Hassas şekilde oluşturulmuş nanoyapılarla kaplanmış büyük metal yüzeyler şimdiye kadar fantezi alanında kalmıştır. Üretimlerinin önündeki engel temel görünüyordu, çünkü metallerdeki kristal taneciklerin varlığından kaynaklanıyordu; bunların sınırları nanoyapıların büyümesini bozuyordu. Polonya Bilimler Akademisi Nükleer Fizik Enstitüsü’nde, titanyum ve oksidi örnek alınarak, bu engelin aşılabileceği kanıtlanmıştır.
Hassas şekilde seçilmiş boyut ve şekillere sahip nanoyapılardan yapılan kaplamalar, malzeme özelliklerinin kontrol edilmesini mümkün kılar. Ne yazık ki, çoğu metal durumunda ciddi bir sınırlama vardı: kristal taneciklerin sınırlarında ortaya çıkan bozulmalar nedeniyle büyük yüzeylerde homojen kaplamalar üretmek imkansızdı.
Bu sınırlama, Kraków’daki Polonya Bilimler Akademisi Nükleer Fizik Enstitüsü’nde (IFJ PAN) aşılmış ve titanyum ile oksidi örnek alınarak nanotüplerle büyük alan metal kaplama süreci gösterilmiştir. Bu başarı, tıbbi implantlar, fotovoltaik hücreler, kimyasal dedektörler ve memristörler öne çıkan birçok uygulama bağlamında umut verici görünmektedir.
“Dünyada benzersiz şekilde, onlarca santimetre kare ölçüsündeki büyük titanyum sac alanlarını, titanyum oksit nanotüpleriyle kesinlikle kontrollü bir şekilde kaplayabilme yeteneğine sahibiz. Önerdiğimiz yöntem, malzeme yüzeylerini nanoyapılandırmak için iki alışılmadık tekniğin birleştirilmesinin sonucudur: nanoparçacık litografisi ve elektrokimyasal anodizasyon,” diyor Acta Materialia’da yayınlanan başarıyı açıklayan makalenin ilk yazarı Dr. Müh. Juliusz Chojenka (IFJ PAN).
Hem nanoparçacık litografisi hem de anodizasyon uzun süredir bilinen tekniklerdir, ancak yalnızca laboratuvar ölçeğinde kullanılmış ve şimdiye kadar birleştirilmemiştir. Kraków’lu fizikçiler, önerilen yöntemlerinin avantajının basitlik, hız, düşük üretim maliyetleri ve büyük alan kaplamaların üretimi gibi teknolojik uygulamalara izin verecek şekilde tüm sürecin kolayca ölçeklendirilebilme olasılığı olduğunu vurguluyorlar.
Nanoparçacık litografisi, titanyum oksit nanotüp kaplamaların üretiminin ilk, hazırlık aşamasında rol oynar. Buradaki ana aktörler, 50 nanometreden birkaç düzine mikrometreye kadar çaplarda ticari olarak mevcut olan küresel polistiren nanoparçacıklardır. Seçilen çaptaki nanokürecikler suya, yüzeye yüzdüklerinde istenen boyutta tek bir tabaka oluşturacak miktarlarda eklenir. Nanoparçacıklar bu süreç sırasında elektriksel olarak yüklendiği için birbirlerini iterler, bu da altıgen düzenlilikle karakterize edilen eşit dağılımlarıyla sonuçlanır.
Polistiren nanoparçacıkların son derece düzgün tek tabakası daha sonra cilalı bir titanyum plaka üzerine yerleştirilir. Nanoparçacıkla kaplanmış malzeme şimdi vakum odasına yerleştirilir ve burada birkaç dakika boyunca nitrojen ve oksijenden üretilen plazmaya maruz bırakılır. Bunun etkisi altında polistiren küreler hafifçe küçülür, ancak orijinal konumlarını korur. Numune daha sonra üzerine ince bir titanyum tabakasının biriktirildiği başka bir vakum odasına aktarılır.
Litografik aşamanın son evresi, numunenin titreşmesine neden olan organik çözücü ve ultrason kullanarak nanoparçacıkların çıkarılmasıdır. Sonuç, antidot adı verilen altıgen, düzenli çukur ağıyla kaplı bir yüzeydir.
“Özel bir odada, şimdi antidotlarla kaplı numuneyi anodizasyona, yani yüzeyinde düzgün ve düzenli nanoyapıların oluşmasıyla sonuçlanan elektrokimyasal bir sürece tabi tutuyoruz,” açıklıyor Dr. Müh. Michal Krupinski (IFJ PAN).
“Anodizasyonun gerçekleştiği elektrolit bileşimini ustaca seçerek ve uygulanan voltaj, sıcaklık ve zamanı kontrol ederek, orijinal antidot desenine uygun olarak düzenlenmiş ve makalemizde açıklanan durumda 15 mikrometre olan önceden belirlenmiş uzunlukta yoğun titanyum oksit nanotüp kaplaması oluşturabiliriz.”
Burada standart titanyum anodizasyonunun, metal matristeki kristal taneciklerin boyutundan kaynaklanan nanoyapıların düzenlilik ölçeği konusunda ciddi fiziksel sınırlamalara tabi olduğu vurgulanmalıdır. Bu nedenle Kraków’daki fizikçiler anodizasyondan önce nanoparçacık litografisi kullanarak bir nanodesen süreci uygularlar. Litografi, anodizasyon sırasında önemli olan titanyum yüzeyindeki elektrik alan dağılımının değiştirilmesine izin vererek, oluşan nanoyapıların uzun menzilli düzenlenmesini zorlar.
Bu şekilde elde edilen kaplamaların fiziksel ve kimyasal özellikleri taramalı elektron mikroskopisi, X-ışını kırınımı ve Raman spektroskopisi kullanılarak kapsamlı şekilde karakterize edildi ve ultraviyole radyasyon altındaki fotoaktiviteleri de belirlendi. Birkaç günlük test sırasında, kristal taneciklerin sınırlarını aşmasına rağmen üretilen nanotüp kaplamaların mekanik olarak dayanıklı olduğu ve nanotüplerin kendilerinin tavlama sırasında bile kırılmadığı bulundu.
Sunulan titanyum oksit nanoyapılandırma yöntemi geniş uygulama potansiyeline sahiptir. Tıbbi implantlar, biyouyumluluğu artırarak vücuda kontrollü şekilde ilaç salan nanotüplerle kaplanabilir.
Nanotüplerin boyut ve yoğunluğunu ustaca seçerek, ultraviyole radyasyonla etkileşime giren titanyum oksidin fotoaktivitesini kontrol etmek mümkündür, bu da fotovoltaik hücreler veya kimyasal reaksiyonların kontrolüyle ilgili uygulamaları teşvik eder. Titanyum oksit yüzeyinin az miktarda hidrojen adsorpsiyonuna bağlı olarak özelliklerini değiştirdiği de bilinmektedir, bu nedenle mevcut olanlardan daha hassas yeni dedektörler de düşünülmektedir.
Memristörlerin, yani direnci içlerinden geçen akımın geçmişine bağlı olan elektronik bileşenlerin minyatürleşmesinde ilginç perspektifler ortaya çıkmaktadır. Şu anda, yeni tür hafıza ve yapay sinapsların umut verici bileşenleri olan memristörler onlarca mikrometre boyutundadır. Bu arada, işlevleri en az yüz kat daha küçük nesneler olan tek nanotüpler tarafından üstlenilebilir.
“Yöntemimizi titanyum dışındaki demir, alüminyum veya tantal gibi geçiş metallerinden yapılmış yüzeylerin nanoyapılandırılmasına uyarlamak için fiziksel, kimyasal veya teknik engel yoktur. Her şey ihtiyaçlara bağlıdır,” diye sonuçlandırıyor Dr. Chojenka.
