乾燥粒子膜の破壊に新たな知見を得た厚膜自立型金属インバースオパールの開発

Thick Free-Standing Metallic Inverse Opals Enabled by New Insights into the Fracture of Drying Particle Films.

• Zhimin Jiang
• Zakaria Hsain
• James H Pikul

抄録

金属インバースオパールは、機械的、化学的、熱的、フォトニック的特性を高めた多孔質材料であり、電池電極、フォトニックデバイス、熱交換器など多くの技術の性能向上に利用されています。しかし、インバースオパールの作製に用いられる乾燥オパールテンプレートにクラックが発生することは、実用化・基礎研究への応用に大きな障害となっています。本研究では、酸化インジウム-錫コーティング基板上に自己組織化したポリスチレン粒子オパールの乾燥実験を行い、その破壊メカニズムをエネルギー保存型破壊モデルを用いて説明する。このモデルは、膜降伏,粒子秩序,界面摩擦を取り入れ、膜厚依存のき裂間隔,き裂応力,秩序依存のき裂挙動など、いくつかの実験結果を説明する。このモデルに基づいて、これまでに報告されている非自立型金属インバースオパールの4倍の厚さ120μmの自立型金属インバースオパールを初めて作製した。さらに、クラックを制御することで、金属製インバースオパールでは過去最大の1.35mmまでのクラックのない単結晶領域を実現しました。これにより、乾燥粒子膜の破壊力学の理解が深まり、オパールテンプレートのクラック形成を低減するための指針が得られ、自立型の大面積単結晶インバースオパールの作製が可能になりました。

Metallic inverse opals are porous materials with enhanced mechanical, chemical, thermal, and photonic properties used to improve the performance of many technologies, such as battery electrodes, photonic devices, and heat exchangers. Cracking in the drying opal templates used to fabricate inverse opals, however, is a major hindrance to the use of these materials for practical and fundamental studies. In this work, we conduct desiccation experiments on polystyrene particle opals self-assembled on indium-tin oxide coated substrates to study their fracture mechanisms, which we describe using an energy-conservation fracture model. The model incorporates film yielding, particle order, and interfacial friction to explain several experimental observations, including thickness-dependent crack spacings, cracking stresses, and order-dependent crack behavior. Guided by this model, we are the first to fabricate 120 μm thick free-standing metallic inverse opals, which are 4 times thicker than previously reported non-free-standing metallic inverse opals. Moreover, by controlling cracks, we achieve a crack-free single-crystal domain up to 1.35 mm, the largest ever reported in metallic inverse opals. This work improves our understanding of fracture mechanics in drying particle films, provides guidelines to reduce crack formation in opal templates, and enables the fabrication of free-standing large-area single-crystal inverse opals.