(Phys.org)—Att göra enhetliga beläggningar är en vanlig ingenjörsutmaning, och, när du arbetar på nanoskala, även de minsta sprickor eller defekter kan vara ett stort problem. Ny forskning från ingenjörer från University of Pennsylvania har visat på ett nytt sätt att undvika sådana sprickor vid avsättning av tunna filmer av nanopartiklar.

Forskningen leddes av doktoranden Jacob Prosser och biträdande professor Daeyeon Lee, båda av Institutionen för kemi- och biomolekylär teknik vid Penns School of Engineering and Applied Science. Doktorand Teresa Brugarolas och doktorand Steven Lee, även av kemi- och biomolekylär teknik, och professor Adam Nolte från Rose-Hulman Institute of Technology deltog i forskningen.

Deras arbete publicerades i tidskriften Nanobokstäver .

För att generera en nanopartikelfilm, de önskade partiklarna suspenderas i en lämplig vätska, som sedan sprids tunt och jämnt över ytan genom en mängd olika fysiska metoder. Vätskan får sedan avdunsta, men, när det torkar, filmen kan spricka som lera i solen.

"En metod för att förhindra sprickbildning är att modifiera suspensionens kemi genom att sätta bindande tillsatser där, ", sa Prosser. "Men det är i huvudsak att lägga till ett nytt material till filmen, som kan förstöra dess egenskaper."

Detta dilemma lyfts fram när det gäller elektroder, kontaktpunkterna i många elektriska apparater som överför elektricitet. avancerade enheter, som vissa typer av solceller, har elektroder som består av nanopartikelfilmer som leder elektroner, men sprickor i filmerna fungerar som isolatorer. Att lägga till ett bindemedel till filmerna skulle bara förvärra problemet.

"Dessa bindemedel är vanligtvis polymerer, som själva är isolatorer, " sa Lee. "Om du använder dem, du kommer inte att få den riktade egendomen, konduktiviteten, som du vill."

Ingenjörer kan förhindra sprickor med alternativa torkningsmetoder, men dessa involverar ultrahöga temperaturer eller tryck och därmed dyr och komplicerad utrustning. En billig och effektiv metod för att förhindra sprickor skulle vara en välsignelse för hur många industriella processer som helst.

Sprickbildningens allestädes närvarande i detta sammanhang, dock, innebär att forskarna känner till den "kritiska spricktjockleken" för många material. Genombrottet kom när Prosser försökte göra en film tunnare än denna tröskel, stapla dem sedan ihop för att göra en komposit av önskad tjocklek.

"Jag tänkte på hur vid målning av byggnader och bostäder, flera lager används, ", sa Prosser. "En anledning till det är att undvika att spricka och flagna. Jag trodde att det kunde fungera för dessa filmer också, så jag gav det ett försök."

"Detta är en av de saker där, när du väl kommer på det, " sa Lee, "det är så uppenbart, men på något sätt har den här metoden undgått alla under alla dessa år."

En anledning till att detta tillvägagångssätt kan ha förblivit oprövat är att det är kontraintuitivt att det överhuvudtaget skulle fungera.

Metoden som forskarna använde för att göra filmerna är känd som "spin-coating". En exakt mängd av nanopartikelsuspensionen - i det här fallet, kiseldioxidsfärer i vatten – sprids över målytan. Ytan snurras sedan snabbt, orsakar centrifugalacceleration att tunna ut suspensionen över ytan i ett enhetligt skikt. Suspensionen torkar sedan med fortsatt rotation, vilket får vattnet att avdunsta och lämna kvar kiseldioxidsfärerna i ett komprimerat arrangemang.

Men för att göra ett andra lager över detta först, ytterligare en droppe flytande suspension skulle behöva placeras på de torkade nanopartiklarna, något som normalt skulle tvätta bort dem. Dock, forskarna blev förvånade när de torkade skikten förblev intakta efter att processen upprepats 13 gånger; den exakta mekanismen genom vilken de förblev stabila är något av ett mysterium.

"Vi tror att nanopartiklarna stannar på ytan, " sa Lee, "eftersom kovalenta bindningar bildas mellan dem trots att vi inte utsätter dem för höga temperaturer. Inspirationen till den hypotesen kom från vår kollega Rob Carpick. Hans senaste Natur papper handlade om hur kiseldioxid-kiseldioxidytor bildar bindningar vid rumstemperatur; vi tror att detta kommer att fungera med andra typer av metalloxider."

Framtida forskning kommer att vara nödvändig för att fastställa denna mekanism och tillämpa den på nya typer av nanopartiklar.