Na Uniwersytecie Jagiellońskim opracowano nową metodę cienkowarstwowego powlekania materiałów w drodze elektrolitycznej w sposób przypominający drukowanie. Innowację można wdrożyć w skali przemysłowej. Co ważne, jej stosowanie wymaga minimalnych ilości materiałów chemicznych, a dodatkowo jej właściwości mogą przyczynić się do szybszego rozwoju organicznych ogniw solarnych III generacji. Nową metodą można pokrywać różnego typu materiały warstwami o grubości liczonej w nanometrach.
Opracowana na UJ technologia otwiera nowe możliwości w zakresie elektroosadzania. Dlaczego?
Ponieważ umożliwia stosowanie elektrolizy bez konieczności zanurzania powlekanych obiektów w roztworach. Poza tym otwiera ona nowe możliwości w zakresie zarówno doboru powlekanych materiałów, jak i substancji, którymi mają być one pokryte. Metoda pozwala zarządzać pracą elektrod w sposób, którym w praktyce pokrywanie powierzchni przypomina drukowanie. Możliwe jest tworzenie określonych obrazów, wzorów czy linii, jak również precyzyjne ustalanie grubości powłoki pokrywającej dany materiał.
Minimalne zużycie elektrolitów, czyli ekologiczna elektroliza
Elektroosadzanie to proces powlekania różnego rodzaju powierzchni cienką warstwą określonej substancji w drodze reakcji elektrochemicznych. W ten sposób można zabezpieczać materiały przed korozją, uzyskiwać powierzchnie o zadanych właściwościach przewodnictwa elektrycznego, jak i poprawiać czy zmieniać estetykę materiałów.
Dotychczas stosowane metody osadzania elektrolitycznego wymagają jednak zużycia dużej ilości zasobów, co powoduje, że są one jednocześnie kosztowne i nieekologiczne. Zespół naukowców z UJ opracował metodę, która zmienia na tym polu reguły gry. Elektroosadzanie możliwe jest z tak małą ilością elektrolitów, iż można je niemal pominąć w rachunku ekonomicznym.
„W powszechnie przyjętych metodach galwanizacji powlekane materiały trzeba w całości zanurzyć w elektrolicie, a to bardzo podnosi koszty. Nasza metoda całkowicie z tym zrywa. 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.
Ruchomy menisk
Na czym polega odkrycie? Między powlekaną powierzchnią a głowicą umieszczoną nad nią w odległości mniejszej niż 1mm nanosi się niewielką ilość elektrolitu, który tworzy menisk o szerokości nie większej niż kilka milimetrów, tak by ciecz wypełniła przestrzeń między głowicą z elektrodami i podłożem. Co ważne, w procesie elektroosadzania menisk wraz z głowicą można przemieszczać 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.
Wysoka precyzja osadzania i drukowanie na powierzchniach
Zastosowanie ruchomego menisku na powlekanej powierzchni oraz ruchomej głowicy z elektrodami otwiera nowe możliwości w pracach związanych z elektroosadzaniem. Możliwe jest 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. Stosowanie nowej metody przypomina drukowanie na kartce papieru lub malowanie, gdzie można decydować o tym, jak gruba warstwa farby ma pokrywać podłoże.
Opracowana metoda może być rozszerzona o fotoosadzanie. W praktyce daje to zupełnie nowe techniki nanoszenia powłok na powierzchniach. „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.
Wszechstronne zastosowania
Opracowana metoda ma potencjał do tego, by znaleźć szerokie zastosowanie w przemyśle, ponieważ można ją równie skutecznie wykorzystać do powlekania różnego rodzaju materiałów, jak też użyć wielorakich substancji pokrywających. 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. Możemy też rysować na podłożach określone ścieżki, wzory czy linie, dobierając zarówno typ powlekanego materiału, jak i rodzaj stosowanej powłoki. 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.
Opracowana metoda w przyszłości może znaleźć zastosowanie w 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. Możliwe jest też wykorzystanie nowej technologii w produkcji nowoczesnych, cienkich i elastycznych ogniw słonecznych nowej generacji. Naukowcy sądzą, że nowa metoda jest na tyle atrakcyjna, iż znajdzie zastosowanie w innych rozwiązaniach przyszłości – na przykład produkcji inteligentnych folii oraz innych materiałów pokrytych mikrosensorami, lub też w produkcji materiałów pokrywanych nanocząsteczkami metali szlachetnych.
Ochrona patentowa i komercjalizacja
Obecnie UJ jest na etapie budowania współpracy z przemysłowymi partnerami technologicznymi, którzy wdrożą opracowaną metodę bezpośrednio we własnych produktach i na liniach produkcyjnych.
„Ze względu na to, że nowa technologia może znaleźć zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu, możemy sobie pozwolić na komfort prowadzenia rozmów równolegle z różnymi firmami. Wynalazek jest objęty ochroną patentową na terenie Polski i zagranicą, a więc może być na niego udzielana licencja. Nasz zespół naukowy również służy pomocą na etapie wdrażania technologii w skali przemysłowej. Na tym etapie ważne jest, by opracowana innowacja zaczęła być wykorzystywana w praktyce i przez to stawała się nowym standardem w różnych procesach wytwórczych” – mówi dr inż. Gabriela Konopka-Cupiał, dyrektorka Centrum Transferu Technologii CITTRU, UJ.
Naukowcy z UJ opracowali dwa prototypy systemu głowic, które dowodzą, że nową technologię da się stosować z powodzeniem w przemyśle zarówno na powierzchniach małych, jak i materiałach wielkopowierzchniowych. „Obecnie prowadzimy dalsze prace związane ze skalowaniem metody do zastosowania w przemyśle. Powierzchnia operacyjna osadzania w przesuwanym menisku uzależniona jest od tego, w jaki sposób skonstruowana jest głowica prowadząca menisk na powierzchni powlekanego materiału. Jak dotąd potwierdziliśmy, że metoda ta umożliwia powlekanie powierzchni liczonych w metrach kwadratowych. Efektywne przeprowadzenie procesu na tak dużych powierzchniach jest możliwe również dzięki temu, że w jego trakcie jesteśmy w stanie uzupełniać roztwór, z którego deponowane są materiały. To z kolei oznacza, że naszą technologię z ruchomym meniskiem można wykorzystać do elektroosadzania na materiałach rolowanych, w modelu roll-to-roll, gdzie powlekany materiał jest przewijany z rolki do rolki” – dodaje prof. dr hab. Jakub Rysz.