Экологичные наночастицы могут изменить нанопроизводство

Команда химиков, специалистов по полимерам и физиков университета Амхерст в штате Массачусетс сообщила о создании прорывной техники управления молекулярной сборкой наночастиц в различных масштабах. Эта техника позволяет наладить более быстрое, дешевое и экологичное производство органических, фотогальванических и других электронных устройств.

В аналогичные по размеру контейнеры загружают наночастицы, чтобы сформировать строительные блоки, а затем используют устройство, схожее с аэрографом художника для распыления слоев электрических цепей поверх друг друга, создавая элементы солнечных батарей. Предварительно сформированные на наноуровне структуры образуют при сборке необходимую структуру в масштабе мезо, из которой можно собрать устройство. Изначально ученые экспериментировали над двумя компонентами в растворе, с целью сформировать необходимую мезоструктуру.

Ведущий исследователь, химик Дхэндэпэни Венкатараман, указывает, что новый метод успешно решает две главные задачи в области производства устройств: контроль молекулярной сборки и отказ от токсичных растворителей, таких как хлорбензол. «Теперь у нас есть рациональный способ управления сборкой в системе на водной основе, — говорит он. — Это совершенно новый взгляд на проблему. С помощью этой техники мы можем создать точную структуру, какую захотим».

Химик-материаловед Поль Лахти говорит: «Одним из самых значимых результатов этой работы является то, что она выходит далеко за рамки создания органических, фотогальванических или солнечных батарей, где этот техпроцесс применяется сейчас. Эта техника предлагает очень перспективный, гибкий и экологически чистый подход к сборке материалов, необходимых для создания приборных структур».

Новый метод должен сократить время, которое нанопроизводители тратят на создание материалов с необходимыми свойствами для изготовления электронных устройств, таких как солнечные батареи, органические транзисторы и органические светодиоды. «Старый способ может занять годы», — говорит Лахти.

«Еще одна из наших основных целей — возможность масштабирования от нано- до мезомасштаба, и наш метод позволяет это. Кроме того он более экологически чистый, поскольку мы используем в процессе воду вместо опасных растворителей», — добавляет он.

Для гелиотехники Венкатараман указывает: «Следующим важным моментом является возможность создания устройства с группой различных полимеров, чтобы увеличить эффективность преобразования энергии и сделать их на гибких подложках. В этой статье мы работали на стекле, но мы хотим перенести технологию на гибкие материалы, наладить рулонное производство на водной основе». Он предполагает, что достижение пятипроцентного КПД преобразования энергии будет оправдывать инвестиции для изготовления небольших гибких солнечных панелей для питания устройств, таких как смартфоны.

Если средний смартфон использует 5 ватт мощности и все 307 миллионов пользователей США перешли бы на гибкие солнечные батареи, это могло бы сэкономить более 1 500 мегаватт в год. Это почти мощность атомной электростанции, и это более чем важно, если учесть тот факт, что угольные электростанции при производстве 1 мегаватта энергии вырабатывают 2 250 кг углекислого газа. Таким образом, если часть из 6,6 миллиардов пользователей мобильных телефонов по всей планете перешла бы на солнечные батареи, это привело бы к уменьшению загрязнения атмосферы углеродом.

Докторант Тим Джехэн говорит: «Органические солнечные элементы, изготовленные таким способом, могут быть полупрозрачными, а это позволит заменить тонированные стекла в небоскребе и производить электроэнергию в течение дня, когда это необходимо. И обработка намного более дешевая и чистая, чем в традиционных методах».