Ingenieure der Rice University haben Behälter entwickelt, die verhindern können, dass sich flüchtige organische Verbindungen (VOCs) auf den Oberflächen gelagerter Nanomaterialien ansammeln.
Die tragbare und kostengünstige Speichertechnologie befasst sich mit einem allgegenwärtigen Problem in Nanofertigungs- und Materialwissenschaftslabors und wird in einem am 11. Juli veröffentlichten Artikel beschrieben Nano-Buchstaben.
„VOCs befinden sich jeden Tag in der Luft, die uns umgibt“, sagte der korrespondierende Autor der Studie, Daniel Preston, Assistenzprofessor an der Fakultät für Maschinenbau von Rice. „Sie haften an Oberflächen und bilden eine Schicht, die hauptsächlich aus Kohlenstoff besteht. Mit bloßem Auge kann man diese Schichten nicht sehen, aber sie bilden sich oft innerhalb von Minuten auf praktisch jeder Oberfläche, die der Luft ausgesetzt ist.“
VOCs sind kohlenstoffbasierte Moleküle, die von vielen gängigen Produkten emittiert werden, darunter Reinigungsflüssigkeiten, Farben sowie Büro- und Bastelbedarf. Sie reichern sich in Innenräumen in besonders hohen Konzentrationen an, und die dünnen Kohlenstoffschichten, die sie auf Oberflächen ablagern, können industrielle Nanofabrikationsprozesse behindern, die Genauigkeit mikrofluidischer Testkits einschränken und bei Wissenschaftlern, die Grundlagenforschung an Oberflächen betreiben, Verwirrung stiften.
Um das Problem anzugehen, hat Ph.D. Der Student und Hauptautor der Studie, Zhen Liu, entwickelte zusammen mit Preston und anderen aus seinem Labor einen neuen Typ von Aufbewahrungsbehältern, der Gegenstände sauber hält. Experimente zeigten, dass ihr Ansatz eine Oberflächenkontamination für mindestens sechs Wochen wirksam verhinderte und sogar VOC-abgelagerte Schichten von zuvor kontaminierten Oberflächen entfernen konnte.
Die Technologie basiert auf einer ultrareinen Wand im Inneren des Behälters. Die Oberfläche der Innenwand ist mit winzigen Unebenheiten und Vertiefungen versehen, deren Größe von einigen Millionstel bis zu einigen Milliardstel Metern reicht. Die mikroskopischen und nanoskopischen Unvollkommenheiten vergrößern die Oberfläche der Wand und machen so mehr Metallatome für VOCs in der Luft verfügbar, die sich in den versiegelten Behältern befindet.
„Durch die Texturierung kann die Innenwand des Behälters als ‚Opfermaterial‘ fungieren“, sagte Liu. „VOCs werden an die Oberfläche der Behälterwand gezogen, wodurch andere darin gelagerte Gegenstände sauber bleiben.“
Sie sagte, die Idee, eine große vorgereinigte Oberfläche zur Ansammlung von Schadstoffen zu nutzen, sei vor 50 Jahren vorgeschlagen worden, aber weitgehend unbeachtet geblieben. Sie und ihre Kollegen verbesserten die Idee mit modernen Methoden zur Reinigung und Nanotexturierung von Oberflächen. Durch eine Reihe von Experimenten zeigten sie, dass ihr Ansatz die Beschichtung der Oberflächen gelagerter Materialien durch flüchtige organische Verbindungen besser verhindern konnte als andere Ansätze, darunter versiegelte Petrischalen und hochmoderne Vakuumexsikkatoren.
Prestons Gruppe baute auf ihren Experimenten auf und entwickelte ein theoretisches Modell, das genau charakterisierte, was in den Behältern geschah. Preston sagte, das Modell werde es ihnen ermöglichen, ihre Designs in Zukunft zu verfeinern und die Systemleistung zu optimieren.
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Zhen Liu et al., Mitigating Contamination with Nanostructure-Enabled Ultraclean Storage, Nano-Buchstaben (2023). DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c00626