Naukowcy z Uniwersytetu Jagiellońskiego opracowali nową metodę powlekania materiałów na drodze elektrolitycznej warstwami o grubości liczonej w nanometrach. Technika ta przypomina drukowanie i wymaga minimalnych ilości materiałów chemicznych. Za jej pomocą można pokrywać cieniutkimi powłokami różnego rodzaju materiały i można ją wdrożyć w skali przemysłowej.
Nowa metoda opracowana na Uniwersytecie Jagiellońskim pozwala na stosowanie elektrolizy bez konieczności zanurzania powlekanych obiektów w roztworach. Otwiera to nowe możliwości w zakresie doboru powlekanych materiałów, jak i substancji, którymi mają być pokryte. Pozwala zarządzać procesami powlekania różnego rodzaju materiałów w sposób przypominający drukowanie. Dzięki niej możliwe jest tworzenie obrazów, wzorów czy linii na powlekanym materiale, jak również precyzyjne ustalanie grubości powłoki. Dotychczas stosowane metody nie dawały takich możliwości.
Galwanizacja, jak potocznie określa się galwanostegię, to proces powlekania różnego rodzaju powierzchni cienką warstwą określonej substancji w drodze reakcji elektrochemicznych. Proces ten stosuje się, by zabezpieczać materiały przed korozją, uzyskiwać powierzchnie o zadanych właściwościach przewodnictwa elektrycznego czy poprawiać lub zmieniać estetykę materiałów.
Obecnie stosowane metody osadzania elektrolitycznego są kosztowne i nieekologiczne, bo wymagają zużycia dużej ilości zasobów. Polegają na zanurzeniu powlekanych materiałów w elektrolicie, co znacznie podnosi koszty. Metoda opracowana na UJ zmienia zasady gry. Dzięki niej ektroosadzanie możliwe jest przy użyciu niewielkiej ilości elektrolitów – tak małej, że można je pominąć w rachunku ekonomicznym.
- Dowiedliśmy, że elektroosadzanie można wykonać niemal na sucho przy znikomej ilości elektrolitu, a więc bez zanurzania obiektów w roztworach. Potrzebujemy jedynie utworzyć menisk elektrolitu, który wypełnienia przestrzeń między powlekanym podłożem a przypominającą walec mobilną głowicą z elektrodami. Stosując tę metodę można równie skutecznie powlekać materiały bez potrzeby zużywania tak dużych ilości zasobów – wyjaśnia twórca nowej metody, prof. dr hab. Jakub Rysz z Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Jagiellońskiego.
Jak czytamy w komunikacie przesłanym przez UJ, nowa metoda polega na naniesieniu niewielkiej ilości elektrolitu między powlekaną powierzchnią a głowicą umieszczoną nad nią w odległości mniejszej niż 1mm. Elektrolit tworzy menisk (kształt powierzchni cieczy – wypukły lub wklęsły – zależny od relacji pomiędzy siłami adhezji i napięcia powierzchniowego) o szerokości nie większej niż kilka milimetrów, tak by ciecz wypełniła przestrzeń między głowicą z elektrodami i podłożem.
W procesie elektroosadzania menisk wraz z głowicą można poruszać się po powlekanej powierzchni. Jego sterowanie wspomaga prosty system dozowników i odsysaczy elektrolitu, które pracują w obrębie głowicy. Dzięki temu zużywana jest minimalna ilość roztworu, ponieważ pozostaje on jedynie w strefie pracy głowicy na stosunkowo niewielkiej powierzchni.
Co więcej, elektrolit w trakcie pracy elektrod można uzupełniać lub wymieniać, a to oznacza, że całą operację można przeprowadzać na większych powierzchniach. Możliwe jest także sterowanie przykładanym napięciem lub szybkością przemieszczania menisku. To powoduje, że na powlekanych powierzchniach można tworzyć zarówno wzory z materiału, którym powleka się podłoże, jak również zarządzać grubością nakładanej powłoki. Nową metodę można dodatkowo rozszerzyć o fotoosadzanie.
- Przykładając w elektrodzie różne potencjały możemy pewne obszary podłoża pokrywać cieńszymi warstwami powłoki, inne grubszymi, a w jeszcze innych zaprzestać pokrywania. Istnieje pewien minimalny margines związany ze zjawiskiem dyfuzji i drukowanie w elektrolizie nie jest aż tak precyzyjne jak obróbka materiałów z udziałem maszyn CNC, niemniej daje ona bardzo szerokie możliwości zarządzania procesem drukowania. W dodatku przemysł ma do dyspozycji zarówno szerokie gamy podłoży, jak i materiałów powlekających – wyjaśnia prof. dr hab. Jakub Rysz cytowany w przesłanym komunikacie.
Opracowana metoda ma potencjał do tego, by znaleźć szerokie zastosowanie w przemyśle. Za jej pomocą można powlekać różnego rodzaju materiały, jak i użyć różnych materiałów powlekających. Jeżeli oba materiały są kompatybilne, nową technologią można wykonywać bardzo cienkie powłoki o grubości nanometrów. Możliwe jest powlekanie materiałów różnymi metalami klasycznie stosowanymi w galwanizacji – tlenkami metali o właściwościach półprzewodnikowych, takimi jak np. tlenek cynku, tytanu czy molibdenu, jak i materiałami polimerowymi.
Fizycy z UJ opracowali całą gamę technik powlekania opartych nie tylko na elektrolizie, ale też na fotoosadzaniu poprzez zastosowanie wiązek światła laserowego. W tym drugim przypadku powlekane podłoża nie muszą mieć właściwości przewodzących. „Stosując techniką fotoosadzania możemy pokrywać na przykład cienkimi warstwami szlachetnych metali powierzchnie szklane czy ceramiczne. Pracując z tlenkami metalu, możemy produkować szyby elektrochromowe, które przyciemniają się pod wpływem przyłożonego napięcia lub światła słonecznego. Możliwe jest też wytwarzanie podłoży o większej powierzchni, które są potrzebne do stosowania w innowacyjnych, organicznych ogniwach solarnych trzeciej generacji – mówi prof. dr hab. Jakub Rysz.
Ale to nie wszystko. Technika nada się do produkcji fotokatalizatorów pracujących na dużych powierzchniach, w produkcji specjalistycznych szyb, w precyzyjnym nanoszeniu na podłoża metalicznych ścieżek (stosowanych np. w podgrzewanych szybach), w tym oczywiście ścieżek z metali szlachetnych, które ze względu na wysoką wartość wymagają minimalnego zużycia surowca. Być może metoda znajdzie też zastosowanie w innych rozwiązaniach, na przykład produkcji inteligentnych folii oraz innych materiałów pokrytych mikrosensorami, lub też w produkcji materiałów pokrywanych nanocząsteczkami metali szlachetnych.
Wynalazek został objęty ochroną patentową na terenie Polski i zagranicą.
Źródło: Uniwersytet Jagielloński, Centrum Transferu Technologii CITTRU, fot. Pexels
