Dale Huber, ricercatori dei Sandia National Laboratories, sinistra, e Todd Monson hanno escogitato un modo economico per sintetizzare nanoparticelle di biossido di titanio, che potrebbe essere utilizzato in tutto, dalle celle solari ai diodi emettitori di luce. Credito:Randy Montoya
(Phys.org) — I Sandia National Laboratories hanno escogitato un modo economico per sintetizzare le nanoparticelle di biossido di titanio e stanno cercando partner in grado di dimostrare il processo su scala industriale per qualsiasi cosa, dalle celle solari ai diodi a emissione di luce (LED).
Biossido di titanio (TiO 2 ) le nanoparticelle sono molto promettenti come riempitivi per regolare l'indice di rifrazione dei rivestimenti antiriflesso su insegne e incapsulanti ottici per LED, celle solari e altri dispositivi ottici. Gli incapsulanti ottici sono rivestimenti o rivestimenti, solitamente in silicone, che proteggono un dispositivo.
L'industria ha in gran parte evitato il TiO 2 nanoparticelle perché sono state difficili e costose da realizzare, e i metodi attuali producono particelle troppo grandi.
Sandia si interessò al TiO 2 per incapsulanti ottici a causa del suo lavoro sui materiali LED per l'illuminazione a stato solido.
Attuali metodi di produzione per TiO 2 spesso richiedono un trattamento ad alta temperatura o costosi tensioattivi, molecole che si legano a qualcosa per renderlo solubile in un altro materiale, come il detersivo per i piatti fa con il grasso.
Questi metodi producono nanoparticelle tutt'altro che ideali che sono molto costose, può variare notevolmente in termini di dimensioni e mostrare un significativo agglomerato di particelle, chiamato agglomerato.
La tecnica di Sandia, d'altra parte, usi facilmente reperibili, materiali a basso costo e risultati in nanoparticelle di piccole dimensioni, approssimativamente di dimensioni uniformi e senza grumi.
"Volevamo qualcosa che fosse a basso costo e scalabile, e che creava particelle molto piccole, " ha detto il ricercatore Todd Monson, che insieme al ricercatore principale Dale Huber ha brevettato il processo a metà del 2011 come "Sintesi ad alto rendimento di brookite TiO 2 nanoparticelle".
La tecnica a basso costo produce nanoparticelle uniformi che non si aggregano
Il loro metodo produce nanoparticelle di circa 5 nanometri di diametro, circa 100 volte inferiore alla lunghezza d'onda della luce visibile, quindi c'è poca dispersione della luce, ha detto Monsone.
"Questo è il vantaggio delle nanoparticelle, non solo delle nanoparticelle, ma piccole nanoparticelle, " Egli ha detto.
La dispersione riduce la quantità di trasmissione della luce. Una minore dispersione può anche aiutare a estrarre più luce, nel caso di un LED, o catturare più luce, nel caso di una cella solare.
TiO 2 può aumentare l'indice di rifrazione dei materiali, come il silicone nelle lenti o gli incapsulanti ottici. L'indice di rifrazione è la capacità del materiale di piegare la luce. Lenti per occhiali, Per esempio, hanno un alto indice di rifrazione.
Le nanoparticelle pratiche devono essere in grado di gestire diversi tensioattivi in modo che siano solubili in un'ampia gamma di solventi. Applicazioni diverse richiedono solventi diversi per la lavorazione.
La tecnica può essere utilizzata con diversi solventi
"Se qualcuno vuole usare TiO 2 nanoparticelle in una gamma di polimeri e applicazioni differenti, è conveniente che le particelle siano stabili in sospensione anche in un'ampia gamma di solventi, " Monson ha detto. "Alcune applicazioni biologiche possono richiedere stabilità in solventi a base acquosa, quindi potrebbe essere molto utile avere a disposizione tensioattivi in grado di rendere le particelle stabili nell'acqua".
I ricercatori hanno ideato la loro tecnica di sintesi unendo le loro esperienze:l'esperienza di Huber nella sintesi delle nanoparticelle e nella chimica dei polimeri e la conoscenza della fisica dei materiali di Monson. Il lavoro è stato svolto nell'ambito di un progetto di ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio Huber iniziato nel 2005.
"Gli obiettivi originali del progetto erano studiare la scienza di base delle dispersioni di nanoparticelle, ma quando questa sintesi è stata sviluppata verso la fine del progetto, le applicazioni commerciali erano ovvie, " Ha detto Huber. I ricercatori hanno successivamente perfezionato il processo per rendere le particelle più facili da produrre.
Metodi di sintesi esistenti per TiO 2 le particelle erano troppo costose e difficili da aumentare la produzione. Inoltre, i fornitori di prodotti chimici spediscono nanoparticelle di biossido di titanio essiccate e senza tensioattivi, quindi le particelle si aggregano e sono impossibili da rompere. "Allora non hai più le proprietà che vuoi, " ha detto Monsone.
I ricercatori hanno provato vari tipi di alcol come solvente poco costoso per vedere se potevano ottenere una fonte comune di titanio, isopropossido di titanio, reagire con acqua e alcool.
La sfida più grande, Monsone ha detto, stava cercando di capire come controllare la reazione, poiché l'aggiunta di acqua all'isopropossido di titanio si traduce molto spesso in una reazione rapida che produce grandi pezzi di TiO 2 , piuttosto che nanoparticelle. "Quindi il trucco era controllare la reazione controllando l'aggiunta di acqua a quella reazione, " Egli ha detto.
I libri di testo dicevano che non si poteva fare nanoparticelle, Sandia ha insistito
Alcuni libri di testo hanno respinto il metodo dell'isopropossido di titanio-acqua-alcool come un modo per produrre TiO 2 nanoparticelle. Huber e Monson, però, persistette finché non scoprirono come aggiungere acqua molto lentamente mettendola in una soluzione diluita di alcol. "Mentre modificavamo le condizioni di sintesi, siamo stati in grado di sintetizzare nanoparticelle, " ha detto Monsone.
Il passo successivo è dimostrare la sintesi su scala industriale, che richiederà un partner commerciale. Monsone, che ha presentato il lavoro al Science and Technology Showcase autunnale di Sandia, ha detto che Sandia ha ricevuto richieste da aziende interessate a commercializzare la tecnologia.
"Qui a Sandia non siamo organizzati per produrre le particelle su scala commerciale, " ha detto. "Vogliamo che lo raccolgano e lo utilizzino e inizino a produrli su una scala sufficientemente ampia da vendere all'utente finale".
Sandia sintetizzerebbe un piccolo numero di particelle, quindi lavorare con un'azienda partner per formare compositi e valutarli per vedere se possono essere utilizzati come incapsulanti migliori per i LED, compositi flessibili ad alto indice di rifrazione per lenti o concentratori solari. "Penso che possa soddisfare parecchie esigenze, " ha detto Monsone.
