Come un'attrice protagonista sul tappeto rosso, i nanofili, quelle superstar della nanotecnologia, possono essere migliorati da un piccolo gioiello, pure. Non la varietà di diamanti e perle, ma del tipo formato da catene sinuose di ossido di metallo o nanoparticelle di metalli nobili.

Sebbene la scienza sappia da tempo che tale ornamento può aumentare notevolmente l'area superficiale e alterare la chimica superficiale dei nanofili, gli ingegneri della Stanford University hanno trovato un metodo nuovo e più efficace per "decorare" i nanofili, più semplice e veloce rispetto alle tecniche precedenti. I risultati del loro studio sono stati pubblicati di recente sulla rivista Nano lettere .

Lo sviluppo, dicono i ricercatori, potrebbe un giorno portare a migliori batterie agli ioni di litio, celle solari a film sottile più efficienti e catalizzatori migliorati che producono nuovi combustibili sintetici.

Strutture ad albero

"Puoi immaginarlo come un albero. I nanofili sono il tronco, molto bravo a trasportare elettroni, come linfa, ma limitato in superficie, " ha spiegato Xiaolin Zheng, un assistente professore di ingegneria meccanica e autore senior dello studio. "Le decorazioni di nanoparticelle aggiunte, come li chiamiamo noi, sono come i rami e le foglie, che si espandono e aumentano notevolmente la superficie."

Alla nanoscala, la superficie è molto importante nelle applicazioni ingegneristiche come le celle solari, batterie e, soprattutto catalizzatori, dove l'attività catalitica dipende dalla disponibilità di siti attivi sulla superficie del materiale.

"Una maggiore superficie significa maggiori opportunità di reazioni e quindi migliori capacità catalitiche in, Per esempio, sistemi di scissione dell'acqua che producono idrogeno a combustione pulita dalla luce solare, "ha detto Yunzhe Feng, un assistente di ricerca nel laboratorio di Zheng e primo autore dello studio.

Altre applicazioni come il rilevamento di piccole concentrazioni di sostanze chimiche nell'aria, di tossine o esplosivi, ad esempio, potrebbe anche beneficiare della maggiore probabilità di rilevamento resa possibile dall'aumento della superficie.

Una scintilla di un'idea

La chiave della scoperta del team di Stanford è stata una fiamma. Gli ingegneri sapevano da tempo che le nanoparticelle potevano essere fatte aderire ai nanofili per aumentare la superficie, ma i metodi per crearli non erano molto efficaci nel formare le tanto desiderate strutture a catena di nanoparticelle porose. Questi altri metodi si sono rivelati troppo lenti e hanno portato a un spesso strato di nanoparticelle che rivestono i fili, facendo poco per aumentare la superficie.

Zheng e il suo team si sono chiesti se una rapida esplosione di fiamme potesse funzionare meglio, così ci hanno provato.

Zheng ha immerso i nanofili in un gel a base di solvente di metallo e sale, quindi asciugarli all'aria prima di applicare la fiamma. Il nel suo processo il solvente brucia in pochi secondi, consentendo alle importantissime nanoparticelle di cristallizzare in strutture simili a rami che si estendono a ventaglio dai nanofili.

"Siamo rimasti un po' sorpresi da come ha funzionato bene, " ha detto Zheng. "Si è comportato magnificamente."

Utilizzando sofisticati microscopi e spettroscopi presso lo Stanford Nanocharacterization Laboratory, gli ingegneri hanno potuto osservare bene le loro creazioni.

"Ha creato questi intricati, viticci simili a capelli pieni di molti angoli e fessure, " ha detto Zheng. I nanofili ingioiellati sembrano scovolini. La struttura risultante aumenta la superficie di molte volte rispetto a ciò che è successo prima, lei disse.

Spettacolo drammatico, controllo senza precedenti

"Finora i miglioramenti delle prestazioni sono stati notevoli, " ha detto In Sun Cho, un borsista post-dottorato nel laboratorio di Zheng e coautore del documento.

Zheng e il team hanno soprannominato la tecnica il metodo sol-flame, per la combinazione di solvente e fiamma che produce le strutture delle nanoparticelle. Il metodo sembra abbastanza generale da funzionare con molti materiali di nanofili e nanoparticelle e, forse più importante, fornisce un livello senza precedenti di controllo ingegneristico nella creazione delle decorazioni di nanoparticelle.

L'elevata temperatura della fiamma e il breve tempo di ricottura assicurano che le nanoparticelle siano piccole e si diffondano uniformemente sui nanofili. E, variando la concentrazione di nanoparticelle nella soluzione precursore e il numero di volte in cui i fili vengono rivestiti per immersione, il team di Stanford è stato in grado di variare la dimensione delle decorazioni di nanoparticelle da decine a centinaia di nanometri, e la densità da decine a centinaia di particelle per micrometro quadrato.

"Anche se sono necessarie ulteriori ricerche, tale precisione è cruciale e potrebbe sostenere l'adozione più ampia del processo, " ha detto Zheng.