(PhysOrg.com) -- Voor katalysatoren in brandstofcellen en elektroden in batterijen, ingenieurs willen metaalfilms maken die poreus zijn, om meer oppervlakte beschikbaar te maken voor chemische reacties, en zeer geleidend, om de elektriciteit af te voeren. Dat laatste was een frustrerende uitdaging.

Maar Cornell-chemici hebben nu een manier ontwikkeld om poreuze metaalfilms te maken met maximaal 1, 000 keer de elektrische geleidbaarheid van eerdere methoden. Hun techniek opent ook de deur naar het creëren van een breed scala aan metalen nanostructuren voor technische en biomedische toepassingen, aldus de onderzoekers.

De resultaten van meerdere jaren van experimenteren worden beschreven op 18 maart online editie van het tijdschrift Natuurmaterialen .

"We hebben een ongekend niveau van controle over de samenstelling bereikt, nanostructuur en functionaliteit -- bijvoorbeeld geleidbaarheid -- van de resulterende materialen, allemaal met een eenvoudige 'one-pot' mix-and-heat-aanpak, " zei senior auteur Ulrich Wiesner, de Spencer T. Olin hoogleraar techniek.

De nieuwe methode bouwt voort op het "sol-gel-proces, " al bekend bij chemici. Bepaalde verbindingen van silicium gemengd met oplosmiddelen zullen zichzelf assembleren tot een structuur van siliciumdioxide (d.w.z. glas) honingraatvormig met poriën op nanometerschaal. De uitdaging voor de onderzoekers was om metaal toe te voegen om een ​​poreuze structuur te creëren die elektriciteit geleidt.

Ongeveer 10 jaar geleden, Wiesners onderzoeksgroep, in samenwerking met het Cornell Fuel Cell Institute, probeerde het sol-gel-proces te gebruiken met de katalysatoren die protonen van brandstofmoleculen trekken om elektriciteit op te wekken. Ze hadden materialen nodig die hoge stroom zouden kunnen doorlaten, maar het toevoegen van meer dan een kleine hoeveelheid metaal verstoorde het sol-gel proces, verklaarde Scott Warren, eerste auteur van de Natuurmaterialen papier.

Warren, die toen een Ph.D. student in de groep van Wiesner en is nu onderzoeker aan de Northwestern University, op het idee kwamen om een ​​aminozuur te gebruiken om metaalatomen te koppelen aan silicamoleculen, omdat hij zich had gerealiseerd dat het ene uiteinde van het aminozuurmolecuul affiniteit heeft voor silica en het andere uiteinde voor metalen.

"Als er een manier was om het metaal direct aan de silica sol-gel-precursor te hechten, dan zouden we deze fasescheiding, die het zelfassemblageproces verstoort, voorkomen. " hij legde uit.

Het directe resultaat is een nanostructuur van metaal, silica en koolstof, met veel meer metaal dan voorheen mogelijk was, sterk toenemende geleidbaarheid. De silica en koolstof kunnen worden verwijderd, poreus metaal achterlatend. Maar een silica-metaalstructuur zou zijn vorm behouden bij de hoge temperaturen die in sommige brandstofcellen worden aangetroffen, Warren merkte op, en het verwijderen van alleen het silica om een ​​koolstof-metaalcomplex achter te laten, biedt andere mogelijkheden, inclusief grotere poriën.

De onderzoekers rapporteren een breed scala aan experimenten die aantonen dat hun proces kan worden gebruikt om "een bibliotheek van materialen te maken met een hoge mate van controle over samenstelling en structuur". Ze hebben structuren gebouwd van bijna elk metaal in het periodiek systeem, en met extra chemie kunnen de afmetingen van de poriën worden "afgestemd" in een bereik van 10 tot 500 nanometer. Ze hebben ook met metaal gevulde nanodeeltjes van silica gemaakt die klein genoeg zijn om door mensen te worden ingenomen en uitgescheiden. met mogelijke biomedische toepassingen. De groep van Wiesner staat ook bekend om het creëren van "Cornell dots, " die kleurstoffen inkapselen in nanodeeltjes van silica, dus een mogelijke toekomstige toepassing van het sol-gel-proces zou kunnen zijn om Graetzel-zonnecellen te bouwen, die lichtgevoelige kleurstoffen bevatten. Michael Graetzel van de École Polytechnique Fédérale de Lausanne en innovator van de Graetzel-cel is een co-auteur van het nieuwe artikel. De meting van de record-setting elektrische geleidbaarheid werd uitgevoerd in zijn laboratorium.

Het onderzoek is ondersteund door het ministerie van Energie en, via verschillende kanalen, de Nationale Wetenschapsstichting.