Pastaraisiais metais nanomedžiagos sulaukė daug dėmesio dėl savo neįprastų savybių, o šviesiausi pasaulio protai sukūrė daugybę inovatyvių būdų efektyviam jų pritaikymui. Svarbus žingsnis link plataus nanovielų pritaikymo – paprastų metodų, leidžiančių gaminti dideliais kiekiais, vystymas. Vieną iš tokių metodų nesenai pristatė Kauno technologijos universiteto (KTU) Medžiagų mokslo instituto komanda – jų sukurtas naujas cinko oksido (ZnO) nanovielų gamybos būdas ne tik padidina energijos gavybą ir energijos vartojimo efektyvumą, bet ir mažina gamybos sąnaudas bei aplinkos taršą.
Didelio masto nanovielų integravimas į funkcines medžiagas vis dar išlieka problema: nanovielų sintezę daugiausia riboja augimo paviršius, trukdantis plačiam jų taikymui. KTU mokslininkų komanda pirmieji nustatė galimybes kontroliuoti nanovielų augimą bei sukūrė būdą dideliems ZnO nanovielų kiekiams gauti, juos pritaikant saulės elementų ir ultravioletinės spinduliuotės (UV) jutiklių dangų kūrimui.
„ZnO nanovielos – tai pailgos formos medžiagos, dėl savo ypatingų puslaidininkių savybių, turinčios potencialą pritaikymui elektronikoje bei optikoje, – aiškina dr. Simas Račkauskas, KTU Medžiagų ir mokslo instituto komandos atstovas. – Dėl savo savybių bei didelio aktyvaus paviršiaus ZnO medžiagos taip pat gali būti pritaikomos katalizėje bei medicinoje“.
Sukūrė naują metodą
Pasak S. Račkausko, rinkoje vis dar trūksta paprastų sprendimų nanovielų pritaikymui. Siekdami supaprastinti jų gamybos būdus, KTU mokslininkai sukūrė metodą, kuris leidžia nanovielas auginti dujų fazėje, gauti didelius jų kiekius, produktą surinkti miltelių pavidalu, o vėliau išsklaidyti įvairiuose tirpikliuose. Paprasti padengimo metodai, pavyzdžiui, purškimas, leidžia formuoti daugiafunkcinius paviršius ar medžiagas.
„Savo disertacijos metu tyrinėjau paprastus metodus metalų oksidų nanodalelėms gauti. Buvo sukurtas naujas metodas, leidžiantis gauti didelius kiekius kontroliuojamos nanostruktūros. Šį metodą pavadinome dujų fazės sinteze (angl. gas phase or combustion synthesis), iš principo yra cinko miltelių degimas“, – teigia S. Račkauskas.
Pašnekovas pasakoja, kad sukurtas metodas yra sėkmingai vystomas, o šiuo metu laboratorinėmis sąlygomis galima gauti apie 100 g ZnO nanodalelių per valandą, kurių kaina yra apie 8 eurus. Skaičiuojant tik išlaidas medžiagoms ir elektrai, to pakaktų padengti 2,5 m2 saulės elementų paviršiaus.
Rinkoje naudojami saulės elementai atspindi šviesą – taip prarandama dalis ant jų krintančios saulės šviesos. Nustatyta, kad nanovielomis padengti paviršiai įgyja įvairių savybių vienu metu: mažina atspindį, keičia UV spindulius į regimąją šviesą, savaime valosi. Todėl taikant naujas paviršių dangas, galima padidinti energijos gavybą ir energijos vartojimo efektyvumą.
„Tai galima išspręsti mūsų siūloma ZnO nanodalelių saulės danga. Ši saulės elementų danga sumažina saulės elementų atspindimą šviesą. Tokiu būdu padidinamas jų efektyvumas – pirminiais tyrimais iki 6 proc.“, – sako mokslininkas.
S. Račkauskas taip pat pasakoja, kad po tam tikro laiko saulės elementai apsineša dulkėmis bei organinėmis medžiagomis, tačiau pritaikant ZnO nanodalelių saulės dangą būtų išspręsta ir ši problema.
„Saulės elementai savaime apsivalo (lotuso efektas) nuo dulkių lietaus metu, organinės medžiagos yra suskaidomos dėl fotokatalitinių dangos savybių”, – paaiškina KTU mokslininkas.
Retieji žemės elementai
Pasaulinė praktika rodo, kad elektronikoje yra daug detalių, kurios naudoja retuosius žemės elementus, tokius kaip indis, arsenas bei galis. Tačiau išgauti šiuos elementus iš žemės yra sudėtinga, o procesas reikalauja didelių finansinių sąnaudų, be to, ir aplinkai tokia veikla yra žalinga.
Vis dėlto, pasak S. Račkausko, jų poreikį šiam tikslui galima sumažinti pasirinkus cinką, iš kurio gaminamas ZnO.
„Pasirinkome būtent ZnO dėl to, kad cinkas – žemėje paplitęs elementas. Tai sąlygoja jo pritaikomumą bei mažą kainą“, – pasakoja mokslininkas.
Anot jo, pakeitus retuosius žemės elementus analogiškų savybių turinčiu ZnO, būtų galima ne tik sutaupyti, bet ir pereiti prie ekologiškesnių sprendimų.
„Cinkas nėra tiek pavojingas gamtai, – tikina pašnekovas. – Be to, jis yra mūsų organizmui reikalingas elementas – 10 mg yra rekomenduojama cinko paros norma“.
Neribotos pritaikymo galimybės
Mokslininkai taip pat atliko unikalaus UV jutiklio bandymus. Šio tipo jutikliai gali būti suformuoti ant daugelio paviršių, pvz., popieriaus, plastiko ir kt. Tokie UV jutikliai taip pat gali būti integruoti į įvairius paviršius, prisidedant prie daiktų interneto (angl. Internet of Things, IoT) sklaidos.
„Tam panaudojamos dvi medžiagos. Viena iš jų – mūsų pagamintos ZnO nanodalelės, atliekančios jutiklio funkciją. Kita – laidininkas (laidai ar kontaktai): tai gali būti pieštuko grafitas, laidūs metaliniai dažai. Iš čia ir pavadinimas – piešiami jutikliai – nes visą schema galima nusipiešti: tiek laidus, tiek jutiklio elementą ant jų“, – paaiškina KTU mokslininkas.
„Šviesos jutiklį galima supaprastintai įsivaizduoti kaip paprastą jungtuką, kuriuo galima įjunti ar išjungti prietaisus šviesos pagalba, pavyzdžiui, žaisliniu lazeriuku iš toli“, – sako S. Račkauskas.
Pasak jo, išsivysčius lanksčiajai elektronikai, bus galima plačiau taikyti jutiklių gamybą. Pritaikymo galimybės neribotos, tačiau šiandieninėje rinkoje yra daug pigesnių bei paprastesnių kietųjų jutiklių.
„Šiuo metu tai gali būti įdomu edukaciniais tikslais, aiškinant, kaip veikia elementai, ar savadarbėje elektronikoje. Taip pat tai gali sudominti specialiojo funkcionalaus dizaino atstovus, nes tai leistų integruoti elektroniką į rūbus, sienas, piešinius be laidų, – pasakoja S. Račkauskas, – be to, tokius jungiklius galima pastatyti sunkiai prieinamose vietose ar ant paviršių, kurių negalima liesti“.
Mokslininkai ir toliau planuoja tobulinti tiek pačias ZnO nanodaleles, tirti jų funkcijas, tiek tobulinti jų pritaikymą.
„Saulės elementų dangai tirsime padengimo būdus, atsparumą, šviesos sensorius tobulinsime jų gamybą, bandysime spausdinti, taip pat tirsime galimą pritaikymą dujų jutikliams”, – ateities planais dalijasi pašnekovas.
KTU Medžiagų mokslo instituto komanda už šį projektą laimėjo „Practica Capital” 500 eurų piniginį prizą kasmetinėje inovacijų parodoje „Technorama 2019“. Jaunieji mokslininkai dr. Rasa Mardosaitė, dr. Agnė Šulčiūtė, dr. Simas Račkauskas bei studentas Mindaugas Ilickas pristatė darbą „Piešiami jutikliai ir saulės elementų dangos iš daugiafunkcinių ZnO nanomedžiagų“.
