(Phys.org) —Sandia National Laboratories har kommit på ett billigt sätt att syntetisera titandioxidnanopartiklar och söker partners som kan demonstrera processen i industriell skala för allt från solceller till lysdioder (LED).

Titandioxid (TiO ₂ ) nanopartiklar visar ett stort löfte som fyllmedel för att justera brytningsindexet för antireflekterande beläggningar på skyltar och optiska inkapslingsmedel för lysdioder, solceller och andra optiska enheter. Optiska inkapslingsmedel är beläggningar eller beläggningar, vanligtvis gjord av silikon, som skyddar en enhet.

Industrin har i stort sett undvikit TiO ₂ nanopartiklar eftersom de har varit svåra och dyra att tillverka, och nuvarande metoder producerar partiklar som är för stora.

Sandia blev intresserad av TiO ₂ för optiska inkapslingsmedel på grund av dess arbete med LED-material för halvledarbelysning.

Nuvarande produktionsmetoder för TiO ₂ kräver ofta högtemperaturbearbetning eller kostsamma ytaktiva ämnen – molekyler som binder till något för att göra det lösligt i ett annat material, som diskmedel gör med fett.

Dessa metoder producerar mindre än idealiska nanopartiklar som är mycket dyra, kan variera kraftigt i storlek och visa betydande partikelklumpning, kallas agglomeration.

Sandias teknik, å andra sidan, användningsområden som är lättillgängliga, lågkostnadsmaterial och resulterar i nanopartiklar som är små, ungefär enhetlig i storlek och klumpar sig inte.

"Vi ville ha något som var billigt och skalbart, och som gjorde partiklar som var mycket små, " sa forskaren Todd Monson, som tillsammans med huvudutredaren Dale Huber patenterade processen i mitten av 2011 som "Högavkastande syntes av brookit TiO ₂ nanopartiklar."

Lågkostnadsteknik ger enhetliga nanopartiklar som inte klumpar sig

Deras metod producerar nanopartiklar med en diameter på ungefär 5 nanometer, ungefär 100 gånger mindre än våglängden för synligt ljus, så det är lite ljusspridning, sa Monson.

"Det är fördelen med nanopartiklar - inte bara nanopartiklar, men små nanopartiklar, " han sa.

Spridning minskar mängden ljustransmission. Mindre spridning kan också hjälpa till att extrahera mer ljus, i fallet med en LED, eller fånga mer ljus, när det gäller en solcell.

TiO ₂ kan öka brytningsindex för material, som silikon i linser eller optiska inkapslingsmedel. Brytningsindex är materialets förmåga att böja ljus. Glasögonlinser, till exempel, har ett högt brytningsindex.

Praktiska nanopartiklar måste kunna hantera olika ytaktiva ämnen så att de är lösliga i ett brett spektrum av lösningsmedel. Olika tillämpningar kräver olika lösningsmedel för bearbetning.

Teknik kan användas med olika lösningsmedel

"Om någon vill använda TiO ₂ nanopartiklar i en rad olika polymerer och tillämpningar, det är bekvämt att ha dina partiklar att vara suspensionsstabila i ett brett utbud av lösningsmedel också, "Sade Monson. "Vissa biologiska tillämpningar kan kräva stabilitet i vattenbaserade lösningsmedel, så det kan vara mycket användbart att ha ytaktiva ämnen tillgängliga som kan göra partiklarna stabila i vatten."

Forskarna kom fram till sin syntesteknik genom att slå samman sina bakgrunder – Hubers expertis inom nanopartikelsyntes och polymerkemi och Monsons kunskap om materialfysik. Arbetet gjordes under ett laboratoriestyrt forsknings- och utvecklingsprojekt Huber började 2005.

"De ursprungliga projektmålen var att undersöka den grundläggande vetenskapen om dispersioner av nanopartiklar, men när denna syntes utvecklades nära slutet av projektet, de kommersiella tillämpningarna var uppenbara, " sa Huber. Forskarna förfinade sedan processen för att göra partiklar lättare att tillverka.

Befintliga syntesmetoder för TiO ₂ partiklar var för dyra och svåra att skala upp produktionen. Dessutom, kemikalieleverantörer skickar titandioxid nanopartiklar torkade och utan ytaktiva ämnen, så partiklar klumpar ihop sig och är omöjliga att bryta upp. "Då har du inte längre de egenskaper du vill ha, sa Monson.

Forskarna provade olika typer av alkohol som ett billigt lösningsmedel för att se om de kunde få en vanlig titankälla, titan isopropoxid, att reagera med vatten och alkohol.

Den största utmaningen, Monson sa, kom på hur man skulle kontrollera reaktionen, eftersom tillsats av vatten till titanisopropoxid oftast resulterar i en snabb reaktion som producerar stora bitar av TiO ₂ , snarare än nanopartiklar. "Så tricket var att kontrollera reaktionen genom att kontrollera tillsatsen av vatten till den reaktionen, " han sa.

Läroböcker sa att det inte gick att göra nanopartiklar, Sandia framhärdade

Vissa läroböcker avfärdade titanisopropoxid-vatten-alkoholmetoden som ett sätt att göra TiO ₂ nanopartiklar. Huber och Monson, dock, fortsatte tills de upptäckte hur man tillsätter vatten mycket långsamt genom att lägga det i en utspädd lösning av alkohol. "När vi justerade syntesvillkoren, vi kunde syntetisera nanopartiklar, sa Monson.

Nästa steg är att demonstrera syntes i industriell skala, vilket kommer att kräva en kommersiell partner. Monson, som presenterade arbetet på Sandias höstens Science and Technology Showcase, sade Sandia har fått förfrågningar från företag som är intresserade av att kommersialisera tekniken.

"Här på Sandia är vi inte inställda på att producera partiklarna i kommersiell skala, " sa han. "Vi vill att de ska plocka upp det och köra med det och börja producera dessa i tillräckligt stor skala för att sälja till slutanvändaren."

Sandia skulle syntetisera ett litet antal partiklar, arbeta sedan med ett partnerföretag för att bilda kompositer och utvärdera dem för att se om de kan användas som bättre inkapslingsmedel för lysdioder, flexibla högindex brytningskompositer för linser eller solenergikoncentratorer. "Jag tror att det kan möta en hel del behov, sa Monson.