Opracowana w Massachusetts Institute of Technology folia polimerowa o grubości 60 nanometrów wykazuje rekordową nieprzepuszczalność, idealną do ochrony produktów spożywczych, farmaceutyków i baterii słonecznych.
Spis treści
- Ultracienka, praktycznie niewidoczna folia .
- Pełna ochrona przed gazami i wilgocią .
- Ochrona wrażliwych ogniw słonecznych .
- Mniejsza korozja, dłuższa żywotność .
- Prosta aplikacja, bez skomplikowanych procesów .
Lekki polimer, nieprzepuszczający gazów.
Grupa naukowców osiągnęła to, co do niedawna wydawało się możliwe tylko w przypadku niemal „idealnych” materiałów, takich jak grafen: ultracienka folia polimerowa o grubości zaledwie kilku nanometrów, zdolna do blokowania przepływu cząsteczek gazu. Nie jest to tylko laboratoryjna ciekawostka. Perspektywy są konkretne i bardzo praktyczne: ochrona infrastruktury, przedłużenie żywotności ogniw słonecznych z perowskitu i powstrzymanie korozji, która obecnie skraca żywotność wielu systemów energetycznych .
Materiał ten zachowuje się nietypowo jak na polimer. Na pierwszy rzut oka nie przypomina uporządkowanego kryształu, ale jego wewnętrzna struktura jest zorganizowana w warstwy, które praktycznie bezszwowo przylegają do siebie. Na tym polega jego sekret. Podczas gdy inne tworzywa sztuczne pozostawiają mikroprzestrzenie, przez które może przedostawać się tlen, azot lub wilgoć, ten nowy polimer uszczelnia się jak szczelnie przylegające drzwi. Nie ma żadnych szczelin. Lub prawie żadnych.
Pęcherzyki, które nie pękają
Aby to sprawdzić, naukowcy opracowali prosty, ale wymowny eksperyment. Stworzyli mikropęcherzyki z folii polimerowej i wypełnili je czystymi gazami. W każdym zwykłym plastiku pęcherzyki te z czasem pękają: gaz stopniowo wydostaje się przez sieć łańcuchów materiału. Tutaj tak się nie stało.
Niektóre z tych pęcherzyków pozostają napełnione nawet po latach. Dosłownie latach. To skłoniło zespół do ponownego przemyślenia metody pomiaru przepuszczalności molekularnej w materiale, który zachowuje się inaczej niż jakikolwiek znany polimer. Pomiary potwierdziły, że zdolność blokowania jest 10 000 razy większa niż w przypadku najnowocześniejszych tworzyw sztucznych .
Sekret tkwi w jego architekturze: dyski molekularne rozmieszczone w dwóch wymiarach i utrzymywane razem wiążami wodorowymi , które zapewniają wytrzymałość, wyrównanie i brak szczelin między warstwami.
Nie jest to „spaghetti” splątanych łańcuchów, jak w tradycyjnych polimerach. Jest to raczej stos idealnie dopasowanych do siebie arkuszy.
Wytrzymalszy od stali, sześciokrotnie lżejszy.
Oprócz wodoodporności materiał ten jest niezwykle wytrzymały. Jego gęstość stanowi jedynie niewielką część gęstości stali, ale wytrzymałość mechaniczna przewyższa ją . To połączenie — lekkość, wytrzymałość i szczelność na poziomie molekularnym — otwiera szerokie spektrum zastosowań, wykraczających daleko poza elektronikę lub badania laboratoryjne.
W sektorze energetycznym najbardziej interesującymi rozwiązaniami są ogniwa słoneczne z perowskitu . Technologie te obiecują tańsze i bardziej elastyczne panele o mniejszym śladzie węglowym podczas produkcji w porównaniu z tradycyjnymi ogniwami krzemowymi. Problem jest dobrze znany: szybko ulegają one degradacji pod wpływem tlenu i wilgoci powietrza.
Warstwa tego polimeru o grubości zaledwie 60 nanometrów przedłużyła żywotność kryształu perowskitu o kilka tygodni w warunkach testowych. Chociaż rozwiązanie to nie jest jeszcze opłacalne komercyjnie, wskazuje ono drogę na przyszłość: ultratenkie bariery mogą sprawić, że perowskity staną się naprawdę trwałą opcją dla rzeczywistych instalacji słonecznych , czy to na dachach, fasadach, czy nawet urządzeniach przenośnych.
Od baterii słonecznych do infrastruktury
Szczególnie atrakcyjna jest idea „nakładania” molekularnej powłoki ochronnej na otwarte powierzchnie. W przeciwieństwie do grafenu, którego nakładanie wymaga skomplikowanych procesów i który słabo przylega do dużych powierzchni, ten polimer można nakładać w postaci ciągłej folii, co bardziej przypomina powłokę przemysłową niż materiał laboratoryjny.
Oznacza to mniejszą korozję konstrukcji metalowych, mniejsze koszty konserwacji w trudnych warunkach — obszarach przybrzeżnych, infrastrukturze kolejowej, zewnętrznych obiektach energetycznych — a zatem mniejsze zużycie zasobów na naprawę, wymianę lub wzmocnienie materiałów uszkodzonych w miarę upływu czasu .
Jest jeszcze jeden, mniej zauważalny, ale nie mniej ważny aspekt: opakowania. Praktycznie idealna bariera dla gazów może przedłużyć okres przechowywania żywności i leków, zmniejszyć ilość odpadów i zapotrzebowanie na bardziej energochłonne łańcuchy dostaw.
Rezonatory nanometryczne
Badania wykazały również nieoczekiwane zastosowanie: stworzenie dwuwymiarowych rezonatorów polimerowych — maleńkich „bębenków” wibrujących z bardzo specyficzną częstotliwością. Podobne komponenty są już obecnie wykorzystywane w telefonach komórkowych i systemach łączności, ale na znacznie większą skalę.
Wdrożenie tej technologii w skali nano może oznaczać stworzenie bardziej kompaktowych urządzeń o mniejszym zużyciu energii do przetwarzania sygnałów . A w dziedzinie ochrony środowiska — czujników zdolnych do wykrywania najmniejszych śladów gazów zanieczyszczających lub wycieków w obiektach przemysłowych, zanim staną się one poważnym problemem.
Potencjał
Ten rodzaj powłoki otwiera drzwi dla bardziej dostępnych i niezawodnych technologii słonecznych, zwłaszcza w wilgotnym lub zanieczyszczonym klimacie, gdzie perowskity są obecnie nieopłacalne. Jest on również zgodny z trendem w kierunku zintegrowanej architektury energetycznej, w której fasady, okna i powierzchnie miejskie stają się generatorami energii elektrycznej, które wymagają ochrony bez utraty lekkości lub przejrzystości.
W sektorze przemysłowym może to przyczynić się do stworzenia bardziej trwałej infrastruktury przy niższych kosztach konserwacji, zmniejszając emisje związane z produkcją materiałów zastępczych. W dziedzinie ochrony środowiska jego właściwości mechaniczne i uszczelniające mogą umożliwić opracowanie ultrakompaktowych czujników do monitorowania jakości powietrza, wycieków metanu lub emisji przemysłowych w czasie rzeczywistym .
Nie jest to panaceum. Jest to jednak interesujący element układanki: „inteligentne” materiały, które nie tylko zapewniają działanie technologii, ale także przedłużają ich żywotność i zmniejszają zużycie energii. Czasami zmiany nie następują w formie wielkiej, widocznej rewolucji, ale raczej w postaci ledwo zauważalnej, niemal niewidocznej warstwy.
