Nanoporösa metaller - skumliknande material som har en viss grad av luftvakuum i sin struktur - har ett brett spektrum av tillämpningar på grund av sina överlägsna egenskaper.

De har en stor yta för bättre elektronöverföring, vilket kan leda till förbättrad prestanda hos en elektrod i en elektrisk dubbelkondensator eller batteri. Nanoporösa metaller erbjuder ett ökat antal tillgängliga platser för adsorption av analyter, en mycket önskvärd funktion för sensorer.

Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) och Swiss Federal Institute of Technology (ETH) har utvecklat ett kostnadseffektivt och mer effektivt sätt att tillverka nanoporösa metaller i många skalor, från nanoskala till makroskala, som är synligt för blotta ögat.

Processen börjar med en fyra-tums kiselwafer. En beläggning av metall läggs till och sputters över wafern. Guld, silver och aluminium användes för detta forskningsprojekt. Dock, tillverkningsprocessen är inte begränsad till dessa metaller.

Nästa, en blandning av två polymerer läggs till metallsubstratet för att skapa mönster, en process känd som disegmentsampolymerlitografi (BCP). Mönstret omvandlas till en enda polymermask med nanometerstora funktioner. Sista, en teknik som kallas anisotropisk jonstrålefräsning (IBM) används för att etsa igenom masken för att göra en rad hål, skapar den nanoporösa metallen.

Under tillverkningsprocessen, metallens grovhet undersöks kontinuerligt för att säkerställa att den färdiga produkten har god porositet, vilket är nyckeln till att skapa de unika egenskaper som gör att nanoporösa material fungerar. Ju grövre metallen är, desto mindre jämnt porös blir den.

"Under tillverkningen, vårt team uppnådde 92 procent portäckning med 99 procent enhetlighet över en 4-tums silikonskiva, vilket betyder att metallen var slät och jämnt porös, sa Tiziana Bond, en LLNL-ingenjör som är medlem i det gemensamma forskarteamet.

Teamet har definierat ett mått - baserat på en parametriserad korrelation mellan BCP-portäckning och metallytråhet - genom vilken tillverkningen av nanoporösa metaller ska stoppas när ojämn porositet är det kända resultatet, sparar handläggningstid och kostnader.

"Det verkliga genombrottet är att vi skapade en ny teknik för att tillverka nanoporösa metaller som är billig och kan göras i många skalor och undviker lyfttekniken för att ta bort metaller, med kvalitetskontroll i realtid, ", sa Bond. "Dessa metaller öppnar applikationsutrymmet för områden som energiskörd, avkännings- och elektrokemiska studier."

Lift-off-tekniken är en metod för att mönstra målmaterial på ytan av ett substrat genom att använda ett offermaterial. Ett av de största problemen med denna teknik är att metallskiktet inte kan skalas av jämnt (eller alls) på nanoskala.

Forskargruppens resultat rapporterades i en artikel med titeln "Tillverkning över många skalor:High fidelity macroscale coverage of nanoporous metal arrays via lift-off-free nanofrabication." Det var omslagsberättelsen i ett färskt nummer av Avancerade materialgränssnitt .

Andra tillämpningar av nanoporösa metaller inkluderar att stödja utvecklingen av nya metamaterial (konstruerade material) för strålningsförbättrad filtrering och manipulation, inklusive djupt ultraviolett ljus. Dessa tillämpningar är möjliga eftersom nanoporösa material underlättar onormal förbättring av transmitterat (eller reflekterat) ljus genom tunnling av ytplasmoner, en funktion som är allmänt användbar av ljusemitterande enheter, plasmonisk litografi, brytningsindexbaserad avkänning och helt optisk omkoppling.