Le esigenti applicazioni odierne nella produzione chimica, generazione e stoccaggio di energia, abbattimento dell'inquinamento, e l'assistenza sanitaria stanno guidando lo sviluppo di nuovi materiali con funzionalità catalitiche e optoelettroniche. Però, prevedere e controllare le proprietà di tali materiali, gli scienziati hanno studiato il loro processo di sviluppo a livello molecolare. frequentemente, una comprensione dettagliata è ostacolata dalla presenza di una zuppa complessa e mal definita di molecole spettatori che complicano l'interpretazione dei risultati sperimentali e rendono difficile la modellazione teorica di alto livello.

Per evidenziare un nuovo approccio per superare questa sfida, gli scienziati del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) e della Purdue University hanno collaborato per rivedere la tecnica di atterraggio morbido degli ioni e la sua applicazione alla sintesi dei materiali. L'utilizzo di questa tecnica per posizionare delicatamente le molecole selezionate sulle superfici consente agli scienziati di mantenere un controllo squisito sugli ingredienti molecolari che compongono i materiali complessi.

Lo sforzo è stato recentemente incluso in un articolo di revisione su invito pubblicato nell'edizione internazionale di Angewandte Chemie dal titolo "Dagli ioni isolati ai materiali funzionali multistrato mediante atterraggio morbido di ioni".

Nell'articolo di recensione, Julia Laskin, Grant Johnson, Jonas Warneke, e Venkateshkumar "Venky" Prabhakaran descrivono l'approccio ei benefici della tecnica di atterraggio morbido degli ioni. Per esempio, tale controllo preciso si ottiene convertendo prima le molecole in ioni, che sono facili da manipolare utilizzando campi elettrici e magnetici. Gli ioni vengono quindi accuratamente selezionati in base alla loro composizione e allo stato di carica ionica e consegnati come fascio concentrato di forma e dimensioni note su una superficie per preparare film e nanostrutture su misura. I materiali risultanti hanno composizioni predeterminate, che rende le loro proprietà fisiche misurate e la reattività chimica più facili da attribuire a specifiche caratteristiche geometriche ed elettroniche osservate sperimentalmente. Questo, a sua volta, consente la modellazione teorica e un approccio predittivo, al contrario di un approccio per tentativi ed errori, alla progettazione dei materiali.

"L'atterraggio morbido degli ioni consente agli scienziati di controllare con precisione la composizione e la copertura di un'ampia gamma di molecole, comprese le specie non volatili che sarebbero altrimenti difficili da depositare, " ha detto Johnson, un chimico fisico al PNNL. Johnson ha affermato che la tecnica può essere utilizzata anche per generare nuovi cluster e nanoparticelle utilizzando tecniche energetiche basate su sputtering e intermedi altamente reattivi che non possono essere prodotti con metodi convenzionali.

Questi scienziati sono stati invitati a scrivere la recensione a causa del loro ruolo di primo piano nello sviluppo della tecnica per gli studi sull'accumulo di energia, sintesi dei materiali, e catalisi e il loro contributo sostanziale al campo più ampio delle interazioni ione-superficie.

"Siamo affascinati dalla tecnica di atterraggio morbido degli ioni da più di un decennio, " disse Laskin, professore di chimica alla Purdue University. "Negli anni, abbiamo stabilito sia le capacità sperimentali che la comprensione dei fenomeni chiave necessari per svilupparlo in un potente approccio per la sintesi dei materiali".

Comprendere le relazioni struttura-proprietà è essenziale per progettare materiali migliori per applicazioni future. Tale comprensione consente ai ricercatori di evitare la laboriosa, richiede tempo, e costosi esperimenti per tentativi ed errori altrimenti necessari per esplorare come i diversi parametri influenzino le proprietà e le prestazioni dei nuovi materiali. Le relazioni struttura-proprietà sono difficili da estrarre da miscele complesse in cui la presenza di altri composti inattivi oscura la risposta analitica delle molecole di interesse. La tecnica di atterraggio morbido degli ioni crea ben definiti, materiali di alto valore come minuscole particelle di metallo e ossido di metallo di dimensioni e composizione esatte per studi in catalisi eterogenea e accumulo di energia elettrochimica (ad es. supercondensatori e batterie).

Ricercatori del Pacific Northwest National Laboratory e della Purdue University—Julia Laskin, Grant Johnson, Jonas Warneke, e Venkateshkumar "Venky" Prabhakaran—sono stati invitati a preparare un articolo di revisione basato sui loro anni di esperienza nello sviluppo della tecnica di atterraggio ionico per studi sull'accumulo di energia, sintesi dei materiali, e catalisi. Il gruppo, posizionato e determinato a continuare a far progredire la tecnica di atterraggio ionico in un approccio unico per la sintesi dei materiali, ha selezionato i contenuti della revisione dopo aver esaminato centinaia di articoli di scienziati e colleghi di laboratori nazionali e università di tutto il mondo.

Il loro articolo di recensione in Angewandte Chemie Edizione Internazionale —un Journal of the Gesellshaft Deutscher Chemiker—ha sottolineato i recenti sviluppi nell'atterraggio morbido ambientale, che consentono di riprodurre alcuni vantaggi del soft-landing ionico nel vuoto sul banco di laboratorio con costi e complessità ridotti.

Prabhakaran, uno scienziato dei materiali al PNNL, ha affermato che il team ha scoperto che "l'atterraggio morbido basato sul vuoto ad alto flusso combinato con la caratterizzazione elettrochimica in situ costituisce un approccio versatile per comprendere il ruolo dei diversi componenti attivi sulle prestazioni dei dispositivi di accumulo di energia".

Inoltre, il team ha scoperto che la tecnica può fornire informazioni su come le proprietà degli ioni molecolari ad alte coperture possono essere utilizzate per adattare la morfologia iniziale e l'evoluzione strutturale dei film in fase condensata.

"Abbiamo utilizzato l'atterraggio morbido di ioni ad alto flusso per generare per la prima volta affascinanti strati simili a liquidi sulle superfici, " disse Warneke, un Postdoctoral Fellow di Humboldt che è venuto al PNNL dalla Germania specificamente per perseguire la ricerca sull'atterraggio ionico. Warneke ha affermato che "è uno strumento ideale per indagare le proprietà emergenti di strati contenenti un gran numero di cluster e molecole complesse, che potrebbe aprire nuove prospettive nella scienza dell'energia e in altre discipline."

Il prossimo passo per la ricerca sull'atterraggio ionico consiste nel controllare la disposizione tridimensionale delle strutture macroscopiche formate attraverso la deposizione di ioni selezionati in massa. Questo progresso consentirà di adattare le proprietà dei materiali a base di ioni con una precisione ancora maggiore.