(Phys.org) — Sandia National Laboratories a mis au point un moyen peu coûteux de synthétiser des nanoparticules de dioxyde de titane et recherche des partenaires capables de démontrer le processus à l'échelle industrielle pour tout, des cellules solaires aux diodes électroluminescentes (DEL).

Dioxyde de titane (TiO 2 ) les nanoparticules sont très prometteuses en tant que charges pour régler l'indice de réfraction des revêtements antireflet sur les panneaux et les encapsulants optiques pour les LED, cellules solaires et autres dispositifs optiques. Les encapsulants optiques sont des revêtements ou des revêtements, généralement en silicone, qui protègent un appareil.

L'industrie a largement boudé le TiO 2 nanoparticules parce qu'elles sont difficiles et coûteuses à fabriquer, et les méthodes actuelles produisent des particules trop grosses.

Sandia s'est intéressée au TiO 2 pour les encapsulants optiques en raison de ses travaux sur les matériaux LED pour l'éclairage à semi-conducteurs.

Méthodes de production actuelles pour le TiO 2 nécessitent souvent un traitement à haute température ou des tensioactifs coûteux - des molécules qui se lient à quelque chose pour le rendre soluble dans un autre matériau, comme le savon à vaisselle le fait avec la graisse.

Ces méthodes produisent des nanoparticules moins qu'idéales qui sont très coûteuses, peuvent varier considérablement en taille et présenter un amas de particules important, appelé agglomération.

La technique de Sandia, d'autre part, utilise facilement disponible, matériaux peu coûteux et donne des nanoparticules de petite taille, de taille à peu près uniforme et ne forme pas de grumeaux.

« Nous voulions quelque chose à faible coût et évolutif, et qui a fait des particules qui étaient très petites, " a déclaré le chercheur Todd Monson, qui, avec le chercheur principal Dale Huber, a breveté le procédé à la mi-2011 sous le nom de "Synthèse à haut rendement de brookite TiO 2 nanoparticules."

Une technique peu coûteuse produit des nanoparticules uniformes qui ne s'agglutinent pas

Leur méthode produit des nanoparticules d'environ 5 nanomètres de diamètre, environ 100 fois plus petite que la longueur d'onde de la lumière visible, donc il y a peu de diffusion de la lumière, dit Monson.

"C'est l'avantage des nanoparticules, pas seulement des nanoparticules, mais de petites nanoparticules, " il a dit.

La diffusion diminue la quantité de transmission lumineuse. Moins de diffusion peut également aider à extraire plus de lumière, dans le cas d'une LED, ou capter plus de lumière, dans le cas d'une cellule solaire.

TiO 2 peut augmenter l'indice de réfraction des matériaux, tels que le silicone dans les lentilles ou les encapsulants optiques. L'indice de réfraction est la capacité du matériau à plier la lumière. Verres de lunettes, par exemple, ont un indice de réfraction élevé.

Les nanoparticules pratiques doivent être capables de gérer différents tensioactifs afin qu'elles soient solubles dans une large gamme de solvants. Différentes applications nécessitent différents solvants pour le traitement.

La technique peut être utilisée avec différents solvants

"Si quelqu'un veut utiliser TiO 2 nanoparticules dans une gamme de polymères et d'applications différents, il est pratique que vos particules soient également stables en suspension dans une large gamme de solvants, " a déclaré Monson. " Certaines applications biologiques peuvent nécessiter une stabilité dans les solvants à base aqueuse, il pourrait donc être très utile d'avoir des tensioactifs disponibles qui peuvent rendre les particules stables dans l'eau."

Les chercheurs ont mis au point leur technique de synthèse en mettant en commun leurs connaissances :l'expertise de Huber en synthèse de nanoparticules et en chimie des polymères et les connaissances de Monson en physique des matériaux. Le travail a été effectué dans le cadre d'un projet de recherche et développement dirigé par le laboratoire Huber a commencé en 2005.

« Les objectifs initiaux du projet étaient d'étudier la science fondamentale des dispersions de nanoparticules, mais lorsque cette synthèse a été développée vers la fin du projet, les applications commerciales étaient évidentes, ", a déclaré Huber. Les chercheurs ont ensuite affiné le processus pour rendre les particules plus faciles à fabriquer.

Méthodes de synthèse existantes pour TiO 2 les particules étaient trop coûteuses et difficiles à augmenter la production. En outre, les fournisseurs de produits chimiques expédient des nanoparticules de dioxyde de titane séchées et sans tensioactifs, les particules s'agglutinent donc et sont impossibles à briser. "Alors vous n'avez plus les propriétés que vous voulez, " a déclaré Monson.

Les chercheurs ont essayé divers types d'alcool comme solvant peu coûteux pour voir s'ils pouvaient obtenir une source de titane commune, isopropoxyde de titane, réagir avec l'eau et l'alcool.

Le plus grand défi, Monson a dit, cherchait comment contrôler la réaction, puisque l'ajout d'eau à l'isopropoxyde de titane entraîne le plus souvent une réaction rapide qui produit de gros morceaux de TiO 2 , plutôt que des nanoparticules. « Donc, l'astuce consistait à contrôler la réaction en contrôlant l'ajout d'eau à cette réaction, " il a dit.

Les manuels disaient que la fabrication de nanoparticules ne pouvait pas être faite, Sandia a persisté

Certains manuels ont rejeté la méthode isopropoxyde de titane-eau-alcool comme un moyen de fabriquer du TiO 2 nanoparticules. Huber et Monson, cependant, ont persisté jusqu'à ce qu'ils découvrent comment ajouter de l'eau très lentement en la mettant dans une solution diluée d'alcool. « Alors que nous ajustions les conditions de synthèse, nous avons pu synthétiser des nanoparticules, " a déclaré Monson.

La prochaine étape est de démontrer la synthèse à l'échelle industrielle, qui nécessitera un partenaire commercial. Monson, qui a présenté le travail à l'automne Science and Technology Showcase de Sandia, a déclaré Sandia a reçu des demandes de renseignements d'entreprises intéressées à commercialiser la technologie.

"Ici, chez Sandia, nous ne sommes pas configurés pour produire les particules à une échelle commerciale, ", a-t-il déclaré. "Nous voulons qu'ils s'en emparent et qu'ils commencent à les produire à une échelle suffisamment large pour les vendre à l'utilisateur final."

Sandia synthétiserait un petit nombre de particules, puis travailler avec une entreprise partenaire pour former des composites et les évaluer pour voir s'ils peuvent être utilisés comme meilleurs encapsulants pour les LED, composites flexibles à haut indice de réfraction pour lentilles ou concentrateurs solaires. "Je pense qu'il peut répondre à pas mal de besoins, " a déclaré Monson.