15:45
Нанопокрытия со многими функциями

Материалы, которые одновременно обладают контрастными свойствами—например, они мягкие с одной стороны и твердые с другой, с постепенным переходом между этими двумя свойствами—могут позволить совершенно новые приложения, такие как антибликовые линзы. В природе такие свойства слияния действительно распространены, например, у мидий или в человеческом глазу. Ученые-материаловеды из Кильского университета используют этот принцип для разработки новых материалов на наноуровне. В настоящее время им удалось получить ультратонкие сополимерные пленки с такими постепенно меняющимися свойствами. Будучи многофункциональными покрытиями, они могли бы позволить сложные оптические и электронные приложения в миниатюрном формате, например для микроэлектроники. Их результаты были недавно опубликованы в журнале Materials Today, а также опубликованы на титульном листе номера.

Свойства материала вдохновленные природой

Мидии могут так прочно прилипать к камням или молам, что их не может отделить морское течение. Для того чтобы мягкие ткани внутри раковины мидии прочно пристыковывались к твердой поверхности камня, мидии образуют эластичные клейкие нити, которые к концу становятся все более твердыми. Это происходит из-за смеси белков, которая равномерно изменяется от одного конца волокна к другому.

Основываясь на этом принципе от природы, ученые-материаловеды в Киле разрабатывают уникальные тонкие материалы с аналогично сливающимися свойствами, так называемые градиентные тонкие пленки. "Чтобы достичь этого, мы объединяем два материала с различными свойствами на наноуровне", - объясняет Стефан Шредер. Он является первым автором исследования и в настоящее время работает доктором философии на кафедре многокомпонентных материалов. В работе впервые показан способ синтеза таких градиентов в виде ультратонких полимерных пленок. Шредер и его коллеги объединили политетрафторэтилен (PTFE, более известный под торговым названием "тефлон") с полимером PV3D3. Полученная комбинация материалов может быть использована, например, для покрытия самолетов, холодильников или стеклянных фасадов, чтобы облегчить их удаление льда.

Для этого Шредер и его коллеги воспользовались различными свойствами двух полимеров: тефлон известен не только своими антипригарными свойствами, его поверхность также гидрофобна. Поэтому капли воды в идеале скатываются сразу или замерзают лишь незначительно, что также облегчает удаление льда. Но сам тефлон трудно наносить на другие поверхности. PV3D3 с другой стороны характеризуется хорошими адгезионными свойствами. Постепенно объединив эти два материала на наноуровне, исследовательская группа смогла объединить их в плавном переходе. С одной стороны, связь особенно хорошая, а с другой стороны, сохраняются различные свойства. В результате получается материал покрытия с водоотталкивающей верхней стороной и хорошо прилипающей нижней стороной.

Тонкие полимерные покрытия-не так просто изготовить

Но покрывать поверхности полимерами контролируемым образом не так-то просто. Существуют уже установленные процессы осаждения или распыления паров для нанесения покрытий металлами или керамическими материалами, которые также используются в крупных промышленных масштабах в течение десятилетий. Однако полимеры не могут быть просто испарены или распылены без разложения. Американский ученый Карен К. Глисон предлагает лекарство с помощью метода инициированного химического осаждения из паровой фазы (iCVD), разработанного ею в середине 1990-х годов в Массачусетском технологическом институте MIT, где Шредер провел исследовательскую поездку в 2017 году.

В рамках своей кандидатской диссертации ученый-материаловед Стефан Шредер разработал метод получения нанотонких градиентных сополимерных пленок, сочетающих в себе различные свойства. Кредит: Джулия Зикманн, CAU

"В этом процессе газ подается вместе с газом-инициатором в реакционную камеру, в которой находится поверхность подложки. Тепло вызывает разрыв химических связей инициатора и начало цепной реакции", - объясняет докторский руководитель профессор Франц Фаупель, обладатель кафедры композитных материалов и член исследовательской области KiNSIS (Kiel Nano, Surface and Interface Science) в CAU. Таким образом, на поверхности подложки из введенных газов "вырастает" тонкая полимерная пленка.

Ученые-материаловеды из Киля пошли еще дальше. Они использовали процесс iCVD не только для создания тонкого полимерного слоя, но и одновременно связали два полимера в постепенном переходе. После введения мономера V3D3 они добавили исходный материал для осаждения ПТФЭ и непрерывно увеличивали его концентрацию. В то же время они снизили уровень V3D3, так что оба образуют полимерную пленку на подложке с постепенным переходом от чистого полимера PV3D3 к чистой пленке PTFE, начиная с поверхности подложки.

Новый класс органических градиентных наноматериалов

Во время техники iCVD параллельно протекают многочисленные процессы. "При изменении отдельных параметров, таких как температура подложки или давление мономерного газа в реакторе, конечный материал приобретает другие свойства. Однако найти правильные параметры для желаемых свойств очень сложно", - объясняет Шредер. Поэтому он оснастил обычную систему iCVD своего кресла квадрупольным масс-спектрометром с открытым источником ионов. Это позволяет наблюдать процессы в реакционной камере in situ и регулировать состав газовой смеси инициатора и двух мономеров одновременно.

Благодаря этому высокоточному контролю исследовательская группа смогла синтезировать полимерный градиентный слой толщиной всего 21 нанометр. Для сравнения: человеческий волос имеет диаметр около 50 000 нанометров. Раньше были возможны только макроскопические градиенты. "Такая тонкая градиентная пленка является практически мировым рекордом и практически новым классом органических градиентных наноматериалов", - говорит доктор Томас Струнскус, научный сотрудник рабочей группы. "Особенно для применений в оптике, покрытия только нескольких нанометров имеют решающее значение для того, чтобы не ухудшать оптические свойства окон или линз, например."Первые проекты с промышленными партнерами из сектора технологий нанесения покрытий и кондиционирования воздуха уже находятся в стадии подготовки.

Возможные области применения варьируются от микроэлектроники и датчиков до оптики и биомедицины

Процесс, представленный в исследовании, также может быть использован для реализации других полимерных комбинаций с новыми химическими и физическими свойствами материала. Нанометровые полимерные пленки также представляют интерес, например, для гибких микроэлектронных компонентов и датчиков в технологии МЭМС (микроэлектромеханических системах) или молекулярных машинах, которые переносят механические процессы в наноуровень.

Результаты, опубликованные в настоящее время, также будут включены в работу нескольких исследовательских ассоциаций под эгидой KiNSIS. - Это фундаментальные инструменты для материаловедения. Область применения варьируется от улучшения адгезии функциональных слоев в сенсорах и разработки материалов для контролируемого высвобождения лекарств до молекулярных машин", - говорит Фаупель.

Похожие материалы:

Так же рекомендуем посмотреть:

В течение 75 лет в США существовала "бесконечная граница" науки. Теперь это подходит к концу


Редкий магнетизм обнаружен в самом сильном материале в мире


Чужие планеты около 1000 ближайших звезд могут смотреть прямо на Землю

Категория: Космос / Планеты / Технологии | Просмотров: 54 | Добавил: admin | Теги: Нанопокрытия со многими функциями, материал, Шредер, свойство, исследовательская группа, постепенный переход, Поверхность, сторона, процесс, пленка, реакционная камера, CAU, PTFE, mit, удаление льда | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
avatar