Per creare catalizzatori più efficienti, membrana di rilevamento e separazione, e dispositivi di accumulo di energia, gli scienziati spesso iniziano con particelle contenenti piccoli canali porosi. Difetti tra le particelle possono ostacolare le prestazioni. Al Pacific Northwest National Laboratory, un team ha creato un metodo one-pot che produce complessi, piramidi microscopiche ben strutturate. Questo approccio offre un controllo sulla crescita del materiale tridimensionale simile a quello visto in natura, un punto di riferimento fondamentale per la sintesi dei materiali.

"È relativamente facile coltivare strati sottili di materiale, " ha detto la dottoressa Maria Sushko, uno scienziato dei materiali del PNNL che ha lavorato allo studio. "Ora, possiamo far crescere cristalli tridimensionali supportati che hanno anche una struttura ordinata più grande all'interno:un cristallo all'interno di un cristallo".

I materiali di stoccaggio dell'energia più efficienti potrebbero essere il modo in cui utilizziamo l'energia rinnovabile. Catalizzatori più efficienti, sensori, e separatori che durano più a lungo e lavorano di più potrebbero ridurre la domanda di energia e gli sprechi degli impianti di produzione e delle raffinerie. Queste tecnologie richiedono materiali innovativi, e la tecnica del team offre un nuovo modo per crearli. Ora, gli scienziati possono far crescere strutture tridimensionali ben definite su una superficie in un unico passaggio. La coltivazione di un materiale direttamente sulla superficie elimina i passaggi per testare nuove idee per elettrodi o catalizzatori.

Nei termini più semplici, l'approccio del team sfrutta una relazione tra l'ordinamento atomico di un substrato di silicio, struttura del modello organico, e struttura atomica del silicato di sodio. Quando molecole organiche e un precursore di silicato di sodio vengono combinati nelle giuste proporzioni e la soluzione viene riscaldata in presenza della superficie di silicio, il substrato di silicio dirige l'autoassemblaggio del modello lungo una specifica direzione cristallografica. Il modello dirige la formazione di silicato di sodio lungo la stessa direzione cristallografica del substrato, assicurando un accoppiamento reticolare quasi perfetto tra silicio e silicato di sodio.

Dopo una serie di trasformazioni, il modello organico forma una serie di micelle sferiche ben definite di diversi nanometri di diametro. Le micelle sono disposte in un reticolo cubico e incapsulate in silicato di sodio. Il risultato è una serie di piramidi porose ordinate orientate con un reticolo cubico di pori ben definito, confermato dai microscopi elettronici dell'EMSL del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), una struttura per utenti scientifici.

In natura, le proteine ​​dirigono la crescita di strutture complesse, come conchiglie, smalto osseo e dentale. Il nuovo approccio del team fornisce un controllo preciso sull'architettura dei materiali simile a quello visto in natura. Gli scienziati possono variare la struttura e le dimensioni delle particelle. Il loro sistema fa diverse strutture, con diverse dimensioni e composizioni, come necessario. Questo livello di controllo in laboratorio è un punto di riferimento significativo per la sintesi dei materiali.

La tecnica del team è un'importante aggiunta ai metodi di sintesi di strutture tridimensionali supportate. Il team sta esplorando modi per espandere questa tecnica oltre il silicato di sodio ad altri materiali.