Les ingénieurs de l'Oregon State University ont fait une percée fondamentale dans la compréhension de la physique du « frittage photonique, " ce qui pourrait conduire à de nombreuses nouvelles avancées dans les cellules solaires, électronique souple, divers types de capteurs et autres produits de haute technologie imprimés sur quelque chose d'aussi simple qu'une feuille de papier ou de plastique.
Le frittage est la fusion de nanoparticules pour former un solide, couche mince fonctionnelle qui peut être utilisée à de nombreuses fins, et le processus pourrait avoir une valeur considérable pour les nouvelles technologies.
Le frittage photonique présente l'avantage possible d'une vitesse plus élevée et d'un coût inférieur, par rapport à d'autres technologies de frittage de nanoparticules.
Dans la nouvelle recherche, Les experts de l'OSU ont découvert que les approches précédentes pour comprendre et contrôler le frittage photonique étaient basées sur une vision erronée de la physique de base impliquée, ce qui a conduit à une surestimation flagrante de la qualité du produit et de l'efficacité du processus.
Sur la base de la nouvelle perspective de ce processus, qui a été décrit dans Nature's Rapports scientifiques , les chercheurs pensent maintenant qu'ils peuvent créer des produits de haute qualité à des températures beaucoup plus basses, au moins deux fois plus rapide et avec 10 fois plus d'efficacité énergétique.
Supprimer les contraintes sur les températures de production, vitesse et coût, disent les chercheurs, devrait permettre la création de nombreux nouveaux produits de haute technologie imprimés sur des substrats aussi bon marché que le papier ou le film plastique.
"Le frittage photonique est un moyen de déposer des nanoparticules de manière contrôlée puis de les assembler, et cela a suscité un grand intérêt, " a déclaré Rajiv Malhotra, professeur adjoint de génie mécanique à l'OSU College of Engineering. "Jusqu'à maintenant, cependant, nous ne comprenions pas vraiment la physique sous-jacente de ce qui se passait. On pensait, par exemple, que le changement de température et le degré de fusion n'étaient pas liés - mais en fait, cela compte beaucoup."
Avec les concepts décrits dans la nouvelle étude, la porte est ouverte à un contrôle précis de la température avec des tailles de nanoparticules plus petites. Cela permet une vitesse accrue du processus et une production de haute qualité à des températures au moins deux fois inférieures à ce qu'elles étaient auparavant. Un effet "auto-amortissant" inhérent a été identifié qui a un impact majeur sur l'obtention de la qualité souhaitée du film fini.
"Une température plus basse est une vraie clé, " a déclaré Malhotra. " Pour réduire les coûts, nous voulons imprimer ces produits nanotechnologiques sur du papier et du plastique, qui brûlerait ou fondrait à des températures plus élevées. Nous savons maintenant que c'est possible, et comment le faire. Nous devrions être capables de créer des processus de production à la fois rapides et bon marché, sans perte de qualité."
Des produits qui pourraient évoluer à partir de la recherche, Malhotra a dit, inclure des cellules solaires, capteurs de gaz, étiquettes d'identification par radiofréquence, et une large gamme d'électronique flexible. Des capteurs biomédicaux portables pourraient émerger, ainsi que de nouveaux dispositifs de détection pour les applications environnementales.
Dans cette technologie, la lumière d'une lampe au xénon peut être diffusée sur des zones relativement grandes pour fusionner des nanoparticules en films minces fonctionnels, beaucoup plus rapidement qu'avec les méthodes thermiques conventionnelles. Il devrait être possible d'étendre le processus à de grands niveaux de fabrication pour une utilisation industrielle.
Cette avance a été rendue possible par une période de quatre ans, Subvention évolutive de nanofabrication de la National Science Foundation de 1,5 million de dollars, qui vise à transcender les barrières scientifiques à la production industrielle de nanomatériaux. Les collaborateurs d'OSU incluent Chih-hung Chang, Alan Wang et Greg Herman.
Les chercheurs de l'OSU travailleront avec deux fabricants de l'industrie privée pour créer une installation de validation de principe en laboratoire, comme la prochaine étape pour amener cette technologie vers la production commerciale.
