Образец покрытия на гибкой полимерной подложке.
Фото: Анастасия Тамаровская / ФИЦ КНЦ СО РАН
Новый подход к созданию прозрачных токопроводящих нанопокрытий разработали исследователи Красноярского научного центра СО РАН. Экологичная технология позволяет получать плотные сетчатые нанопленки с высокой прозрачностью и большой проводимостью при сравнительно небольших затратах. Сочетание этих возможностей выделяет новаторский метод на фоне отечественных и зарубежных аналогов. Секрет технологии — в замене привычного метода фотолитографии на применение самоорганизованных шаблонов из яичного белка.
Прозрачные токопроводящие нанопленки — перспективный материал, применяемый в оптической электронике (от смартфонов до солнечных панелей). В том числе подобные покрытия используются в прозрачных нагревательных элементах, например, больших обогреваемых окнах.
Как рассказал «Научной России» директор молодежного проектно-технического бюро Пермского национального исследовательского политехнического университета, заведующий лабораторией оптических технологий Центра компетенций НТИ «Фотоника» Глеб Сергеевич Шипунов, прозрачные проводящие нанопокрытия востребованы во многих передовых областях.
«Нанопокрытия, которые изготавливают коллеги, могут быть полезны не только в строительстве, <…> но и в таких промышленных отраслях, как авиация и ближний космос — там, где задействованы сложные технические решения. За счет малого веса и возможности оптической и электрической проводимости из этих материалов можно создавать специальные обогревающие и теплоэлектрозащитные покрытия для самолетов, авиационных двигателей, малых космических аппаратов, которые сейчас будут активно развиваться в рамках нового национального проекта. <…> Таким образом, данные нанопленки могут быть очень востребованы именно в сложных, высокотехнологичных отраслях промышленности», — подчеркнул Г.С. Шипунов.
Почему подобные покрытия делаются сетчатыми? Один из лучших проводников электричества — металлы, однако при той толщине слоя металлических частиц, которая требуется, чтобы достичь достаточной проводимости покрытия, цельная пленка будет непрозрачной. Поэтому прозрачные нанопокрытия из металлов делаются в виде микроскопической сетки, которая не видна невооруженным глазом, но отлично пропускает свет.
Важная сфера применения сетчатых нанопленок — защита от электромагнитных помех разнообразного оборудования: от точных приборов до кардиостимуляторов.
«Этот механизм известен уже очень давно и достаточно прост. Он называется “клетка Фарадея”, — объяснил Г.С. Шипунов. — Чтобы воспроизвести этот эффект, могут применяться не только нанопластинки, а, в принципе, любые электропроводящие покрытия. То есть берется специальная сетчатая конструкция, которая закрывает либо электронику, либо определенную область прибора и за счет своей высокой проводимости “берет на себя” весь электростатический заряд, отводя его от защищаемого объекта. В бытовых условиях “клетку Фарадея” можно встретить в обычной микроволновке. Экран микроволновки защищен сеточкой, за которой находится вся металлическая структура печи. По факту, получается та самая “клетка Фарадея”, которая не выпускает за свои пределы микроволновое излучение, разогревающее продукты. Таким образом, экранирующее свойство сетчатых металлических нанопленок — это старый известный механизм, который в данном случае просто используется в новом формате».
На экране — визуализация структуры микросетчатого прозрачного проводящего покрытия.
Фото: Анастасия Тамаровская / ФИЦ КНЦ СО РАН
Обычно для производства сетчатых проводящих нанопленок предлагается использовать технологию фотолитографии, по которой создается бóльшая часть современной электроники. Но расходы, которые требует метод, в этой ситуации оказываются неоправданно большими.
Сотрудники КНЦ СО РАН предложили производить нанопленки с помощью шаблонов из белка куриных яиц. Важная особенность этого вещества как биологической жидкости — самоорганизация. При высыхании белок покрывается трещинами, ширину которых исследователи научились регулировать. Получаемую структуру ученые и предложили использовать в качестве своеобразной «формы», на которую при помощи вакуумного напыления наносятся частицы металла.
Применение шаблонов на основе яичного белка позволило за один эксперимент получать образцы нанопленки длиной до 300 м и шириной 30 см. Благодаря тому, что новый метод позволяет за один раз получать такое большое количество материала, стоимость технологии оказывается ниже в сравнении с другими методами. Кроме того, толщина новых нанопокрытий превышает 1 мкм, чего невозможно достичь при фотолитографии.
Участник исследования, научный сотрудник Отдела молекулярной электроники КНЦ СО РАН А.С. Воронин.
Фото: Анастасия Тамаровская / ФИЦ КНЦ СО РАН
Важная черта технологии — экологичность. Яичный белок безопасен, а отмыть от такого шаблона готовую микросетку можно обычной водой, не используя ацетон. Метод также делает производство безотходным. Растворенный водой белок можно высушить и использовать заново для получения шаблона. Помимо этого, вместе с нанопленкой в процессе производства образуется коллоидный раствор металлических нанопластинок. Их очень сложно синтезировать химическими методами: масса нанопластинок, производимых в передовых лабораториях за один раз, обычно не превышает 1 г. В то же время технология красноярских ученых позволяет в результате одного эксперимента получать более 1 кг этого микроскопического материала — например, пластинки из пермаллоя (сплавов железа с никелем), которые могут пригодиться в радиофизике, изготовлении СВЧ-материалов, электропроводящих клеев и полимерных припоев. Спрос на подобную продукцию в настоящее время очень велик из-за импортозамещения.
«Наночастицы и нанопластинки, как металлические, так и неметаллические, сейчас активно используются в различных отраслях промышленности, — отметил Г.С. Шипунов. — С их помощью можно увеличивать прочность определенного класса материалов. К примеру, добавление всего 0,5% таких частиц в эпоксидные смолы позволяет повысить прочность будущих композиционных материалов в 1–1,5 раза. Но при этом нельзя переборщить с введением нанопластинок в материал, так как в избыточном количестве они уже будут ухудшать его характеристики, то есть нужно искать определенный баланс».
Результаты исследований красноярских ученых запатентованы и описаны в серии статей. С последней можно ознакомиться в журнале Surfaces and Interfaces. О деталях технологии также можно узнать из опубликованного научным центром интервью с участником исследования, научным сотрудником Отдела молекулярной электроники КНЦ СО РАН Антоном Сергеевичем Ворониным.
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
Фото на превью и на странице: Анастасия Тамаровская / ФИЦ КНЦ СО РАН