(Phys.org)—La fabrication de revêtements uniformes est un défi d'ingénierie courant, et, lorsqu'on travaille à l'échelle nanométrique, même les plus petites fissures ou défauts peuvent être un gros problème. De nouvelles recherches d'ingénieurs de l'Université de Pennsylvanie ont montré une nouvelle façon d'éviter de telles fissures lors du dépôt de films minces de nanoparticules.

La recherche a été dirigée par l'étudiant diplômé Jacob Prosser et le professeur adjoint Daeyeon Lee, tous deux du département de génie chimique et biomoléculaire de la faculté d'ingénierie et de sciences appliquées de Penn. L'étudiante diplômée Teresa Brugarolas et l'étudiant de premier cycle Steven Lee, également de Génie Chimique et Biomoléculaire, et le professeur Adam Nolte du Rose-Hulman Institute of Technology ont participé à la recherche.

Leurs travaux ont été publiés dans la revue Lettres nano .

Pour générer un film de nanoparticules, les particules souhaitées sont suspendues dans un liquide approprié, qui est ensuite étalé finement et uniformément sur la surface par diverses méthodes physiques. On laisse ensuite le liquide s'évaporer, mais, en séchant, le film peut se fissurer comme de la boue au soleil.

"Une méthode pour empêcher la fissuration est de modifier la chimie de la suspension en y ajoutant des additifs liants, " a déclaré Prosser. "Mais c'est essentiellement ajouter un nouveau matériau au film, ce qui peut ruiner ses propriétés.

Ce dilemme est mis en évidence dans le cas des électrodes, les points de contact dans de nombreux appareils électriques qui transfèrent l'électricité. Appareils haut de gamme, comme certains types de cellules solaires, avoir des électrodes composées de films de nanoparticules qui conduisent les électrons, mais les fissures dans les films agissent comme des isolants. L'ajout d'un liant aux films ne ferait qu'aggraver le problème.

"Ces liants sont généralement des polymères, qui sont eux-mêmes des isolants, " Lee a dit. " Si vous les utilisez, vous n'obtiendrez pas la propriété ciblée, la conductivité, que tu veux."

Les ingénieurs peuvent prévenir les fissures avec des méthodes de séchage alternatives, mais ceux-ci impliquent des températures ou des pressions ultra-élevées et donc un équipement coûteux et compliqué. Une méthode bon marché et efficace pour empêcher les fissures serait une aubaine pour un certain nombre de processus industriels.

L'omniprésence du cracking dans ce contexte, cependant, signifie que les chercheurs connaissent "l'épaisseur critique de fissuration" pour de nombreux matériaux. La percée est survenue lorsque Prosser a essayé de fabriquer un film plus fin que ce seuil, puis les empiler ensemble pour faire un composite de l'épaisseur désirée.

"Je pensais à comment, dans la peinture des bâtiments et des maisons, plusieurs couches sont utilisées, " a déclaré Prosser. " L'une des raisons est d'éviter les fissures et le pelage. J'ai pensé que cela pourrait fonctionner pour ces films aussi, alors j'ai essayé."

"C'est une de ces choses où, une fois compris, " Lee a dit, "C'est tellement évident, mais d'une manière ou d'une autre, cette méthode a échappé à tout le monde pendant toutes ces années."

L'une des raisons pour lesquelles cette approche n'a peut-être pas été essayée est qu'il est contre-intuitif qu'elle fonctionne.

La méthode utilisée par les chercheurs pour réaliser les films est connue sous le nom de "spin-coating". Une quantité précise de la suspension de nanoparticules - dans ce cas, des sphères de silice dans l'eau - est étalée sur la surface cible. La surface est ensuite rapidement filée, provoquant l'accélération centrifuge pour fluidifier la suspension sur la surface en une couche uniforme. La suspension sèche ensuite avec une rotation continue, provoquant l'évaporation de l'eau et laissant les sphères de silice dans un arrangement compacté.

Mais pour faire une deuxième couche sur cette première, il faudrait déposer une autre goutte de suspension liquide sur les nanoparticules séchées, quelque chose qui les laverait normalement. Cependant, les chercheurs ont été surpris lorsque les couches séchées sont restées intactes après que le processus ait été répété 13 fois; le mécanisme exact par lequel ils sont restés stables est quelque chose d'un mystère.

"Nous pensons que les nanoparticules restent à la surface, " Lee a dit, "parce que des liaisons covalentes se forment entre eux même si nous ne les exposons pas à des températures élevées. L'inspiration pour cette hypothèse est venue de notre collègue Rob Carpick. Son récent La nature le papier portait sur la façon dont les surfaces silice-silice forment des liaisons à température ambiante; nous pensons que cela fonctionnera avec d'autres types d'oxydes métalliques."

Des recherches futures seront nécessaires pour cerner ce mécanisme et l'appliquer à de nouveaux types de nanoparticules.