(Phys.org) —La fabricación de revestimientos uniformes es un desafío de ingeniería común, y, cuando se trabaja a nanoescala, incluso las grietas o los defectos más pequeños pueden ser un gran problema. Una nueva investigación de ingenieros de la Universidad de Pensilvania ha mostrado una nueva forma de evitar tales grietas al depositar películas delgadas de nanopartículas.

La investigación fue dirigida por el estudiante graduado Jacob Prosser y el profesor asistente Daeyeon Lee, ambos del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Penn. La estudiante de posgrado Teresa Brugarolas y el estudiante de pregrado Steven Lee, también de Ingeniería Química y Biomolecular, y el profesor Adam Nolte del Instituto de Tecnología Rose-Hulman participaron en la investigación.

Su trabajo fue publicado en la revista Nano letras .

Para generar una película de nanopartículas, las partículas deseadas se suspenden en un líquido adecuado, que luego se esparce fina y uniformemente sobre la superficie a través de una variedad de métodos físicos. Luego se deja que el líquido se evapore, pero, mientras se seca, la película puede agrietarse como barro al sol.

"Un método para prevenir el agrietamiento es modificar la química de la suspensión colocando aditivos aglutinantes allí, Prosser dijo. "Pero eso es esencialmente agregar un nuevo material a la película, que puede arruinar sus propiedades ".

Este dilema se destaca en el caso de los electrodos, los puntos de contacto en muchos dispositivos eléctricos que transfieren electricidad. Dispositivos de gama alta, como ciertos tipos de células solares, tienen electrodos compuestos de películas de nanopartículas que conducen electrones, pero las grietas en las películas actúan como aislantes. Agregar un aglutinante a las películas solo agravaría el problema.

"Estos aglutinantes suelen ser polímeros, que son aislantes ellos mismos, "Dijo Lee." Si los usas, no obtendrá la propiedad de destino, la conductividad, eso que quieres."

Los ingenieros pueden prevenir grietas con métodos de secado alternativos, pero estos involucran temperaturas o presiones ultra altas y, por lo tanto, equipos costosos y complicados. Un método económico y eficiente para prevenir grietas sería de gran ayuda para cualquier número de procesos industriales.

La ubicuidad del craqueo en este contexto, sin embargo, significa que los investigadores conocen el "espesor crítico de fisuración" de muchos materiales. El gran avance se produjo cuando Prosser intentó hacer una película más delgada que este umbral, luego apílelos juntos para hacer un compuesto del grosor deseado.

"Estaba pensando en cómo, en la pintura de edificios y casas, se utilizan varias capas, Prosser dijo. Una de las razones es para evitar que se agriete y pele. Pensé que también podría funcionar para estas películas, así que lo intenté ".

"Esta es una de esas cosas en las que, una vez que lo descubras, "Lee dijo, "Es muy obvio, pero de alguna manera este método ha eludido a todos durante todos estos años ".

Una de las razones por las que este enfoque puede no haber sido probado es que es contrario a la intuición que debería funcionar en absoluto.

El método que utilizaron los investigadores para hacer las películas se conoce como "recubrimiento por rotación". Una cantidad precisa de la suspensión de nanopartículas, en este caso, esferas de sílice en el agua:se esparce sobre la superficie objetivo. Luego, la superficie se gira rápidamente, provocando que la aceleración centrífuga adelgace la suspensión sobre la superficie en una capa uniforme. La suspensión luego se seca con rotación continua, haciendo que el agua se evapore y dejando las esferas de sílice en una disposición compacta.

Pero para hacer una segunda capa sobre esta primera, sería necesario colocar otra gota de suspensión líquida sobre las nanopartículas secas, algo que normalmente los lavaría. Sin embargo, los investigadores se sorprendieron cuando las capas secas permanecieron intactas después de que el proceso se repitiera 13 veces; el mecanismo exacto por el cual se mantuvieron estables es un misterio.

"Creemos que las nanopartículas se quedan en la superficie, "Lee dijo, "porque se forman enlaces covalentes entre ellos aunque no los expongamos a altas temperaturas. La inspiración para esa hipótesis provino de nuestro colega Rob Carpick. Su reciente Naturaleza el papel trataba sobre cómo las superficies de sílice-sílice forman enlaces a temperatura ambiente; creemos que esto funcionará con otros tipos de óxidos metálicos ".

Será necesaria una investigación futura para precisar este mecanismo y aplicarlo a nuevos tipos de nanopartículas.