(Phys.org)—La nanoionica è un sottocampo della nanotecnologia che si occupa di fenomeni su scala nanometrica che comportano la migrazione di ioni nei materiali solidi. Finora, però, non è stato esplorato il confinamento delle correnti ioniche a percorsi predefiniti in modo simile al moto degli elettroni nei fili dei conduttori elettronici.

A quello scopo, Jonathan Berson, Doron Burshtain, Assaf Zeira, Alessandro Yoffe, Rivka Maoz, e Jacob Sagiv del Dipartimento di Materiali e Interfacce del Weizmann Institute of Science in Israele hanno sviluppato un approccio proof-of-concept per realizzare modelli di superficie conduttori di ioni progettati su misura utilizzando litografia costruttiva e monostrati autoassemblati di organosilano, applicabile a vari ioni metallici. Il loro lavoro è riportato in Materiali della natura .

La litografia costruttiva prevede una reazione ossidativa elettrochimica tra la punta di un microscopio conduttivo a forza atomica (AFM) e le molecole attaccate a un wafer di silicio, tipicamente come monostrati. Ciò consente un livello di precisione in cui è possibile selezionare quali molecole subiranno la reazione e quali no. In questo studio, monostrati di oganosilano costituiti da Si-Cl ₃ ancore, una spina dorsale di carbonio alifatico, e un metile (-CH ₃ ) gruppo terminale vengono ossidati selettivamente mediante litografia costruttiva. Il gruppo terminale metilico viene ossidato a gruppo terminale dell'acido carbossilico (-COOH), senza cambiare la spina dorsale e l'ancora.

La litografia costruttiva consente la creazione di punti di confine netti. Questi confini sono tra le regioni di superficie popolate da molecole con terminazione metilica e quelle popolate da molecole con terminazione di acido carbossilico. Gli elettrodi di un dato metallo possono essere posizionati sulle regioni superficiali terminanti con acido carbossilico in tali siti di confine, creando così un percorso carbossilico per il viaggio degli ioni.

Per il sistema modello iniziale in questa ricerca, Berson e Burshtain, et al. elettrodi d'argento (Ag) posizionati nei siti di confine, e poi corse d.c. tensione attraverso gli elettrodi, producendo così ioni d'argento mobili. Il loro obiettivo era vedere se l'Ag ⁺ gli ioni si coordinerebbero agli acidi carbossilici deprotonati, essenzialmente attraversando la lunghezza del percorso specificato dall'anodo al catodo senza l'uso di un elettrolita aggiunto.

La spettroscopia infrarossa in trasformata di Fourier (FTIR) ha verificato che il terminale mirato –CH ₃ gruppi convertiti in –COOH senza disturbare gli altri segmenti del monostrato. Per di più, Le letture FTIR sono state effettuate per un periodo di tempo mentre un d.c. è stata applicata una tensione da 1 mV a 100 mV. Ciò ha confermato che -COOH ha perso il suo protone formando il sale carbossilato d'argento. XPS ha confermato che gli ioni d'argento seguivano il percorso del carbossilato situato tra i due elettrodi e non interagivano con le molecole metilate. Gli studi sulla resistenza hanno chiarito il trasporto di ioni attraverso canali di lunghezze e larghezze variabili.

La stessa procedura è stata seguita con elettrodi in titanio invece di elettrodi in argento. Berson e Burshtain et al. osservato un sistema con elettrodi di titanio che fungono da anodo e catodo, e un sistema combinato con elettrodi in argento e titanio. FTIR ha confermato la presenza di Ti ⁴⁺ sulla superficie del sistema con elettrodi in titanio. Il sistema di elettrodi misti ha dimostrato che un catione può sostituire l'altro sulla superficie del carbossilato mentre compete per -COO disponibile ^- siti.

I grafici di Arrhenius del sistema argento e titanio indicano che un meccanismo di conduzione simile si verifica nel sistema a metallo misto rispetto al sistema a metallo singolo. C'è una differenza tra l'energia di attivazione del titanio rispetto all'argento, che gli autori ritengono sia probabilmente dovuto a Ti ⁴⁺ coordinando a quattro –COO ^- molecole rispetto ad Ag ⁺ coordinandosi a uno. Per di più, Ti ⁴⁺ il legame assume un carattere leggermente più covalente di Ag ⁺ .

Mentre gli studi di cui sopra sono stati condotti su macroscala, il passo successivo è stato vedere se il sistema modello avrebbe funzionato con configurazioni a nanocanali. Gli autori hanno costruito un sistema con due macrocanali separati da un nanocanale con elettrodi d'argento che risiedono nei macrocanali e un altro sistema in cui gli elettrodi d'argento erano su entrambi i lati di un nanocanale.

I calcoli della resistenza e le immagini AFM hanno indicato che il sistema con due macrocanali separati da un nanocanale si comportava in modo simile ai macrocanali. Però, quando gli elettrodi sono stati posizionati ai confini del nanocanale, un sottile film d'argento accumulato lungo il canale anziché al catodo, probabilmente a causa della maggiore densità di flusso di ioni nel sistema e quindi maggiori opportunità di nucleazione e successiva crescita di filamenti d'argento lungo il percorso del nanocanale.

Questa ricerca dimostra la capacità di personalizzare i canali conduttivi ionici utilizzando la litografia costruttiva su monostrati alchil silano. Questa tecnica è versatile in quanto i canali conduttivi possono ospitare diversi ioni mobili prodotti utilizzando metalli diversi possono essere utilizzati per gli elettrodi.

Secondo il dottor Sagiv, "Questa ricerca dimostra la possibile realizzazione di un tipo concettualmente nuovo di materiale ionico solido generico che può essere modellato canali conduttori di ioni con lunghezze predefinite, larghezze, e traiettorie, adatto per il trasporto pianificato di diversi cationi selezionati su distanze che abbracciano dimensioni da nanoscala a macroscala." Inoltre, afferma che le implicazioni più ampie di questa ricerca "dovrebbero consentire la fabbricazione di circuiti ionici progettati per compiti e interruttori ionici veloci applicabili in dispositivi futuri basati su nuove modalità di elaborazione e memorizzazione delle informazioni".

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