¿Del laboratorio a la industria? Películas de titania porosas idealmente ordenadas, hechas a escala

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IMAGEN: (arriba) Ilustración de un nuevo proceso de alto rendimiento para fabricar membranas de orificios pasantes ordenadas a partir de titania. (abajo a la izquierda) Micrografía electrónica de barrido de la membrana del orificio pasante de titania. (abajo a la derecha) Micrografía electrónica de barrido transversal de …
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Crédito: Universidad Metropolitana de Tokio

Tokio, Japón – Investigadores de la Universidad Metropolitana de Tokio se han dado cuenta de una producción de alto rendimiento de membranas de dióxido de titanio con orificios pasantes delgados y ordenados. Las capas de titania se cultivaron mediante anodización sobre titanio grabado con máscara antes de cristalizarlas. Al aplicar una segunda anodización, volvieron a convertir parte de la capa a un estado amorfo. A continuación, la porción amorfa se disolvió selectivamente para liberar la película dejando intacta la plantilla. Esto allana el camino para la producción industrial de membranas de titania ordenadas para fotónica.

La titania, o dióxido de titanio, podría ser la sustancia más útil de la que nunca ha oído hablar. Se usa ampliamente como pigmento y es el ingrediente activo en la mayoría de los filtros solares, con fuertes propiedades de absorción de rayos UV. Se encuentra como capa reflectante en espejos, así como como revestimientos para superficies autolimpiables y antivaho. Es importante para la industria que puede acelerar todo tipo de reacciones químicas en presencia de luz; ya se encuentra en materiales de construcción para acelerar la descomposición de contaminantes dañinos en el aire, y se está trabajando para aplicarlo a filtros de aire, purificadores de agua y células solares.

Es la fuerte interacción entre la titania y la luz lo que lo convierte en el material del futuro para una amplia gama de aplicaciones que involucran fotónica, particularmente cristales fotónicos, arreglos ordenados de material que pueden absorber o transmitir luz dependiendo de su longitud de onda. Para hacer estos “cristales”, los investigadores han ideado formas de crear películas porosas de titania en el laboratorio, donde pequeños agujeros, de decenas de nanómetros de diámetro, se modelan en capas delgadas de dióxido de titanio en matrices ordenadas. Sin embargo, a pesar de su promesa, todavía no es posible producirlos a escala, un gran obstáculo para sacarlos del laboratorio y utilizar la última tecnología fotónica.

Ahora, un equipo dirigido por el profesor asociado Takashi Yanagishita y el profesor Hideki Masuda de la Universidad Metropolitana de Tokio han dado un paso importante hacia el desarrollo de un proceso de producción industrial. Anteriormente, idearon un método para “estampar” patrones en metal de titanio antes de hacer crecer una capa de dióxido de titanio utilizando un método llamado anodización. Las capas tenían agujeros que formaban el mismo patrón que los hechos artificialmente en el metal. Pero debido a que el titanio es tan duro, los sellos no duraron mucho. Ahora, han ideado un método que evita los sellos por completo. Después de que crecen una capa de titania con arreglos ordenados de agujeros en una plantilla de titanio grabada, aplican calor, cambiando la estructura amorfa y desordenada de la titania a una forma cristalina. Luego pasan por una segunda anodización; una capa cercana a la superficie de la plantilla original vuelve a un estado desordenado. Debido a que la titania desordenada y cristalina se disuelven de manera diferente, entonces pueden disolver selectivamente la capa que todavía está en contacto con la plantilla usando ácido, dejando una capa libre de titania con el mismo patrón de orificios pasantes.

De las muchas ventajas de su método, un beneficio clave es que el patrón de la plantilla en el metal se deja intacto. Una vez que se retira la película, la misma plantilla se puede reutilizar una y otra vez. El equipo también experimentó con diferentes espaciamientos, bajando a orificios espaciados por solo 100 nm. Es importante destacar que el protocolo es escalable y alto rendimiento, lo que significa que no pasará mucho tiempo antes de que las cantidades industriales lleguen a los productos comerciales. El equipo espera que su método no solo acerque un paso más la aplicación generalizada, sino que también se aplique a una amplia gama de otros materiales nanoestructurados con diferentes funciones.

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Este trabajo fue apoyado por la Light Metal Educational Foundation y una Beca JSPS KAKENHI (20K05171).

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