Los investigadores de Sandia National Laboratories Dale Huber, izquierda, y Todd Monson han ideado una forma económica de sintetizar nanopartículas de dióxido de titanio, que podría usarse en todo, desde células solares hasta diodos emisores de luz. Crédito:Randy Montoya
(Phys.org) —Sandia National Laboratories ha ideado una forma económica de sintetizar nanopartículas de dióxido de titanio y está buscando socios que puedan demostrar el proceso a escala industrial para todo, desde células solares hasta diodos emisores de luz (LED).
Dióxido de titanio (TiO 2 ) las nanopartículas son muy prometedoras como rellenos para ajustar el índice de refracción de los revestimientos antirreflectantes en letreros y encapsulantes ópticos para LED, células solares y otros dispositivos ópticos. Los encapsulantes ópticos son revestimientos o revestimientos, generalmente hecho de silicona, que protegen un dispositivo.
La industria ha evitado en gran medida el TiO 2 nanopartículas porque han sido difíciles y costosas de fabricar, y los métodos actuales producen partículas demasiado grandes.
Sandia se interesó en TiO 2 para encapsulantes ópticos debido a su trabajo en materiales LED para iluminación de estado sólido.
Métodos de producción actuales de TiO 2 a menudo requieren un procesamiento a alta temperatura o tensioactivos costosos:moléculas que se unen a algo para hacerlo soluble en otro material, como lo hace el jabón para lavar platos con la grasa.
Esos métodos producen nanopartículas menos que ideales que son muy caras, puede variar ampliamente en tamaño y mostrar una acumulación significativa de partículas, llamada aglomeración.
La técnica de Sandia, por otra parte, usos fácilmente disponibles, materiales de bajo costo y dan como resultado nanopartículas que son pequeñas, aproximadamente de tamaño uniforme y no se aglutina.
"Queríamos algo que fuera escalable y de bajo costo, y eso hizo partículas que eran muy pequeñas, "dijo el investigador Todd Monson, quien, junto con el investigador principal Dale Huber, patentó el proceso a mediados de 2011 como "Síntesis de alto rendimiento de brookita TiO 2 nanopartículas ".
La técnica de bajo costo produce nanopartículas uniformes que no se agrupan
Su método produce nanopartículas de aproximadamente 5 nanómetros de diámetro, aproximadamente 100 veces más pequeño que la longitud de onda de la luz visible, así que hay poca luz dispersa, Dijo Monson.
"Esa es la ventaja de las nanopartículas, no solo las nanopartículas, pero pequeñas nanopartículas, " él dijo.
La dispersión disminuye la cantidad de transmisión de luz. Una menor dispersión también puede ayudar a extraer más luz, en el caso de un LED, o capturar más luz, en el caso de una celda solar.
TiO 2 puede aumentar el índice de refracción de los materiales, como silicona en lentes o encapsulantes ópticos. El índice de refracción es la capacidad del material para doblar la luz. Lentes de anteojos, por ejemplo, tienen un índice de refracción alto.
Las nanopartículas prácticas deben poder manejar diferentes tensioactivos para que sean solubles en una amplia gama de disolventes. Las diferentes aplicaciones requieren diferentes disolventes para su procesamiento.
La técnica se puede utilizar con diferentes disolventes.
"Si alguien quiere usar TiO 2 nanopartículas en una gama de diferentes polímeros y aplicaciones, También es conveniente que sus partículas sean estables en suspensión en una amplia gama de disolventes, ", Dijo Monson." Algunas aplicaciones biológicas pueden requerir estabilidad en disolventes de base acuosa, por lo que podría ser muy útil tener tensioactivos disponibles que puedan hacer que las partículas sean estables en el agua ".
Los investigadores desarrollaron su técnica de síntesis reuniendo sus antecedentes:la experiencia de Huber en síntesis de nanopartículas y química de polímeros y el conocimiento de Monson en física de materiales. El trabajo se realizó en el marco de un proyecto de investigación y desarrollo dirigido por laboratorios que Huber comenzó en 2005.
"Los objetivos originales del proyecto eran investigar la ciencia básica de las dispersiones de nanopartículas, pero cuando esta síntesis se desarrolló cerca del final del proyecto, las aplicaciones comerciales eran obvias, ", Dijo Huber. Los investigadores posteriormente refinaron el proceso para hacer que las partículas sean más fáciles de fabricar.
Métodos de síntesis existentes para TiO 2 las partículas eran demasiado costosas y difíciles de escalar la producción. Además, los proveedores de productos químicos envían nanopartículas de dióxido de titanio secas y sin tensioactivos, por lo que las partículas se agrupan y son imposibles de romper. "Entonces ya no tienes las propiedades que quieres, "Dijo Monson.
Los investigadores probaron varios tipos de alcohol como solvente económico para ver si podían obtener una fuente común de titanio. isopropóxido de titanio, reaccionar con agua y alcohol.
El mayor desafío Monson dijo:estaba averiguando cómo controlar la reacción, ya que la adición de agua al isopropóxido de titanio a menudo resulta en una reacción rápida que produce grandes trozos de TiO 2 , en lugar de nanopartículas. "Así que el truco consistía en controlar la reacción controlando la adición de agua a esa reacción, " él dijo.
Los libros de texto decían que no se podía hacer nanopartículas, Sandia persistió
Algunos libros de texto descartaron el método de isopropóxido de titanio-agua-alcohol como una forma de producir TiO 2 nanopartículas. Huber y Monson, sin embargo, persistió hasta que descubrieron cómo agregar agua muy lentamente poniéndola en una solución diluida de alcohol. "A medida que ajustamos las condiciones de síntesis, pudimos sintetizar nanopartículas, "Dijo Monson.
El siguiente paso es demostrar la síntesis a escala industrial, lo que requerirá un socio comercial. Monson, quien presentó el trabajo en la exhibición de ciencia y tecnología de otoño de Sandia, Dijo que Sandia ha recibido consultas de empresas interesadas en comercializar la tecnología.
"Aquí en Sandia no estamos preparados para producir las partículas a escala comercial, ", dijo." Queremos que lo recojan y lo ejecuten y comiencen a producirlos en una escala lo suficientemente amplia como para venderlos al usuario final ".
Sandia sintetizaría una pequeña cantidad de partículas, luego trabaje con una empresa asociada para formar compuestos y evaluarlos para ver si pueden usarse como mejores encapsulantes para LED, compuestos flexibles de refracción de alto índice para lentes o concentradores solares. "Creo que puede satisfacer bastantes necesidades, "Dijo Monson.
