è evitare di screpolarsi e staccarsi. Ho pensato che potesse funzionare anche per questi film, quindi ci ho provato".

"Questa è una di quelle cose in cui, una volta capito, "Lei ha detto, "è così ovvio, ma in qualche modo questo metodo è sfuggito a tutti in tutti questi anni."

Uno dei motivi per cui questo approccio potrebbe non essere stato sperimentato è che è controintuitivo che dovrebbe funzionare.

Il metodo utilizzato dai ricercatori per realizzare i film è noto come "spin-coating". Una quantità precisa della sospensione di nanoparticelle, in questo caso, sfere di silice nell'acqua, si sparge sulla superficie del bersaglio. La superficie viene quindi filata rapidamente, provocando l'accelerazione centrifuga per assottigliare la sospensione sulla superficie in uno strato uniforme. La sospensione poi si asciuga con rotazione continua, facendo evaporare l'acqua e lasciando le sfere di silice in una disposizione compatta.

Ma per fare un secondo strato su questo primo, un'altra goccia di sospensione liquida dovrebbe essere posta sulle nanoparticelle essiccate, qualcosa che normalmente li laverebbe via. Però, i ricercatori sono rimasti sorpresi quando gli strati essiccati sono rimasti intatti dopo che il processo è stato ripetuto 13 volte; l'esatto meccanismo con cui sono rimasti stabili è qualcosa di misterioso.

"Crediamo che le nanoparticelle rimangano sulla superficie, "Lei ha detto, "perché tra di loro si stanno formando legami covalenti anche se non li esponiamo ad alte temperature. L'ispirazione per questa ipotesi è venuta dal nostro collega Rob Carpick. Il suo recente Natura la carta riguardava il modo in cui le superfici silice-silice formano legami a temperatura ambiente; pensiamo che funzionerà con altri tipi di ossidi metallici".

Saranno necessarie ricerche future per definire questo meccanismo e applicarlo a nuovi tipi di nanoparticelle.