Sposób nanoszenia cieczy na obiekt w systemie próżniowym i system próżniowy do nanoszenia cieczy na obiekt
ZESPÓŁ AUTORSKI
Uniwersytet Jagielloński
- dr hab. Bartosz Such, prof. UJ - kierownik zespołu
- dr Łukasz Bodek
CO MOŻNA OSIĄGNĄĆ DZIĘKI WYNALAZKOWI?
Wynalazek należy do grupy urządzeń i metod pozwalających na modyfikowanie obiektów poprzez naniesienie na ich powierzchnię określonego materiału w formie cieczy. Generalnie ciecz naniesiona na powierzchnie obiektu może ulegać różnym procesom fizykochemicznym tworząc w rezultacie warstwę. W tym przypadku proces nanoszenia polega na precyzyjnym wtryskiwaniu małych ilości cieczy przez igłę skierowaną na obiekt. System wstrzykiwania jest skonstruowany tak, aby możliwe było przeprowadzenie całego procesu w warunkach podwyższonej czystości oraz niskiego ciśnienia tj. próżni. W efekcie wynalazek pozwala wytworzyć na powierzchni obiektu bardzo cienką warstwę. Warstwę cechuje ograniczona ilość zanieczyszczeń, a jej grubość może osiągnąć nawet skale nanometrów.
ISTOTA WYNALAZKU
Wynalazek odnosi się do urządzenia, które umożliwia wytwarzanie warstw (pokryć) na powierzchni obiektu znajdującego się w środowisku o podwyższonej czystości oraz niskiego ciśnienia tj. próżni. Motywacją do opracowania urządzenia była luka technologiczna związana z wytwarzaniem takich warstw z użyciem materiału w formie cieczy. Wynalazek składa się z trzech modułów tj. wytwarzania próżni, komory wstrzykiwania cieczy oraz układu przygotowania cieczy. Moduły te są ze sobą szczelnie połączone i oddzielone odpowiednimi zaworami. Na różnych etapach procesu zawory te są otwierane bądź zamykane. Zadaniem modułu wytwarzania próżni jest zapewnienie odpowiedniej czystości procesu. System pomp usuwa z układu powietrze i obecne w nim zanieczyszczenia. Podczas pompowania częściowo oczyszczany jest również sam obiekt poprzez odparowanie wody i lotnych związków chemicznych z jego powierzchni. Zadaniem tego modułu jest również utrzymanie odpowiedniego ciśnienia w trakcie procesu. W komorze wstrzykiwania cieczy znajduje się manipulator, na którym umieszczany jest obiekt. Obiekt jest pozycjonowany tak, aby właściwa jego powierzchnia była eksponowana na działanie wprowadzanej cieczy. Sercem całego urządzenia jest układ przygotowania cieczy. Niewielka ilość cieczy jest wprowadzana do układu, gdzie sekwencja zaworów dba o to, aby ją odpowiednio przygotować do wprowadzenia do komory wstrzykiwania. Do układu przygotowania cieczy doprowadzany jest gaz obojętny, który bierze udział w przeprowadzeniu cieczy przez kolejne elementy urządzenia dochodząc do igły wstrzykującej skierowanej na obiekt. W efekcie ciecz jest wtryskiwana przez igłę do komory. Wtryśnięta do próżni ciecz zaczyna dynamicznie parować zanim osiągnie powierzchnię obiektu. Układ pompujący dba cały czas o utrzymanie ciśnienia w komorze regulując proces parowania. Mnogość zjawisk fizykochemicznych towarzyszących całemu procesowi wymaga, aby możliwa była regulacja odległości końcówki igły od powierzchni obiektu. W zależności od szeregu parametrów t.j. skład cieczy, ilości cieczy, ciśnienia gazu obojętnego, długość pracy zaworów, odległość igła-obiekt można otrzymać inny efekt tj. różną grubość i jednorodność warstwy. Niedoskonałość urządzenia i samej metody wynika z czasochłonności w przygotowaniu całego procesu. Konieczne jest dopasowanie wielu parametrów zanim osiągnięty zostanie zamierzony efekt. Ze względu na to, że tworzenie warstw ma charakter punktowy, w przypadku większych obiektów, konieczne jest wielokrotne powtórzenie procesu poruszając się z punktu do punktu. Głównymi zaletami wynalazku jest duża uniwersalność w kontekście składu cieczy: rozpuszczalniki, zawiesiny/koloidy, ciecze jonowe oraz wysoka czystość procesu i silnie ograniczony dostęp zanieczyszczeń.
POTENCJAŁ KOMERCJALIZACYJNY WYNALAZKU
Potencjał komercjalizacyjny wynalazku można dostrzec w przemyśle wysokiej technologii związanym z wytwarzaniem ogniw słonecznych. Wynalazek może być alternatywą dla nanoszenia tzw. barwników organicznych, które stanowią podstawę działania barwnikowych ogniw słonecznych (ang. DSSC). Barwnik jako element fotoaktywny stanowią duże molekuły organiczne z rodziny np. porfiryn lub ftalocyjanin oraz ich kompleksy. Konwencjonalnie takie barwniki po rozpuszczeniu w odpowiednim roztworze nanosi się na powierzchnię elektrody np. poprzez jej zanurzenie w roztworze. To podejście może prowadzić do problemów ze zbyt grubą warstwą organiczną, jej niejednorodnością oraz zanieczyszczeniem. Omawiany wynalazek ma szansę ominąć wymienione problemy. Umieszczenie elektrody w układzie próżniowym zmniejsza ilość zanieczyszczeń, a precyzyjne naniesienie barwnika poprzez natryskanie roztworu na elektrodę z użyciem igły prowadzi do uzyskania warstwy o grubości w skali nanometrów.