Pokrywanie materiałów w procesie galwanizacji na sucho, warstwami o grubości liczonej w nanometrach

Naukowcy z  Uniwersytetu Jagielońskiego opracowali nową metodę cienkowarstwowego powlekania materiałów drogą elektrolityczną, która przypomina drukowanie. Innowacja ta może zostać wdrożona na skalę przemysłową.

Co istotne, jej stosowanie wymaga minimalnych ilości materiałów chemicznych, a jej właściwości mogą przyczynić się do szybszego rozwoju organicznych ogniw solarnych III generacji. Nowa metoda pozwala na pokrywanie różnorodnych materiałów warstwami o grubości liczonej w nanometrach.

Opracowana technologia otwiera nowe możliwości w zakresie elektroosadzania. Dlaczego?

Dzięki nowej metodzie możliwe jest stosowanie elektrolizy bez konieczności zanurzania powlekanych obiektów w roztworach. Ponadto, metoda ta otwiera nowe możliwości w zakresie doboru powlekanych materiałów oraz substancji używanych do ich pokrycia.

Technika ta pozwala zarządzać pracą elektrod w sposób, który w praktyce przypomina drukowanie. Umożliwia tworzenie określonych obrazów, wzorów czy linii oraz precyzyjne ustalanie grubości powłoki pokrywającej dany materiał.

Minimalne zużycie elektrolitów, czyli ekologiczna elektroliza

Elektroosadzanie to proces powlekania różnorodnych powierzchni cienką warstwą określonej substancji poprzez reakcje elektrochemiczne. Technika ta pozwala zabezpieczać materiały przed korozją, uzyskiwać powierzchnie o określonych właściwościach przewodnictwa elektrycznego oraz poprawiać ich estetykę.

Dotychczas stosowane metody osadzania elektrolitycznego wymagały znacznego zużycia zasobów, co sprawiało, że były kosztowne i nieekologiczne. Zespół naukowców z Uniwersytetu Jagiellońskiego opracował nową metodę, która rewolucjonizuje ten proces. Elektroosadzanie jest możliwe przy użyciu tak minimalnej ilości elektrolitów, że można je niemal pominąć w rachunku ekonomicznym.

Jak wyjaśnia twórca nowej metody, prof. dr hab. Jakub Rysz z Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Jagiellońskiego, „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”.

Ruchomy menisk

Odkrycie polega na nowatorskim podejściu do elektroosadzania, w którym między powlekaną powierzchnią a głowicą umieszczoną nad nią w odległości mniejszej niż 1 mm nanosi się niewielką ilość elektrolitu. Elektrolit ten tworzy menisk o szerokości nie większej niż kilka milimetrów, wypełniając przestrzeń między głowicą z elektrodami a podłożem.

Kluczową cechą tej metody jest możliwość przemieszczania menisku wraz z głowicą po powlekanej powierzchni. Proces ten wspomaga prosty system dozowników i odsysaczy elektrolitu, które działają w obrębie głowicy. Dzięki temu zużywa się minimalną ilość roztworu, ponieważ pozostaje on jedynie w strefie pracy głowicy na niewielkiej powierzchni. Co więcej, elektrolit można uzupełniać lub wymieniać w trakcie pracy elektrod, co umożliwia przeprowadzenie całej operacji 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 dziedzinie elektroosadzania. Dzięki temu możliwe jest precyzyjne sterowanie przykładanym napięciem lub szybkością przemieszczania menisku. Pozwala to na tworzenie wzorów z materiału, którym powleka się podłoże, oraz na zarządzanie grubością nakładanej powłoki. Nowa metoda przypomina drukowanie na kartce papieru lub malowanie, gdzie można kontrolować, jak gruba warstwa farby pokrywa podłoże.

Opracowana technika może być również rozszerzona o fotoosadzanie, co w praktyce wprowadza zupełnie nowe metody nanoszenia powłok na powierzchnie.

Prof. dr hab. Jakub Rysz wyjaśnia, że „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”.

Wszechstronne zastosowania

Opracowana metoda ma potencjał do szerokiego zastosowania w przemyśle, ponieważ można ją skutecznie wykorzystać do powlekania różnych materiałów oraz używania wielorakich substancji pokrywających. Jeżeli oba materiały są kompatybilne, nową technologią można tworzyć bardzo cienkie powłoki o grubości mierzonej w nanometrach. Możliwe jest powlekanie materiałów metalami klasycznie stosowanymi w galwanizacji, tlenkami metali o właściwościach półprzewodnikowych, takimi jak tlenek cynku, tytanu czy molibdenu, oraz materiałami polimerowymi.

Fizycy z Uniwersytetu Jagiellońskiego opracowali szereg technik powlekania opartych nie tylko na elektrolizie, ale także na fotoosadzaniu za pomocą wiązek światła laserowego. W tym przypadku powlekane podłoża nie muszą mieć właściwości przewodzących.

Czytaj więcej: UJ opracował nową metodę wytwarzania molekularnych, miękkich materiałów magnetycznych

„Stosując technikę fotoosadzania, możemy pokrywać cienkimi warstwami szlachetnych metali powierzchnie szklane czy ceramiczne. Możemy również tworzyć 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, potrzebnych do innowacyjnych, organicznych ogniw solarnych trzeciej generacji” – mówi prof. dr hab. Jakub Rysz.

Nowa metoda może znaleźć zastosowanie w produkcji fotokatalizatorów pracujących na dużych powierzchniach, specjalistycznych szyb, oraz w precyzyjnym nanoszeniu metalicznych ścieżek na podłoża, stosowanych np. w podgrzewanych szybach, w tym ścieżek z metali szlachetnych, które ze względu na wysoką wartość wymagają minimalnego zużycia surowca.

Możliwe jest również wykorzystanie nowej technologii w produkcji nowoczesnych, cienkich i elastycznych ogniw słonecznych nowej generacji. Naukowcy sądzą, że nowa metoda jest na tyle innowacyjna, że znajdzie zastosowanie w innych przyszłościowych rozwiązaniach, takich jak produkcja inteligentnych folii i materiałów pokrytych mikrosensorami, czy też w produkcji materiałów pokrywanych nanocząsteczkami metali szlachetnych.

Ochrona patentowa i komercjalizacja

„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” – opowiada dr inż. Gabriela Konopka-Cupiał, dyrektorka Centrum Transferu Technologii CITTRU, UJ.

Obecnie, naukowcy opracowali dwa prototypy systemu głowic, które dowodzą, że nową technologię można z powodzeniem stosować w przemyśle zarówno na małych powierzchniach, jak i na 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.

Uniwersytet Jagielloński jest na etapie nawiązywania współpracy z partnerami technologicznymi z przemysłu, którzy wdrożą opracowaną metodę bezpośrednio w swoich produktach i na liniach produkcyjnych.