PROCEDIMIENTO PARA EL DEPÓSITO ORDENADO DE CAPAS DE METAMATERIALES A PARTIR DE SOLUCIONES COLOIDALES DE MICRO O NANO ESFERAS.

Procedimiento para el depósito ordenado de capas de metamateriales a partir de soluciones coloidales de micro o nano esferas,

que comprende las etapas:

(a) se metalizan determinadas zonas del sustrato (3), y se prepara dicha solución coloidal,

(b) en el interior de una cámara (7) cerrada con atmósfera de nitrógeno, se dispone una bomba (4) con la solución coloidal, conectada a una aguja inyectora (1) y dicha aguja inyectora (1) conectada a su vez a un electrodo (5), mientras que el otro electrodo (6) se conecta a las zonas metalizadas de la superficie del sustrato (3),

(c) se alimenta la solución coloidal desde la bomba (4) hasta la aguja inyectora (1), y se aplica una diferencia de potencial entre dicha solución coloidal y el sustrato (3), depositándose las capas con ordenación tridimensional sobre las zonas metalizadas del sustrato (3).

Procedimiento para el depósito ordenado de capas de metamateriales a partir de soluciones coloidales de micro o nano esferas.

Procedimiento para el depósito ordenado de capas de metamateriales a partir de soluciones coloidales de micro o nano esferas.

Objeto de la invención La invención propuesta trata de un procedimiento para el depósito ordenado de capas de metamateriales a partir de soluciones coloidales de micro o nano esferas, que consigue estructuras con ordenación tridimensional sin restricciones en el tamaño o grosor de las capas mediante la aplicación de una diferencia de potencial entre una aguja inyectora conectada a una solución coloidal y un sustrato con su superficie parcial o totalmente metalizada.

Antecedentes de la invención Los metamateriales son materiales artificiales formados por partículas ordenadas cuyas propiedades dependen del tipo de ordenación además de las propiedades de las partículas.

Los metamateriales son de especial interés y aplicación para los conversores fotovoltaicos, la óptica, la ingeniería de telecomunicaciones y medicina, materiales para recubrimientos, dispositivos electrónicos y fotónicos, y otros.

Una posible aplicación de los metamateriales sin excluir otras es la fabricación de cristales coloidales que se caracterizan por poseer una estrecha banda óptica prohibida. Esta propiedad depende del índice de refracción del material de las esferas y del medio que las rodea, así como de su tamaño y ordenación.

Para la síntesis de estos materiales se han propuesto diversos métodos. Uno de los más comunes es el método de ordenación por menisco, que consiste en colocar una solución conteniendo las micro o nanoesferas entre dos placas y aprovechar la fuerza de capilaridad al desplazar la placa superior para conseguir la ordenación de las esferas (Jiang, P. et al. Single-cr y stal colloidal multilayer of controlled thinckness. Chem. Mat. 11, 2132 (1999) .

Richardson, J. F. & Zaki, W. N. describen, en “The sedimentation of a Suspension of Uniform Spheres under Conditions of Viscous Flow”. Chem Eng. Sci. 3, 65, (1954) , un método que utiliza la sedimentación y un secado muy lento de la solución durante varias horas para facilitar que la gravedad ordene las partículas.

Holgado, M. et al. Electrophoretic deposition to control artificial opal growth Langmuir 15, 4701 (1999) , describe un método basado en la electrofóresis donde tensiones eléctricas atraen las partículas hacia determinados sitios.

En J. Kleinert et al. Electric-Field-Assisted Convective Assembly of Colloidal Cr y stal Coatings Langmuir 2010, 26 (12) , 10380–10385, se describe un método que usa tensiones eléctricas y dos superficies, una plana y otra formando un ángulo para repartir las nanoesferas.

Jau-Ye Shiu et al. Actively Controlled Self-Assembly of Colloidal Cr y stals in Microfluidic Networks by Electrocapillar y Forces J. AM. CHEM. SOC. 2004, 126, 8096-8097, describe un método donde la técnica utilizada se basa en la capilaridad y la tensión eléctrica.

R. C. Hayward, et al. Electrophoretic assembly of colloidal cr y stalswith optically tunable micropatterns NATURE vol 404, 2 march 2000, utiliza máscaras sensibles a la luz ultravioleta que se cargan eléctricamente en contacto con la luz.

La mayoría de los procedimientos existentes en el estado de la técnica van encaminados a conseguir capas de metamateriales muy delgadas. Sin embargo no se ha conseguido sintetizar capas gruesas. Por tanto, en la actualidad, todos los procesos utilizados se encuentran limitados al tamaño o grosor de las capas, sin existir un método eficaz válido para cualquier tipo de tamaño o grosor de las capas.

Descripción de la invención La invención que se propone resuelve de forma plenamente satisfactoria el problema anteriormente expuesto. Se trata de un procedimiento para la obtención de capas gruesas –típicamente decenas de micras- de metamateriales a partir de micro o nano partículas con ordenación interna, a partir de un depósito localizado mediante electrospray de dichas partículas nano o micrométricas, que consigue gran reproducibilidad para cualquier tipo de grosor o tamaño de capas.

De este modo, el procedimiento descrito consigue estructuras de metamateriales con ordenación tridimensional sin restricción en el tamaño o el grosor. La aplicación de estas capas puede utilizarse para diversos fines, tanto para la fabricación de cristales coloidales como para recubrimiento de superficies o la fabricación de dispositivos electrónicos y fotónicos, entre otros.

Así pues, el procedimiento que aquí se describe se refiere a un procedimiento para el depósito de capas de metamateriales a partir de soluciones coloidales de micro o nano esferas. El procedimiento se basa en la utilización de la técnica del electrospray [Tatiana C. Rohner, Niels Lion and Hubert H. Girault, Electrochemical and theoretical aspects of electrospray ionisation, Phys. Chem. Chem. Phys, 2004, 6, 3056 – 3068], que consiste en pulverizar por medios eléctricos la solución conteniendo las partículas sobre un sustrato. En la invención que se describe aquí, la ordenación de las partículas en la película que se forma, se consigue mediante el uso de un pulverizador electroaerosol, denominado en la literatura técnica ‘electrospray’ o ‘electrospinning’. Esta técnica consiste en aplicar un potencial elevado entre dos electrodos, uno de ellos en contacto con la solución y otro en contacto con el sustrato. La conductividad y la viscosidad de la solución son cruciales para conseguir depósitos homogéneos y con buena ordenación. La aplicación de la alta tensión a la solución se consigue mediante la aplicación de un electrodo a la aguja inyectora metálica, mientras el otro electrodo se aplica sobre las zonas metalizadas del sustrato donde se desea realizar la deposición y ordenación de las capas. El sustrato puede metalizarse en toda su superficie o bien solo en algunas partes de la misma.

El procedimiento descrito en la invención consigue un depósito selectivo en determinadas áreas de la superficie del sustrato mediante la metalización de las zonas del sustrato en las que se desea realizar el depósito y en la conexión de esas áreas metalizadas al electrodo.

La aplicación de la alta tensión hace que aparezca lo que se reconoce como un cono de Taylor en el extremo de la aguja inyectora y la consiguiente aparición del aerosol. El diámetro de la aguja, el valor de la tensión eléctrica aplicada, la distancia entre la aguja inyectora y el sustrato, la conductividad de la solución y su viscosidad condicionan el tamaño de las gotas del aerosol y su distribución en el espacio y el tiempo. En esta invención se describen las condiciones de depósito preferentes para las que se consiguen películas de espesor en el rango de los nano – micrómetros con ordenación tridimensional de partículas esféricas. Pero la invención no excluye otras formas geométricas de las partículas.

Esta invención no excluye ninguna aplicación de estas películas de nano o micro partículas, bien sea a la consecución de cristales fotónicos, el depósito de recubrimientos, el uso de las películas como material activo o pasivo en dispositivos electrónicos o fotónicos.

Descripción de los dibujos Para completar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de la realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

La Figura 1. muestra un esquema de los elementos que se usan en el procedimiento y su posible disposición.

Realización preferente de la invención La invención propuesta trata de un procedimiento para el depósito y ordenación de capas de metamateriales a partir de soluciones coloidales de micro o nano esferas. Este procedimiento resuelve problemas de precisión y sin restricción en el tamaño y grosor de las partículas.

Para ello, en primer lugar, se metalizan determinadas zonas del sustrato (3) sobre el que se desea la deposición y ordenación de las partículas de la solución coloidal. Puede metalizarse toda la superficie del sustrato

(3) o solo determinadas zonas, según lo que se desee. Ésta es pues una de las ventajas de este método, la posibilidad de depósito selectivo solo en estas determinadas zonas que se metalizan. La metalización puede realizarse de este modo separando zonas eléctricamente conductoras en la superficie del sustrato (3) de zonas no conductoras,...

1. Procedimiento para el depósito ordenado de capas de metamateriales a partir de soluciones coloidales de micro o nano esferas de poliestireno sin excluir otros materiales, caracterizado porque comprende las siguientes etapas:

(a) se metalizan determinadas zonas del sustrato (3) sobre las que se desea el depósito ordenado de las partículas de la solución coloidal, y se prepara dicha solución coloidal,

(b) en el interior de una cámara (7) cerrada con atmósfera de nitrógeno, se dispone una bomba (4) que contiene la solución coloidal, conectada a una aguja inyectora (1) metálica y dicha aguja inyectora (1) conectada a su vez a un electrodo (5) , mientras que el otro electrodo (6) se conecta a las zonas metalizadas de la superficie del sustrato (3) ,

(b) se alimenta la solución coloidal desde la bomba (4) hasta la aguja inyectora (1) , y se aplica una diferencia de potencial entre dicha solución coloidal y el sustrato (3) , depositándose las capas con ordenación tridimensional sobre las zonas metalizadas del sustrato (3) .

2. Procedimiento para el depósito ordenado de capas de metamateriales a partir de soluciones coloidales de micro

o nano esferas, según reivindicación 1, caracterizado porque entre la aguja inyectora (1) y el sustrato (3) se intercala un obturador (2) mientras se prepara el montaje.

3. Procedimiento para el depósito ordenado de capas de metamateriales a partir de soluciones coloidales de micro

o nano esferas, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el sustrato (3) se metaliza con aluminio sin excluir otros metales.

4. Procedimiento para el depósito ordenado de capas de metamateriales a partir de soluciones coloidales de micro

o nano esferas, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la aguja inyectora (1) es de material metálico conductor, y se dispone a una distancia del sustrato (3) entre 5 y 15 cm, sin exluir otras.

5. Procedimiento para el depósito ordenado de capas de metamateriales a partir de soluciones coloidales de micro

o nano esferas, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la concentración de la solución coloidal es de típicamente 25 mg/ml diluido en agua desionizada, y añadiendo de 0, 1 a 1% de ácido fórmico, sin excluir otras composiciones.

6. Procedimiento para el depósito ordenado de capas de metamateriales a partir de soluciones coloidales de micro

o nano esferas, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la diferencia de potencial aplicada entre la solución coloidal y el sustrato (3) es de 10000 kV, siendo de 9000 kV en la aguja inyectora (1) y de -1000 kV en el sustrato (3) , sin excluir otros valores de potencial.

7. Procedimiento para el depósito ordenado de capas de metamateriales a partir de soluciones coloidales de micro

o nano esferas, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque entre la aguja inyectora (1) y el sustrato

(3) se intercala un anillo concentrador metálico.

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5 N2 4

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N2 3

6 FIG. 1