Campioni di film contenenti metallo autoassemblati realizzati con il nuovo processo sol-gel. I film sono essenzialmente di vetro in cui sono sospesi atomi di metallo, che conferisce il colore., Le linee della griglia sono distanti 5 mm. Credito:Wiesner Lab
(PhysOrg.com) -- Per i catalizzatori nelle celle a combustibile e gli elettrodi nelle batterie, gli ingegneri vorrebbero produrre pellicole metalliche porose, per rendere disponibile più superficie per le reazioni chimiche, e altamente conduttivo, per portare via l'elettricità. Quest'ultima è stata una sfida frustrante.
Ma i chimici di Cornell hanno ora sviluppato un modo per realizzare pellicole metalliche porose con un massimo di 1, 000 volte la conduttività elettrica offerta dai metodi precedenti. La loro tecnica apre anche la porta alla creazione di un'ampia varietà di nanostrutture metalliche per applicazioni ingegneristiche e biomediche, hanno detto i ricercatori.
I risultati di diversi anni di sperimentazione sono descritti nell'edizione online del 18 marzo della rivista Materiali della natura .
"Abbiamo raggiunto livelli senza precedenti di controllo sulla composizione, nanostruttura e funzionalità, ad esempio conducibilità - dei materiali risultanti, il tutto con un semplice approccio di miscelazione e riscaldamento "one-pot", " ha detto l'autore senior Ulrich Wiesner, lo Spencer T. Olin Professore di Ingegneria.
Come appare a un chimico:3-isocianatopropiltrietossisilano (ICPTS), si lega a un amminoacido che a sua volta afferra uno ione metallico ("M" rappresenta qualunque metallo sia scelto) da un acetato di metallo, lasciando dietro di sé l'acido acetico. Avere queste strutture in mente ha portato all'Aha! momento per il ricercatore Scott Warren.
Il nuovo metodo si basa sul "processo sol-gel, " già familiari ai chimici. Alcuni composti di silicio miscelati con solventi si autoassemblano in una struttura di biossido di silicio (cioè, vetro) a nido d'ape con pori nanometrici. La sfida per i ricercatori era quella di aggiungere metallo per creare una struttura porosa che conducesse elettricità.
Circa 10 anni fa, Il gruppo di ricerca di Wiesner, collaborando con il Cornell Fuel Cell Institute, provato a utilizzare il processo sol-gel con i catalizzatori che estraggono i protoni dalle molecole di carburante per generare elettricità. Avevano bisogno di materiali che passassero ad alta corrente, ma l'aggiunta di più di una piccola quantità di metallo ha interrotto il processo sol-gel, ha spiegato Scott Warren, primo autore del Materiali della natura carta.
Quasi tutti i metalli dell'intera tavola periodica (mostrati in rosso e blu) possono essere utilizzati nel nuovo processo. Quelli etichettati in blu possono essere acquistati dallo scaffale dai fornitori di prodotti chimici nella forma appropriata. Credito:Wiesner Lab
Warren, che allora era un Ph.D. studente nel gruppo di Wiesner ed è ora ricercatore presso la Northwestern University, mi venne l'idea di usare un amminoacido per collegare gli atomi di metallo alle molecole di silice, perché si era reso conto che un'estremità della molecola dell'amminoacido ha un'affinità per la silice e l'altra estremità per i metalli.
"Se ci fosse un modo per attaccare direttamente il metallo al precursore del sol-gel di silice, allora impediremmo questa separazione di fase che stava interrompendo il processo di autoassemblaggio, " Lui ha spiegato.
Il risultato immediato è una nanostruttura di metallo, silice e carbonio, con molto più metallo di quanto fosse stato possibile prima, aumentando notevolmente la conduttività. La silice e il carbonio possono essere rimossi, lasciando metallo poroso. Ma una struttura in metallo siliceo manterrebbe la sua forma alle alte temperature che si trovano in alcune celle a combustibile, Warren ha notato, e rimuovere solo la silice per lasciare un complesso carbonio-metallo offre altre possibilità, compresi i pori più grandi.
I ricercatori riportano una vasta gamma di esperimenti che mostrano che il loro processo può essere utilizzato per creare "una libreria di materiali con un alto grado di controllo sulla composizione e sulla struttura". Hanno costruito strutture di quasi tutti i metalli della tavola periodica, e con la chimica aggiuntiva può "sintonizzare" le dimensioni dei pori in un intervallo da 10 a 500 nanometri. Hanno anche realizzato nanoparticelle di silice riempite di metallo abbastanza piccole da essere ingerite e secrete dagli esseri umani, con possibili applicazioni biomediche. Il gruppo di Wiesner è anche noto per aver creato "Cornell dots, " che incapsulano coloranti in nanoparticelle di silice, quindi una possibile applicazione futura del processo sol-gel potrebbe essere la costruzione di celle solari Graetzel, che contengono coloranti fotosensibili. Michael Graetzel dell'École Polytechnique Fédérale de Lausanne e innovatore della cellula Graetzel è un coautore del nuovo articolo. La misurazione della conducibilità elettrica da record è stata eseguita nel suo laboratorio.
La ricerca è stata sostenuta dal Dipartimento di Energia e, attraverso più canali, la Fondazione Nazionale della Scienza.
