Patent på produksjon av hybridmaterialer

Når Ola Nilsen er brennende opptatt av tynne filmer, er det ikke DVDer spilt inn med tvilsomme B-skuespillere det dreier seg om. Som forsker innen nanoteknologi ved Kjemisk institutt på Universitetet i Oslo er han opptatt av hvordan man kan produsere tynne ”belegg” med nye typer egenskaper. Gjennom Birkeland Innovasjon har han nå søkt patent på en ny måte å produsere filmer av hybridmaterialer.

TYNNE FILMER: Postdoktor Ola Nilsen bygger opp filmene på atomnivå. Nå søker han patent på produksjon av hybridfilmer etter samme metode. Foto: Ståle Skogstad

Dataindustrien bruker nå en metode som heter Atomic Layer Deposition (ALD) for å lage ultratynne filmer av aluminiumsoksid til datamaskiner. Ola Nilsen har oppdaget at denne teknikken også kan brukes til å lage filmer av hybridmaterialer. Filmene bygges opp lagvis av uorganiske og organiske materialer på atomnivå og kan få mange bruksområder. Oppdagelsen er nylig patentert gjennom Birkeland innovasjon.

Filmer av hybridmaterialer produseres også i dag, men Nilsen tror ALD-metoden vil gi nye muligheter til å konstruere filmer med spesielle egenskaper. Patentsøknaden er ikke koplet til spesifikke produkter eller materialer, men beskriver hvordan ALD-metoden kan brukes på dette nye området.

Myke materialer

De fleste filmene som brukes i dag er laget av uorganiske materialer. Stadig kommer nye filmer med spesielle egenskaper. Vinduer behandlet med titanoksid gjør at skitt og støv kjemisk vaskes bort av seg selv. Slike overflater er også antibakterielle og de dugger ikke.

I fremtiden tror Nilsen at såkalte hybridmaterialer vil bli vanligere, filmer som vekselvis består av tynne lag med uorganiske og organiske materialer.

– Mens uorganiske filmer er stive og brekker hvis de bøyes, kan hybridmaterialene gjøres fleksible. Det vil gjøre det mulig å lage PC-skjermer som kan rulles sammen eller brettes, og seilet på seilbåten kan kanskje fungere som solcellepanel.

– Hybridmaterialer er også en materialgruppe som har store anvendelsesmuligheter til produksjon av sensorer og innen elektronikk. OLED-displayer er et eksempel som brukes i små elektroniske apparater. Disse er laget av et elektroluminescerende materiale som er et hybridmateriale. Fordelen med slike display i forhold til flytende krystaller, som i flere 10-år blant annet har vært brukt i elektroniske regnemaskiner, er at de er mer energiøkonomiske og kan gi klarere farger.

– Hvis vi klarer å lage slike displayer med vår metode, vil produksjonen bli kjempebillig, sier Nilsen. Han er svært spent på hvordan det nå går med patentsøknaden. Hvis patentet blir godkjent håper han dette blir en metode som industrien vil bruke når de skal forske fram og produsere hybridmaterialer. Han mener den er mye mer effektiv enn dagens metoder. Patentet har fått bra omtale i Norge og er nå sendt ut internasjonalt.

Mange ulike metoder

Tynne filmer kan produseres på mange ulike måter.

Når metaller varmes opp vil de alltid begynne å avgi damp. Et godt eksempel er glødetråden i en lyspære som avgir wolframdamp. Når dampen treffer innsiden av lyspæra danner det seg tynn wolframfilm og pæra blir etter hvert mørk.

– Dette er i prinsippet den metoden som fysikerne bruker. Den kalles fysisk gassfasedeponering (PVD), og det er slik OLED-displayene lages i dag. Ved å varme opp ulike typer materialer kan fysikerne bygge opp filmer med ulike egenskaper.

Selv er han kjemiker og jobber med en teknikk som kalles kjemisk gassfasedeponering (CVD). Da sendes ulike gassblandinger inn over substratet som er varmet opp, gassmolekylene reagerer på overflaten og man får en avsetning på glassplaten.

Metoden ALD, som patentet bygger på, er en variant av denne, forklarer Nilsen. Produksjonen av aluminiumsoksid kan illustrere prosessen.

Vannmolekyler er utgangspunktet

Utgangspunktet er at så godt som alle naturlige overflater har et tynt lag med vannmolekyler, et såkalt monolag, som er svært vanskelig å fjerne.

– I laboratoriet utnytter vi dette laget ved å la det reagere med stoffet trimetylaluminium i gassform. Dette reagerer svært kraftig med vannmolekylene, men danner kun et nytt monolag med metylaluminium. Alt overskudd av ureagert trimetylaluminium blir så spylt bort med nitrogen før vanndamp slippes inn i kammeret. Dette reagerer igjen voldsomt med metylaluminiumet som er på overflaten, og danner et nytt monolag med vannmolekyler. Prosessen gjentas så til en har fått ønsket tykkelse.

Dette er et eksempel på at man kan bygge opp filmer med helt spesielle egenskaper. Bygger man opp et nitridmateriale vekselvis med titanatomer og aluminiumsatomer får man til slutt et stoff som nærmer seg hardheten til en diamant. På lesehodet til harddisken i datamaskinene bruker man i dag et stoff som er bygget opp av multilag av kobber og kobolt. Verken kobber eller kobolt er følsomme for magnetfelt, men sammen blir de en meget god magnetsensor.

Skjell

Dersom man legger inn noen lag med organiske materialer når man produserer slike materialer, kan egenskapene igjen endre seg totalt, forklarer Nilsen videre.

– Et skjell som vi finner i fjæra om sommeren, er et eksempel på et hybridmateriale. Det er veldig sterkt selv om det i virkeligheten består av omkring 99 prosent kritt, samme materiale som lett brekker når vi skriver på tavla. Grunnen til at skjell er så mye sterkere er at det også består av omkring en prosent proteiner, som er et organisk materiale.

– Det som vi nå tar patent på, er altså en metode hvor vi kombinerer uorganiske og organiske materialer. Som eksempler i patentsøknaden har vi nevnt kombinasjonen av metaller som titan, aluminium, zirkonium og organiske forbindelser som alkoholer og aminer. Produksjonsprosessen gir god kontroll på atomnivå og er derfor egnet for å eksperimentere fram materialer med nye egenskaper. Filmene kan produseres på store flater til lav kostnad, sier Nilsen og er svært spent på om det er noen som vil bestride patentet nå som dette gjøres kjent internasjonalt.

Filmer av hybridmaterialer

• Atomic layer deposition (ALD) er en teknikk som dataindustrien bruker til produksjon av tynne uorganiske filmer. Teknikken er videreutviklet ved Kjemisk institutt til også å kunne produsere hybridmaterialer, en kombinasjon av uorganiske og organiske materialer. Mens uorganiske filmer blir stive og harde, kan hybridfilmer lages myke.

• Med ALD-teknikken bygges filmene opp på atomnivå. Et lag med oksygenatomer har en tykkelse på omkring 0,14 nanometer. Dette er cirka 1/400.000 av tykkelsen til et hårstrå, eller om et oksygengenatom var på størrelse med et eple, så ville et eple være på størrelse med jorda!

• Hybridmaterialer kan være svampaktige og har en lang rekke nye egenskaper og anvendelsesmuligheter. Enkelte har den egenskapen at de kan endre tykkelsen med så mye som 30 prosent dersom de blir utsatt for gass eller strøm. Dette betyr at man kan lage ekstremt nøyaktige instrumenter til bruk innen nanoteknologi, og nøyaktige sensorer.

• Bygger Lego med atomer: Hybridmaterialene bygges opp på samme måte som en bygger med Lego. De forskjellige molekylene som brukes består av ulike grupper som reagerer med hverandre, slik at de plasseres på overflaten på samme måte som du ville plassert en Lego-kloss.

Emneord: Matematikk og naturvitenskap, Kjemi Av Harald Aas
Publisert 1. feb. 2012 11:56
Legg til kommentar

Logg inn for å kommentere

Ikke UiO- eller Feide-bruker?
Opprett en WebID-bruker for å kommentere