Polacy przełamali barierę w nanotechnologii. Nanostruktury w skali przemysłowej
Naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie opracowali prostą i tanią metodę pokrywania dużych powierzchni metali nanostrukturami, które dotąd udawało się wytwarzać jedynie w skali laboratoryjnej. Przełamali przy tym przeszkodę uznawaną za fundamentalną, tzw. granice ziaren krystalicznych
Większość metali technicznych, stosowanych w przemyśle w postaci polikrystalicznej, składa się z wielu drobnych kryształów zwanych ziarnami. Każde ziarno ma własne ułożenie sieci atomów, a miejsca styku – tzw. granice ziaren – to strefy, w których regularność ta zostaje przerwana lub zniekształcona.
W procesach wymagających idealnego porządku na powierzchni, takich jak wytwarzanie nanostruktur, granice ziaren zakłócają wzrost i powodują, że struktury „rozjeżdżają się” przy przejściu z jednego ziarna na drugie. Badacze z IFJ PAN opracowali metodę, która pozwala narzucić nanostrukturom układ niezależny od granic ziaren, dzięki czemu zachowują one idealny wzór na całej powierzchni.
Od ograniczenia do przełomu
W eksperymentach zastosowano tytan i nanorurki z jego tlenku, którymi równomiernie pokryto arkusze metalu o powierzchni liczonych w dziesiątkach centymetrów kwadratowych.
„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 dr inż. Juliusz Chojenka (IFJ PAN), pierwszy autor publikacji w Acta Materialia.
Jak to działa: litografia nanocząstek i anodyzacja
Proces rozpoczyna się od litografii nanocząstek – techniki, w której na powierzchni wody umieszcza się kuliste nanocząstki polistyrenowe (o średnicy od 50 nanometrów do kilkudziesięciu mikrometrów).
Naładowane elektrycznie kulki odpychają się, tworząc równomierną, heksagonalną warstwę. Następnie przenosi się ją na wypolerowaną blachę tytanową, obrabia plazmą w atmosferze azotu i tlenu, pokrywa cienką warstwą tytanu, a później usuwa kulki. Na powierzchni pozostaje regularna siatka mikroskopijnych dołków – tzw. antykropek.
Kolejny etap to anodyzacja, czyli kontrolowany proces elektrochemiczny. „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” – wyjaśnia dr hab. inż. Michał Krupiński (IFJ PAN).
Połączenie litografii i anodyzacji pozwala ominąć zaburzenia naturalnie występujące na granicach ziaren i uzyskać jednorodne, mechanicznie trwałe warstwy nanorurek, które zachowują właściwości nawet po wygrzewaniu.
Zastosowania: od implantów po elektronikę
Nowa metoda może mieć szerokie zastosowania. W medycynie umożliwi tworzenie implantów o powierzchni uwalniającej leki poprawiające biozgodność. W fotowoltaice może zwiększyć efektywność ogniw, a w chemii – posłużyć do budowy katalizatorów działających pod wpływem światła UV.
Tlenek tytanu reaguje także na niewielkie ilości wodoru, co czyni go obiecującym materiałem na bardzo czułe detektory gazów. Kolejnym kierunkiem jest miniaturyzacja memrystorów – elementów elektronicznych, których opór zależy od historii przepływu prądu. Obecnie mają one rozmiary rzędu dziesiątek mikrometrów, tymczasem funkcję tę mogłaby pełnić pojedyncza nanorurka – obiekt co najmniej stukrotnie mniejszy.
„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.
Źródło:
Instytut Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie, Controlling the Photoactivity of the Nanopatterned Titanium Oxide, J. C. Chojenka, K. Mróz, A. Bartkowiak, M. Mitura-Nowak, M. S. Shakeri, M. Krupiński, Acta Materialia 2025, 296, 121236. DOI: 10.1016/j.actamat.2025.121236