I ricercatori della Brown University hanno scoperto un nuovo metodo per realizzare fogli di ossido di metallo ultrasottili contenenti intricati motivi di rughe e pieghe. In uno studio pubblicato sulla rivista ACS Nano , i ricercatori mostrano che i film testurizzati di ossido di metallo hanno prestazioni migliori se usati come fotocatalizzatori e come elettrodi per batterie.

Le nuove scoperte si basano sul lavoro precedente svolto dallo stesso gruppo di ricerca in cui hanno sviluppato un metodo per introdurre rughe finemente sintonizzate e texture accartocciate in fogli di ossido di grafene nanomateriale. Lo studio ha mostrato che il processo ha migliorato alcune delle proprietà del grafene. Le trame hanno reso il grafene più in grado di respingere l'acqua, che sarebbe utile nella realizzazione di rivestimenti resistenti all'acqua, e una maggiore capacità del grafene di condurre elettricità.

I ricercatori pensavano che strutture simili potessero migliorare le proprietà di altri materiali, in particolare gli ossidi metallici, ma c'è un problema. Per introdurre strutture di rughe e accartocciamenti nel grafene, il team ha compresso i fogli più volte in più orientamenti. Quel processo non funzionerà per gli ossidi metallici.

"Gli ossidi metallici sono troppo rigidi, " disse Po-Yen Chen, un ricercatore post-dottorato Hibbitt presso la Brown's School of Engineering che ha guidato il lavoro. "Se provi a comprimerli, si spezzano".

Allora Chen, lavorando con i laboratori di Robert Hurt e Ian Y. Wong, entrambi professori di ingegneria alla Brown, ha sviluppato un metodo per utilizzare i fogli di grafene accartocciati come modelli per realizzare film accartocciati di ossido di metallo.

"Abbiamo dimostrato che possiamo trasferire quelle caratteristiche superficiali dal grafene agli ossidi metallici, " disse Chen.

Il team ha iniziato creando pile di fogli di grafene accartocciati utilizzando il metodo che avevano sviluppato in precedenza. Hanno depositato il grafene su un substrato polimerico che si restringe quando riscaldato. Man mano che il substrato si restringe, comprime il grafene che si trova sopra, creando strutture di rughe o accartocciate. Il substrato viene quindi rimosso, lasciando dietro di sé fogli indipendenti di grafene accartocciato. Il processo di compressione può essere eseguito più volte, creando strutture sempre più complesse. Il processo consente anche il controllo di quali tipi di trame si formano. Fissare il film termoretraibile sui lati opposti e restringerlo in una sola direzione crea pieghe periodiche. Il restringimento in tutte le direzioni crea accartocciamenti. Questi restringimenti possono essere eseguiti più volte in più configurazioni per creare un'ampia varietà di trame.

Per trasferire questi modelli su ossidi metallici, Chen ha posto le pile di fogli di grafene spiegazzati in una soluzione a base d'acqua contenente ioni metallici caricati positivamente. Il grafene caricato negativamente ha tirato quegli ioni negli spazi tra i fogli. Le particelle legate insieme all'interno dello spazio intercalare, creando sottili fogli di metallo che seguivano i modelli di rughe del grafene. Il grafene è stato quindi ossidato via, lasciando i fogli di ossido di metallo spiegazzato. Chen ha mostrato che il processo funziona con una varietà di ossidi metallici:zinco, alluminio, manganese e ossidi di rame.

Una volta realizzati i materiali, i ricercatori li hanno poi testati per vedere se, come nel caso del grafene, le superfici strutturate hanno esaltato le proprietà degli ossidi metallici.

Hanno mostrato che l'ossido di manganese rugoso, quando utilizzato come elettrodo per batterie, aveva una capacità di carico quattro volte superiore a quella di un foglio planare. Probabilmente è perché le creste delle rughe danno agli elettroni un percorso definito da seguire, consentendo al materiale di trasportarne più alla volta, dicono i ricercatori.

Il team ha anche testato la capacità dell'ossido di zinco accartocciato di eseguire una reazione fotocatalitica, riducendo un colorante disciolto in acqua sotto la luce ultravioletta. L'esperimento ha mostrato che il film di ossido di zinco accartocciato è quattro volte più reattivo di un film planare. Ciò è probabilmente dovuto al fatto che i film accartocciati hanno una superficie maggiore, che danno al materiale siti più reattivi, disse Chen.

Oltre a migliorare le proprietà dei metalli, Chen sottolinea che il processo rappresenta anche un modo per realizzare film sottili con materiali che normalmente non si prestano a configurazioni ultrasottili.

"Utilizzando il confinamento del grafene, possiamo guidare l'assemblaggio e la sintesi di materiali in due dimensioni, " ha detto. "Sulla base di ciò che abbiamo appreso dalla realizzazione dei film di ossido di metallo, possiamo iniziare a pensare di utilizzare questo metodo per creare nuovi materiali 2D che altrimenti sarebbero instabili in una soluzione bulk. Ma con il nostro metodo di confinamento, pensiamo che sia possibile".