ナノマテリアルのレーザー印刷

最近、ジャーナルNature Communicationsは、ドイツのMax Planck Society Institute of Colloid andInterfaceからの最新の研究結果を発表しました。 この記事では、研究所の学際的なチームが、銅、コバルト、酸化ニッケルなどのナノ粒子を製造できるようにするレーザー駆動技術を実証しました。 光電極の製造はこの印刷速度で生成され、グリーン水素などの将来の大規模アプリケーションの基礎を築きます。

過去には、ナノ材料の生成には、高エネルギー入力と反応容器内での多くの時間が必要でした。科学者は、研究所が開発したレーザー駆動技術を使用して、表面に少量の材料を堆積させると同時に、レーザーの高温を使用して瞬時に化学合成することができます。 「電子顕微鏡でナノ結晶を発見したとき、私は大きな出来事を発見したことを知っていました」と、論文の最初の著者であるJunfangZhangは述べています。この発見により、研究開発担当者向けの合成材料を製造するための新しい環境に優しい方法が見つかりました。さらに、このプロセス技術は、太陽エネルギーを電気エネルギーに効果的に変換することができます。




図1：明確な構造の遷移金属酸化物/窒化炭素複合膜を生成するために使用されるレーザー駆動転写合成プロセスの原理、a）レーザー照射により、材料がドナーからアクセプター表面に転写されます。b）レーザーによる急速加熱、溶融、転写ドナー材料。同時に、金属前駆体の分解温度に到達して遷移金属酸化物構造を形成します。c）アセトンで短時間洗浄した後、遷移金属酸化物/窒化炭素複合膜が形成されます（出典：Max Planck Institute of Colloidおよびインターフェース）





「現在、緑色の水素のほとんどは、ソーラーパネルで生成された電気によって水から生成され、バッテリーに蓄えられています。光電極を使用することで、太陽エネルギーを直接使用できます」とアレクサンドル・サバテエフ博士は述べています。



実験によれば、新たに開発された技術は、すべて優れた触媒である銅、コバルト、ニッケル酸化物を中心とした「遷移金属酸化物」の作用下で実現されます。これらの酸化物の特徴は、表面エネルギーに影響を与える結晶形（ナノロッドやナノスターなどのナノ結晶）の多様性です。各構造は、触媒反応に異なる影響を及ぼします。したがって、研究開発担当者がこれらのナノ構造表面を設計に従って製造し、繰り返すことを望んでいることが重要です。



新たに開発された技術は、新しい触媒を迅速かつ効率的に見つけるためにも使用できます。 「1つずつレーザースポットを使用することで、組成と条件を変更するだけでさまざまな触媒を並べてテストできます」とフェリックスレフラー博士は付け加えました。 -持続性の触媒システム。」

方法



光電気化学電池では、豊富な太陽エネルギーを燃料や高付加価値の化学物質に変換することで、環境への影響を低減できる技術として大きな注目を集めています。研究者は、レーザー誘起前方移動（LIFT）の原理に基づいたレーザー駆動移動合成（LTRAS）技術を開発しました。通常、合成粒子を液体に放出する従来の（パルス）レーザーアブレーション法とは異なり、LIFTは薄膜の表面にパターンを転写するための汎用マスクレス法です。さまざまなバリエーションで実現され、表面にほぼすべての材料を正確かつトレースして堆積させるために使用されます。



たとえば、高出力パルスレーザーを使用して、直接レーザー溶融および噴射によって金属を転写することができます。マトリックス支援パルスレーザー蒸発直接書き込み（MAPLE DW）と呼ばれるパルスレーザーを使用する重要なバリエーションは、（ナノ）粒子（セラミック、合金、ポリマーなど）などの熱的および機械的に敏感な材料を転写できます。 LTRASは光熱効果に基づいており、レーザー照射を集束させて、目的の位置に制限された温度場を生成します。前駆体塩は溶融ポリマーの内部に移動し、数ミリ秒以内に金属酸化物ナノ粒子に変換されます。



タイプライターの原理と同様に、材料はドナーからアクセプターキャリアに転送されます。前者は金属塩と混合された固体ポリマーである「インク」であり、後者は導電性電極上の窒化炭素膜で構成されています。その後、研究者らは、レーザー照射で計画されたルートに従って、金属塩に溶融ポリマーを受容体に照射しました。短時間の高温により、金属塩は数ミリ秒以内に反応し、目的の形態の金属酸化物ナノ粒子に変化します。



研究者らは、連続波レーザープロセスは、さまざまな基板（ガラス、フッ素をドープした酸化スズ、炭素、窒化炭素など）で化学反応を伝達するだけでなく、駆動することもできることを実証しました。レーザーシステムでは、複合フィルムの構成は、基板上のマクロ位置（レーザー照射モードによる）、微視的な粒子の形状とサイズ（たとえば、レーザーエネルギーによる）、および材料のタイプ（異なる前駆体材料またはいくつかの前駆体）。堆積の順序）。
研究者らは、LTRAS法を使用して、光アノードとして酸化銅/窒化炭素）複合膜を生成しました。窒化炭素基板上に、サイズと形状を制御できる薄い酸化銅ナノ構造が得られました。これまで、LTRASは、窒化炭素膜上にさまざまな遷移金属酸化物構造を成長させるための柔軟な方法を提供してきました。