La semplice diffusione di goccioline contenenti componenti molecolari sulla superficie dell'acqua porta alla formazione spontanea di nanostrutture ad altissima conduzione elettrica. Credito:Rie Makiura, Università della Prefettura di Osaka
Olio e acqua non si mescolano, ma cosa succede dove olio e acqua si incontrano? O dove l'aria incontra il liquido? A queste interfacce si verificano reazioni uniche, che un team di ricercatori con sede in Giappone ha utilizzato per sviluppare la prima costruzione di successo di nanosheet uniformi ed elettricamente conduttivi necessari per i sensori di prossima generazione e le tecnologie di produzione di energia.
La collaborazione di ricerca dell'Università della Prefettura di Osaka, del Japan Synchrotron Radiation Research Institute e dell'Università di Tokyo ha pubblicato il loro approccio il 28 ottobre in ACS Applied Materials &Interfaces .
"Sappiamo da molto tempo che l'olio forma una pellicola ampia e uniforme sulla superficie dell'acqua:la comprensione e l'utilizzo di questo fenomeno familiare potrebbe portare a processi di risparmio energetico", ha affermato l'autore corrispondente Rie Makiura, professore associato presso il Dipartimento di scienza dei materiali , Università della Prefettura di Osaka. "Utilizzando una combinazione di materie prime con un'interfaccia simile, siamo riusciti a creare materiali funzionali con nanostrutture tridimensionali avanzate che conducono elettricità".
Questi materiali sono strutture metallo-organiche, microporose e composte da ioni metallici e leganti organici altamente organizzati. Chiamati MOF, hanno una miriade di potenziali applicazioni dalle nanotecnologie alle scienze della vita, secondo Makiura, ma una proprietà non realizzata li trattiene dall'uso realizzato:la maggior parte dei MOF fabbricati non conduce bene l'elettricità.
"Al fine di utilizzare le caratteristiche superiori dei MOF conduttivi in applicazioni come sensori e dispositivi energetici, la fabbricazione e l'integrazione di film ultrasottili con dimensione dei pori definita, direzione di crescita ben controllata e spessore del film sono una necessità e sono stati attivamente ricercati", disse Makiura.
La maggior parte del precedente sviluppo di film sottili MOF prevede l'esfoliazione di strati da cristalli più grandi e il loro posizionamento su un substrato. Secondo Makiura, tuttavia, questo processo è complicato e spesso si traduce in fogli spessi, non uniformi e non altamente conduttivi. Per sviluppare nanosheet conduttivi ultrasottili e uniformi, lei e il suo team hanno deciso di capovolgere l'approccio.
Hanno iniziato a diffondere una soluzione contenente leganti organici su una soluzione acquosa di ioni metallici. Una volta a contatto, le sostanze iniziano ad assemblare i loro componenti in una disposizione esagonale. Per oltre un'ora, la disposizione è continuata mentre i nanosheet si formano dove il liquido e l'aria si incontrano. Dopo il completamento della formazione dei nanosheet, i ricercatori hanno utilizzato due barriere per comprimere i nanosheet in uno stato più denso e continuo.
È un approccio semplificato per produrre nanofogli incredibilmente sottili con strutture cristalline altamente organizzate, secondo Makiura. I ricercatori hanno confermato la struttura uniforme tramite analisi microscopiche e cristallografiche a raggi X. I cristalli visualizzati strettamente ordinati indicavano anche le proprietà elettriche del materiale, poiché i cristalli erano a contatto uniformemente in ogni foglio, il che facilitava anche uno stretto contatto tra i fogli. I ricercatori hanno testato questo trasferendo nanosheet su un substrato di silicio, aggiungendo elettrodi d'oro e misurando la conduttività.
"Sebbene non sia stato facile valutare le pellicole ultrasottili, siamo stati felicissimi quando siamo stati in grado di dimostrare che aveva una nanostruttura tridimensionale e un'elevata conduttività elettrica", ha affermato il primo autore Takashi Ohata, uno studente di dottorato supervisionato da Makiura.
I ricercatori stanno ora studiando come vari parametri influenzano la morfologia dei nanosheet, con l'obiettivo di sviluppare una metodologia controllabile e sintonizzabile per creare nanosheet di alta qualità con proprietà elettroniche mirate.
"Il nostro versatile e semplice assemblaggio dal basso verso l'alto di componenti di costruzione molecolare adeguati all'interfaccia aria/liquido in un'architettura estesa realizza la creazione di un nanofoglio cristallino elettricamente conduttivo perfettamente orientato", ha affermato Makiura. "La nuova scoperta migliora ulteriormente il potenziale della sintesi interfacciale aria/liquido per creare un'ampia varietà di nanofogli per un uso reale in molte potenziali applicazioni, inclusi dispositivi e catalizzatori per la creazione di energia". + Esplora ulteriormente
