Наночастицы диоксида титана (TiO2) имеют большие перспективы в качестве наполнителей для настройки показателя преломления антибликовых покрытий на вывесках и оптических герметиках для светодиодов, солнечных элементов и других оптических устройств. Оптические герметики — это покрытия или покрытия, обычно сделанные из силикона, которые защищают устройство.
Промышленность в значительной степени избегала наночастиц TiO2, потому что их было сложно и дорого производить, а современные методы производят частицы слишком большого размера.
Sandia заинтересовалась TiO2 для оптических герметиков из-за своей работы над светодиодными материалами для твердотельного освещения.
Современные методы производства TiO2 часто требуют высокотемпературной обработки или дорогостоящих поверхностно-активных веществ — молекул, которые связываются с чем-то, чтобы сделать его растворимым в другом материале, как мыло для посуды с жиром.
Эти методы производят неидеальные наночастицы, которые очень дороги, могут сильно различаться по размеру и показывать значительное слипание частиц, называемое агломерацией.
С другой стороны, в методике Сандии используются легкодоступные и недорогие материалы, и в результате получаются наночастицы небольшого размера, примерно одинакового размера и не слипающиеся.
«Мы хотели что-то, что было бы дешевым и масштабируемым, и чтобы частицы были бы очень маленькими», — сказал исследователь Тодд Монсон, который вместе с главным исследователем Дейлом Хубером запатентовал этот процесс в середине 2011 года как «Синтез наночастиц брукита TiO2 с высоким выходом."
Недорогой метод позволяет получать однородные наночастицы, которые не слипаются
По словам Монсона, их метод позволяет получать наночастицы диаметром примерно 5 нанометров, что примерно в 100 раз меньше длины волны видимого света, поэтому светорассеяние мало.
«В этом преимущество наночастиц — не только наночастиц, но и небольших наночастиц», — сказал он.
Рассеяние уменьшает пропускание света. Меньшее рассеяние также может помочь извлечь больше света, в случае светодиода, или уловить больше света, в случае солнечного элемента.
TiO2 может увеличивать показатель преломления материалов, таких как силикон в линзах или оптические герметики. Показатель преломления — это способность материала отклонять свет.
Например, линзы для очков имеют высокий показатель преломления.
Практические наночастицы должны быть способны обрабатывать различные поверхностно-активные вещества, чтобы они были растворимы в широком диапазоне растворителей. Для различных применений требуются разные растворители для обработки.
Технику можно использовать с разными растворителями
«Если кто-то хочет использовать наночастицы TiO2 в различных полимерах и сферах применения, удобно, чтобы ваши частицы были устойчивыми к суспензии в широком диапазоне растворителей», — сказал Монсон. «Для некоторых биологических применений может потребоваться стабильность в растворителях на водной основе, поэтому было бы очень полезно иметь доступные поверхностно-активные вещества, которые могут сделать частицы стабильными в воде."
Исследователи разработали свою технику синтеза, объединив свои знания — опыт Хубера в синтезе наночастиц и химии полимеров, а также знания Монсона в области физики материалов.
Работа выполнялась в рамках проекта лабораторных исследований и разработок, который Хубер начал в 2005 году.
«Первоначальные цели проекта заключались в исследовании фундаментальной науки о дисперсиях наночастиц, но когда этот синтез был разработан ближе к концу проекта, коммерческое применение стало очевидным», — сказал Хубер.
Впоследствии исследователи усовершенствовали процесс, чтобы упростить производство частиц.
Существующие методы синтеза частиц TiO2 были слишком дорогими и трудными для масштабирования производства.
Кроме того, поставщики химикатов отправляют наночастицы диоксида титана в высушенном виде и без поверхностно-активных веществ, поэтому частицы слипаются и их невозможно разбить. "Тогда у вас больше нет той собственности, которую вы хотите", — сказал Монсон.
Исследователи попробовали различные типы спирта в качестве недорогого растворителя, чтобы увидеть, смогут ли они заставить общий источник титана, изопропоксид титана, вступать в реакцию с водой и спиртом.
По словам Монсона, самой большой проблемой было выяснить, как контролировать реакцию, поскольку добавление воды к изопропоксиду титана чаще всего приводит к быстрой реакции, которая дает большие куски TiO2, а не наночастицы. «Таким образом, хитрость заключалась в том, чтобы контролировать реакцию, контролируя добавление воды к этой реакции», — сказал он.
Учебники говорили, что наночастицы сделать невозможно, Сандия настаивала
В некоторых учебниках метод изопропоксида титана-вода-спирт отвергается как способ получения наночастиц TiO2.
Однако Хубер и Монсон упорствовали, пока не обнаружили, как очень медленно добавлять воду, помещая ее в разбавленный спиртовой раствор. «Когда мы изменили условия синтеза, мы смогли синтезировать наночастицы», — сказал Монсон.
Следующим шагом является демонстрация синтеза в промышленном масштабе, для чего потребуется коммерческий партнер. Монсон, который представил работу на осенней выставке науки и технологий Sandia, сказал, что Sandia получила запросы от компаний, заинтересованных в коммерциализации технологии.
«Здесь, в Sandia, мы не настроены на производство частиц в промышленных масштабах», — сказал он. "Мы хотим, чтобы они взяли это и использовали, и начали производить их в достаточно широком масштабе, чтобы продавать их конечному пользователю."
Сандиа синтезирует небольшое количество частиц, а затем работает с партнерской компанией над созданием композитов и оценивает их, чтобы увидеть, можно ли их использовать в качестве лучших герметиков для светодиодов, гибких композитов с высоким коэффициентом преломления для линз или солнечных концентраторов. "Я думаю, что он может удовлетворить довольно много потребностей", — сказал Монсон.