Una tecnica semplice per produrre nanofili di ossido direttamente da materiali sfusi potrebbe ridurre drasticamente il costo di produzione delle nanostrutture unidimensionali (1D). Ciò potrebbe aprire la porta a un'ampia gamma di usi nei compositi strutturali leggeri, sensori avanzati, dispositivi elettronici - e membrane della batteria termicamente stabili e resistenti in grado di resistere a temperature superiori a 1, 000 gradi Celsius.

La tecnica utilizza una reazione solvente con una lega bimetallica - in cui uno dei metalli è reattivo - per formare fasci di nanofili (nanofibre) dopo la dissoluzione del metallo reattivo. Il processo viene condotto a temperatura e pressione ambiente senza l'utilizzo di catalizzatori, sostanze chimiche tossiche o processi costosi come la deposizione di vapore chimico. I nanofili prodotti possono essere utilizzati per migliorare l'elettrico, proprietà termiche e meccaniche di materiali funzionali e compositi.

La ricerca, che dovrebbe essere riportato questa settimana sul giornale Scienza , è stato sostenuto dalla National Science Foundation e dalla Sila Nanotechnologies con sede in California. Si ritiene che il processo sia il primo a convertire polveri sfuse in nanofili in condizioni ambientali.

"Questa tecnica potrebbe aprire la porta a una serie di opportunità di sintesi per produrre nanomateriali 1D a basso costo in grandi quantità, " ha detto Gleb Yushin, un professore alla Scuola di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso il Georgia Institute of Technology. "Puoi essenzialmente mettere i materiali sfusi in un secchio, riempirlo con un solvente adatto e raccogliere i nanofili dopo poche ore, che è molto più semplice di quante di queste strutture vengono prodotte oggi".

Il gruppo di ricerca di Yushin, che comprendeva gli ex studenti laureati Danni Lei e James Benson, ha prodotto nanofili di ossido da leghe di litio-magnesio e litio-alluminio utilizzando una varietà di solventi, compresi gli alcoli semplici. La produzione di nanofili da altri materiali fa parte della ricerca in corso che non è stata riportata nel documento.

Le dimensioni delle strutture dei nanofili possono essere controllate variando il solvente e le condizioni di lavorazione. Le strutture possono essere prodotte in diametri che vanno da decine di nanometri fino a micron.

"La minimizzazione dell'energia interfacciale al confine del fronte di reazione chimica ci permette di formare piccoli nuclei e quindi di mantenere il loro diametro mentre la reazione procede, formando così nanofili, " Yushin ha spiegato. "Controllando i cambiamenti di volume, energia superficiale, reattività e solubilità dei prodotti di reazione, insieme alla temperatura e alla pressione, possiamo mettere a punto le condizioni per produrre nanofili delle dimensioni che vogliamo."

Una delle applicazioni interessanti potrebbero essere le membrane separatrici per batterie agli ioni di litio, la cui elevata densità di potenza li ha resi attraenti per alimentare qualsiasi cosa, dall'elettronica di consumo agli aerei e ai veicoli a motore. Però, le membrane di separazione polimeriche utilizzate in queste batterie non possono resistere alle alte temperature generate da determinati scenari di guasto. Come risultato, le batterie commerciali possono provocare incendi ed esplosioni, se non progettato con molta attenzione ed è estremamente difficile evitare difetti ed errori in modo coerente in decine di milioni di dispositivi.

L'utilizzo di membrane simili alla carta a basso costo realizzate con nanofili ceramici potrebbe aiutare a risolvere questi problemi perché le strutture sono forti e termicamente stabili, pur essendo flessibile, a differenza di molte ceramiche sfuse. Il materiale è anche polare, il che significa che sarebbe più completamente bagnato da varie soluzioni di elettroliti della batteria.

"Globale, questa è una tecnologia migliore per le batterie, ma fino ad ora, i nanofili di ceramica sono stati troppo costosi per essere presi seriamente in considerazione, " Yushin ha detto. "In futuro, possiamo migliorare ulteriormente le proprietà meccaniche e aumentare la sintesi, rendendo la tecnologia dei separatori ceramici a basso costo molto interessante per i progettisti di batterie."

La fabbricazione dei nanofili inizia con la formazione di leghe composte da un metallo reattivo e uno non reattivo, come litio e alluminio (o magnesio e litio). La lega viene quindi posta in un opportuno solvente, che potrebbe includere una gamma di alcoli, come l'etanolo. Il metallo reattivo (litio) si dissolve dalla superficie nel solvente, producendo inizialmente nuclei (nanoparticelle) comprendenti alluminio.

Sebbene l'alluminio sfuso non sia reattivo con l'alcol a causa della formazione dello strato di passivazione, la continua dissoluzione del litio impedisce la passivazione e permette la graduale formazione di nanofili di alcossido di alluminio, che crescono perpendicolarmente alla superficie delle particelle partendo dai nuclei fino alla completa conversione delle particelle. I nanofili di alcossido possono quindi essere riscaldati all'aria aperta per formare nanofili di ossido di alluminio e possono essere formati in fogli simili a carta.

Il litio disciolto può essere recuperato e riutilizzato. Il processo di dissoluzione genera gas idrogeno, che potrebbe essere catturato e utilizzato per alimentare la fase di riscaldamento.

Sebbene il processo sia stato studiato prima per realizzare nanofili di magnesio e ossido di alluminio, Yushin crede che abbia un ampio potenziale per la produzione di altri materiali. Il lavoro futuro esplorerà la sintesi di nuovi materiali e le loro applicazioni, e sviluppare una migliore comprensione fondamentale del processo e modelli predittivi per semplificare il lavoro sperimentale.

I ricercatori hanno finora prodotto quantità di laboratorio dei nanofili, ma Yushin ritiene che il processo potrebbe essere ampliato per produrre quantità industriali. Though the ultimate cost will depend on many variables, he expects to see fabrication costs cut by several orders of magnitude over existing techniques.

"With this technique, you could potentially produce nanowires for a cost not much more than that of the raw materials, " he said. Beyond battery membranes, the nanowires could be useful in energy harvesting, supporti catalizzatori, sensori, flexible electronic devices, lightweight structural composites, materiali da costruzione, electrical and thermal insulation and cutting tools.

The new technique was discovered accidentally while Yushin's students were attempting to create a new porous membrane material. Instead of the membrane they had hoped to fabricate, the process generated powders composed of elongated particles.

"Though the experiment didn't produce what we were looking for, I wanted to see if we could learn something from it anyway, " said Yushin. Efforts to understand what had happened ultimately led to the new synthesis technique.

In addition to those already named, the research included Alexandre Magaskinski of Georgia Tech and Gene Berdichevsky of Sila Nanotechnologies.