De veeleisende toepassingen van vandaag in de chemische productie, opwekking en opslag van energie, bestrijding van vervuiling, en gezondheidszorg stimuleren de ontwikkeling van nieuwe materialen met katalytische en opto-elektronische functionaliteiten. Echter, om de eigenschappen van dergelijke materialen te voorspellen en te controleren, wetenschappers hebben hun ontwikkelingsproces op moleculair niveau bestudeerd. Vaak, een gedetailleerd begrip wordt belemmerd door de aanwezigheid van een complexe en slecht gedefinieerde soep van toeschouwermoleculen die de interpretatie van experimentele resultaten bemoeilijken en theoretische modellering op hoog niveau bemoeilijken.

Om een ​​nieuwe benadering voor het overwinnen van deze uitdaging te benadrukken, wetenschappers van Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) en Purdue University werkten samen om de ion-zachte landingstechniek en de toepassing ervan op materiaalsynthese te beoordelen. Door deze techniek te gebruiken om geselecteerde moleculen voorzichtig op oppervlakken te plaatsen, kunnen wetenschappers uitstekende controle behouden over de moleculaire ingrediënten waaruit complexe materialen bestaan.

De inspanning werd onlangs opgenomen in een uitgenodigd overzichtsartikel in Angewandte Chemie International Edition getiteld "Van geïsoleerde ionen tot meerlaagse functionele materialen met behulp van ionen zachte landing."

In het overzichtsartikel Julia Laskin, Grant Johnson, Jonas Warneke, en Venkateshkumar "Venky" Prabhakaran beschrijven de aanpak en voordelen van de ion-zachte landingstechniek. Bijvoorbeeld, zo'n nauwkeurige controle wordt bereikt door eerst moleculen om te zetten in ionen, die gemakkelijk te manipuleren zijn met behulp van elektrische en magnetische velden. De ionen worden vervolgens nauwkeurig gesorteerd op hun samenstelling en ionische ladingstoestand en afgeleverd als een geconcentreerde straal van bekende vorm en grootte op een oppervlak om op maat gemaakte films en nanostructuren te maken. De resulterende materialen hebben vooraf bepaalde samenstellingen, waardoor hun gemeten fysische eigenschappen en chemische reactiviteit gemakkelijker kunnen worden toegeschreven aan specifieke geometrische en elektronische kenmerken die experimenteel zijn waargenomen. Dit, beurtelings, maakt theoretische modellering en een voorspellende - in tegenstelling tot een trial-and-errr - benadering van materiaalontwerp mogelijk.

"Door de zachte landing van ionen kunnen wetenschappers de samenstelling en dekking van een breed scala aan moleculen nauwkeurig controleren, inclusief niet-vluchtige soorten die anders moeilijk te deponeren zijn, " zei Johnson, een fysisch chemicus bij PNNL. Johnson zei dat de techniek ook kan worden gebruikt om nieuwe clusters en nanodeeltjes te genereren met behulp van energetische op sputteren gebaseerde technieken, evenals zeer reactieve tussenproducten die niet met conventionele methoden kunnen worden geproduceerd.

Deze wetenschappers werden uitgenodigd om de recensie te schrijven vanwege hun leidende rol bij het ontwikkelen van de techniek voor studies in energieopslag, synthese van materialen, en katalyse en hun substantiële bijdragen aan het bredere veld van ion-oppervlakte-interacties.

"We zijn al meer dan tien jaar gefascineerd door de techniek van zachte landingen met ionen, " zei Laskin, een chemieprofessor aan de Purdue University. "Door de jaren heen we hebben zowel de experimentele mogelijkheden als het begrip van de belangrijkste fenomenen vastgesteld die nodig zijn om het te ontwikkelen tot een krachtige benadering voor materiaalsynthese."

Het begrijpen van relaties tussen structuur en eigenschappen is essentieel voor het ontwerpen van verbeterde materialen voor toekomstige toepassingen. Een dergelijk begrip stelt onderzoekers in staat om de arbeidsintensieve, tijdrovend, en kostbare proefondervindelijke experimenten die anders nodig zijn om te onderzoeken hoe verschillende parameters de eigenschappen en prestaties van nieuwe materialen beïnvloeden. Structuur-eigenschap relaties zijn een uitdaging om te extraheren uit complexe mengsels waar de aanwezigheid van andere inactieve verbindingen de analytische respons van moleculen van belang verdoezelen. De ionenzachte landingstechniek zorgt voor goed gedefinieerde, hoogwaardige materialen zoals minuscule metaal- en metaaloxidedeeltjes van exacte grootte en samenstelling voor studies in heterogene katalyse en elektrochemische energieopslag (bijv. supercondensatoren en batterijen).

Onderzoekers van Pacific Northwest National Laboratory en Purdue University - Julia Laskin, Grant Johnson, Jonas Warneke, en Venkateshkumar "Venky" Prabhakaran - werden uitgenodigd om een ​​overzichtsartikel voor te bereiden op basis van hun jarenlange ervaring met het ontwikkelen van de ion-zachte landingstechniek voor studies in energieopslag, synthese van materialen, en katalyse. Het team, gepositioneerd en vastbesloten om door te gaan met het bevorderen van de ionenzachte landingstechniek tot een unieke benadering voor materiaalsynthese, selecteerde de inhoud van de recensie na het doorlezen van honderden artikelen van wetenschappers en collega's van nationale laboratoria en universiteiten over de hele wereld.

Hun recensieartikel in Internationale editie van Angewandte Chemie - een Journal of the Gesellshaft Deutscher Chemiker - benadrukte recente ontwikkelingen in zachte landingen in de omgeving, waardoor bepaalde voordelen van ionen zachte landing in vacuüm kunnen worden gereproduceerd op de laboratoriumtafel tegen lagere kosten en complexiteit.

Prabhakaran, een materiaalwetenschapper bij PNNL, zei dat het team ontdekte dat "zachte landing op basis van hoge flux in combinatie met in situ elektrochemische karakterisering een veelzijdige benadering vormt voor het begrijpen van de rol van verschillende actieve componenten op de prestaties van apparaten voor energieopslag."

In aanvulling, het team ontdekte dat de techniek inzicht kan geven in hoe de eigenschappen van moleculaire ionen bij hoge dekkingen kunnen worden gebruikt om de initiële morfologie en structurele evolutie van films met gecondenseerde fase aan te passen.

"We gebruikten zachte landing met hoge flux-ionen om voor het eerst fascinerende vloeistofachtige lagen op oppervlakken te genereren, " zei Warneke, een Humboldt Postdoctoral Fellow die speciaal vanuit Duitsland naar PNNL kwam om onderzoek te doen naar zachte landingen van ionen. Warneke verklaarde dat "het een ideaal hulpmiddel is voor het onderzoeken van de opkomende eigenschappen van lagen die grote aantallen clusters en complexe moleculen bevatten, die nieuwe perspectieven kan openen in de energiewetenschap en andere disciplines."

De volgende stap voor onderzoek naar zachte landingen van ionen is het controleren van de driedimensionale rangschikking van macroscopische structuren gevormd door massa-geselecteerde ionenafzetting. Door deze vooruitgang kunnen de eigenschappen van op ionen gebaseerde materialen nog nauwkeuriger worden aangepast.