Forschung Nano-Skalierung für eine nachhaltige Produktion

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Wissenschaftler haben wiederverwertbare Mehrzweck-Nanoblätter für Anwendungen in den Bereichen Elektronik, Energiespeicherung sowie Gesundheit und Sicherheit entwickelt.

Ein neue selbstorganisierende Nanofolie könnte die Entwicklung funktioneller und nachhaltiger Nanomaterialien für Elektronik, Energiespeicherung, Gesundheit und Sicherheit und viele andere Anwendungen erheblich beschleunigen.

Das von einem Team unter der Leitung des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) entwickelte neue selbstorganisierende Nanofolie könnte die Lebensdauer von Konsumgütern erheblich verlängern. Und da das neue Material recycelbar ist, könnte es auch einen nachhaltigen Herstellungsansatz ermöglichen, der Einwegverpackungen und Elektronikkomponenten aus den Mülldeponien fernhält.

Dem Forschungsteam ist es also erstmals gelungen, ein Mehrzweck-Hochleistungs-Barrierematerial (Bild 1) aus sich selbst zusammensetzenden Nanofolien zu entwickeln. Über diesen Durchbruch wurde in der Zeitschrift 'Nature' berichtet.

„Unsere Arbeit überwindet eine langjährige Hürde in der Nanowissenschaft - die Skalierung der Synthese von Nanomaterialien in nützliche Materialien für Herstellungsprozesse und kommerzielle Anwendungen“, sagte Ting Xu, Leiterin der Studie. „Es ist wirklich aufregend, denn wir arbeiten seit Jahrzehnten daran“. Xu ist leitende Wissenschaftlerin in der Abteilung für Materialwissenschaften des Berkeley Labs und Professor für Chemie und Materialwissenschaft und -technik an der UC Berkeley.

Eine Herausforderung bei der Nutzung der Nanowissenschaft zur Herstellung funktioneller Materialien besteht darin, dass viele kleine Teile zusammengefügt werden müssen, damit das Nanomaterial groß genug wird, um nützlich zu sein. Und obwohl das Stapeln von Nanoblättern eine der einfachsten Möglichkeiten ist, Nanomaterialien zu einem Produkt zu verarbeiten, sind „Stapelfehler“ - also Lücken zwischen den Nanoblättern - bei der Arbeit mit bestehenden Nanoblättern oder Nanoplättchen unvermeidlich.

„Wenn man sich den Aufbau einer 3-D-Struktur aus dünnen, flachen Kacheln vorstellt, hat man Schichten über die gesamte Höhe der Struktur, aber auch Lücken in jeder Schicht, wo immer zwei Kacheln aufeinandertreffen“, sagte die Erstautorin Emma Vargo, eine ehemalige Doktorandin in der Gruppe von Xu und jetzt Postdoktorandin in der Abteilung Materialwissenschaften des Berkeley Labs. „Es ist verlockend, die Anzahl der Lücken zu verringern, indem man die Kacheln vergrößert, aber dann wird es schwieriger, mit ihnen zu arbeiten“, so Vargo.

Das neue Nanoblattmaterial umgeht das Problem der Stapelungsdefekte, indem es den Ansatz der seriell gestapelten Blätter komplett überspringt. Stattdessen mischte das Team Materialien, von denen bekannt ist, dass sie sich selbst zu kleinen Partikeln zusammenlagern, und zwar mit abwechselnden Schichten der Komponentenmaterialien, die in einem Lösungsmittel suspendiert sind. Für das Systemdesign verwendeten die Forscher komplexe Mischungen aus Nanopartikeln mit kleinen Molekülen und Supramolekülen auf der Basis von Blockcopolymeren, die alle im Handel erhältlich sind.

Experimente an der Spallationsneutronenquelle des Oak Ridge National Laboratory halfen den Forschern, die frühen, groben Phasen der Selbstorganisation der Mischungen zu verstehen. Sobald das Lösungsmittel verdampft, verschmelzen die kleinen Partikel und ordnen sich spontan zu groben Schichten, die sich dann zu dichten Nanoblättern verfestigen.

Auf diese Weise entstehen die geordneten Schichten gleichzeitig und nicht nacheinander wie in einem seriellen Prozess. Die kleinen Teilchen müssen nur kurze Strecken zurücklegen, um sich zu ordnen und Lücken zu schließen, wodurch die Probleme vermieden werden, die beim Bewegen größerer „Fliesen“ mit den unvermeidlichen Lücken zwischen ihnen auftreten.

Aus einer früheren Studie unter der Leitung von Xu wussten die Forscher, dass die Kombination von Nanokomposit-Mischungen, die mehrere „Bausteine“ verschiedener Größen und chemischer Zusammensetzungen enthalten, darunter komplexe Polymere und Nanopartikel, sich nicht nur an Verunreinigungen anpassen, sondern auch die Entropie eines Systems freisetzt, d. h., die inhärente Unordnung in Materialmischungen, die sich Xus Gruppe zunutze machte, um die Materialbausteine zu verteilen.

Die neue Studie baut auf dieser früheren Arbeit auf. Die Forscher sagten voraus, dass die für die aktuelle Studie verwendete komplexe Mischung zwei ideale Eigenschaften haben würde: Neben einer hohen Entropie, die die Selbstorganisation eines Stapels von Hunderten von Nanoblättern, die gleichzeitig gebildet werden, vorantreibt, erwarteten sie auch, dass das neue Nanoblattsystem nur minimal durch unterschiedliche Oberflächenchemikalien beeinflusst wird.

Dies würde es ermöglichen, dass dieselbe Mischung eine schützende Barriere auf einer Vielzahl von Oberflächen bildet, beispielsweise bei einem Glasbildschirm eines Elektronikgerätes oder einer Polyestermaske (Bild 2).

Einfache Montage und hohe Leistung

Um die Leistung des Materials als Barrierebeschichtung in verschiedenen Anwendungen zu testen, haben die Forscher die Hilfe einiger der besten Forschungseinrichtungen des Landes in Anspruch genommen.

Bei Experimenten an der Advanced Photon Source des Argonne National Laboratory ermittelten die Forscher, wie die einzelnen Komponenten zusammenkommen, und sie quantifizierten ihre Beweglichkeit und die Art und Weise, in der sich jede Komponente bewegt, um ein funktionelles Material zu erzeugen.

Auf der Grundlage dieser quantitativen Studien stellten die Forscher Barrierebeschichtungen her, indem sie eine verdünnte Lösung von Polymeren, kleinen organischen Molekülen und Nanopartikeln auf verschiedene Substrate auftrugen - einen Teflonbecher und eine Teflonmembran, einen Polyesterfilm, dicke und dünne Siliziumfilme, Glas und sogar den Prototyp eines Mikroelektronikgerätes - und dann die Geschwindigkeit der Filmbildung kontrollierten.

Experimente mit einem Transmissionselektronenmikroskop am Berkeley Lab Molecular Foundry zeigten, dass sich nach dem Verdampfen des Lösungsmittels eine hoch geordnete Schichtstruktur aus mehr als 200 gestapelten Nanofilmen mit sehr geringer Defektdichte auf den Substraten gebildet hatte (Bild 3).

Den Forschern gelang es auch, jedes Nanoblatt 100 nm dick zu machen, und zwar mit wenigen Löchern und Zwischenräumen. Das mache das Material besonders effektiv, um den Durchgang von Wasserdampf, flüchtigen organischen Verbindungen und Elektronen zu verhindern, so Vargo.

Weitere Experimente in der Molecular Foundry haben gezeigt, dass das Material ein großes Potenzial als Dielektrikum hat, ein isolierendes „Elektronenbarrieren“-Material, das häufig in Kondensatoren für Energiespeicher- und Computeranwendungen verwendet wird.

In Zusammenarbeit mit Forschern der Energy Technologies Area des Berkeley Lab wiesen Xu und sein Team nach, dass das Material, wenn es zur Beschichtung poröser Teflonmembranen (ein gängiges Material zur Herstellung von Gesichtsschutzmasken) verwendet wird, flüchtige organische Verbindungen, die die Luftqualität in Innenräumen beeinträchtigen können, äußerst wirksam herausfiltert.

In einem abschließenden Experiment im Xu-Labor zeigten die Forscher, dass das Material wieder aufgelöst und zu einer neuen Barrierebeschichtung verarbeitet werden kann. Nachdem sie erfolgreich demonstriert haben, wie man aus einem einzigen Nanomaterial ein vielseitiges funktionelles Material für verschiedene industrielle Anwendungen herstellen kann, planen die Forscher, die Wiederverwertbarkeit des Materials zu verfeinern und sein Repertoire um eine Farbabstimmung zu erweitern (derzeit ist es blau).

Die Technologie kann über das Berkeley Lab’s Intellectual Property Office lizenziert oder für gemeinsame Forschungen genutzt werden. Für weitere Informationen: ipo@lbl.gov.

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(mbf)

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