Большие металлические поверхности, покрытые точно сформированными наноструктурами, до недавнего времени оставались в сфере фантазий. Препятствие, стоявшее на пути их производства, казалось фундаментальным, поскольку оно было связано с наличием кристаллических зёрен в металлах: их границы нарушали рост наноструктур. В Институте ядерной физики Польской академии наук (IFJ PAN) было доказано, что это препятствие можно преодолеть, используя титан и его оксид в качестве примера.
Преодоление ограничений
Покрытия из наноструктур с точно подобранными размерами и формами позволяют контролировать свойства материалов. Однако для большинства металлов существовало серьёзное ограничение: было невозможно получить однородные покрытия на больших поверхностях из-за возмущений, появляющихся на границах кристаллических зёрен.
В Институте ядерной физики Польской академии наук в Кракове продемонстрирован процесс нанесения покрытий на большие площади с использованием титана и его оксида. Это достижение представляется перспективным во многих областях применения, среди которых выделяются медицинские имплантаты, фотоэлектрические элементы, химические детекторы и мемристоры.
Доктор инженер Юлиуш Хойенка (IFJ PAN), первый автор статьи, описывающей достижение, опубликованной в Acta Materialia, говорит: «Мы уникальны в мире своей способностью покрывать большие площади титанового листового металла, измеряемые десятками квадратных сантиметров, нанотрубками из оксида титана строго контролируемым образом. Метод, который мы предлагаем, является результатом сочетания двух нетрадиционных методов наноструктурирования поверхностей материалов: литографии с наночастицами и электрохимической анодизации».
Методы и процесс
Оба метода — литография с наночастицами и анодизация — известны давно, но применялись только в лабораторных условиях и до сих пор не объединялись. Физики из Кракова подчёркивают, что преимущество их предложенного метода заключается в его простоте, скорости, низких производственных затратах и возможности лёгкого масштабирования всего процесса таким образом, чтобы обеспечить технологическое применение, например, производство покрытий большой площади.
Наночастицы играют роль в первом, подготовительном этапе изготовления покрытий из нанотрубок оксида титана. Затем материал, покрытый наночастицами, помещается в вакуумную камеру, где он подвергается воздействию плазмы, генерируемой из азота и кислорода, в течение нескольких минут. Под её влиянием сферы из полистирола слегка уменьшаются, но сохраняют свои исходные положения. Образец затем переносится в другую вакуумную камеру, где на него наносится тонкий слой титана.
Завершающий этап
На завершающем этапе литографической фазы наночастицы удаляются с помощью органического растворителя и ультразвука, что вызывает вибрацию образца. В результате получается поверхность, покрытая гексагональной правильной сеткой ямок, называемых антидотами.
«В специальной камере мы теперь подвергаем образец, покрытый антидотами, анодизации, то есть электрохимическому процессу, в результате которого на его поверхности образуются равномерные и упорядоченные наноструктуры», — объясняет доктор инженер Михал Крупинский (IFJ PAN).
Свойства покрытий
Физические и химические свойства полученных покрытий были всесторонне охарактеризованы с помощью сканирующей электронной микроскопии, рентгеновской дифракции и рамановской спектроскопии, а также была определена их фотоактивность под ультрафиолетовым излучением. В ходе нескольких дней испытаний было обнаружено, что, несмотря на превышение границ кристаллических зёрен, покрытия из нанотрубок являются механически прочными, а сами нанотрубки не разрушаются даже при отжиге.
Представленный метод наноструктурирования оксида титана имеет потенциал для широкого применения. Медицинские имплантаты могут быть покрыты нанотрубками, которые контролируемым образом высвобождают лекарства в организм, улучшая биосовместимость.
Перспективы применения
Путем точного подбора размера и плотности нанотрубок можно контролировать фотоактивность оксида титана, взаимодействующего с ультрафиолетовым излучением, что способствует применению в фотоэлектрических элементах или управлении химическими реакциями. Также известно, что поверхность оксида титана изменяет свои свойства в зависимости от адсорбции даже небольших количеств водорода, поэтому рассматриваются новые, более чувствительные детекторы, чем те, которые доступны в настоящее время.
Открываются интересные перспективы в миниатюризации мемристоров, то есть электронных компонентов, сопротивление которых зависит от истории протекающего через них тока. В настоящее время мемристоры, перспективные компоненты новых типов памяти и искусственных синапсов, имеют размеры в десятки микрометров. Между тем их функцию могли бы взять на себя одиночные нанотрубки — объекты, по крайней мере, в сто раз меньшие.
«Нет физических, химических или технических препятствий для адаптации нашего метода к наноструктурированию поверхностей из переходных металлов, кроме титана, таких как железо, алюминий или тантал. Всё зависит от потребностей», — заключает доктор Хойенка.
Предоставлено Польской академией наук.