Als een hoofdrolspeelster op de rode loper, nanodraden - die supersterren van nanotechnologie - kunnen worden verbeterd door een klein sieraad, te. Niet de variëteit met diamanten en parels, maar het soort gevormd uit kronkelige ketens van metaaloxide of edelmetaal nanodeeltjes.

Hoewel de wetenschap al enige tijd weet dat dergelijke versieringen het oppervlak aanzienlijk kunnen vergroten en de oppervlaktechemie van nanodraden kunnen veranderen, ingenieurs van Stanford University hebben een nieuwe en effectievere methode gevonden om nanodraden te "versieren" die eenvoudiger en sneller is dan eerdere technieken. De resultaten van hun onderzoek zijn onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters .

De ontwikkeling, zeggen de onderzoekers, zou ooit kunnen leiden tot betere lithium-ionbatterijen, efficiëntere dunnefilmzonnecellen en verbeterde katalysatoren die nieuwe synthetische brandstoffen opleveren.

Boomachtige structuren

"Je kunt het zien als een boom. De nanodraden zijn de stam, zeer goed in het transporteren van elektronen, zoals sap, maar beperkt in oppervlakte, " legde Xiaolin Zheng uit, een assistent-professor werktuigbouwkunde en senior auteur van de studie. "De toegevoegde nanodeeltjesversieringen, zoals we ze noemen, zijn als de takken en bladeren, die uitwaaieren en het oppervlak sterk vergroten."

Op nanoschaal is oppervlakte is van groot belang bij technische toepassingen zoals zonnecellen, batterijen en, vooral katalysatoren, waarbij de katalytische activiteit afhankelijk is van de beschikbaarheid van actieve plaatsen aan het oppervlak van het materiaal.

"Groter oppervlak betekent meer kans op reacties en dus betere katalytische mogelijkheden in, bijvoorbeeld, watersplitsende systemen die schone waterstofbrandstof produceren uit zonlicht, " zei Yunzhe Feng, een onderzoeksassistent in het laboratorium van Zheng en eerste auteur van de studie.

Andere toepassingen zoals het waarnemen van kleine concentraties chemicaliën in de lucht - van gifstoffen of explosieven, zou bijvoorbeeld ook kunnen profiteren van de grotere kans op detectie die mogelijk wordt gemaakt door een groter oppervlak.

Een vonk van een idee

De sleutel tot de ontdekking van het Stanford-team was een vlam. Ingenieurs wisten al lang dat nanodeeltjes aan nanodraden konden worden gehecht om het oppervlak te vergroten, maar de methoden om ze te maken waren niet erg effectief in het vormen van de felbegeerde poreuze nanodeeltjesketenstructuren. Deze andere methoden bleken te traag en resulteerden in een te dichte, dikke laag nanodeeltjes die de draden bedekken, weinig doen om het oppervlak te vergroten.

Zheng en haar team vroegen zich af of een snelle vlam misschien beter zou werken, dus probeerden ze het.

Zheng doopte de nanodraden in een op oplosmiddel gebaseerde gel van metaal en zout, droog ze vervolgens aan de lucht voordat u de vlam aanbrengt. Het in haar proces verbrandt het oplosmiddel in een paar seconden, waardoor de allerbelangrijkste nanodeeltjes kunnen kristalliseren tot takachtige structuren die uit de nanodraden uitwaaieren.

"We waren een beetje verrast door hoe goed het werkte, "zei Zheng. "Het presteerde prachtig."

Met behulp van geavanceerde microscopen en spectroscopen in het Stanford Nanocharacterization Laboratory, de ingenieurs konden hun creaties goed bekijken.

"Het creëerde deze ingewikkelde, haarachtige ranken gevuld met veel hoekjes en gaatjes, " zei Zheng. De met juwelen getooide nanodraden zien eruit als pijpreinigers. De resulterende structuur vergroot het oppervlak veel meer dan wat ervoor was, ze zei.

Dramatische prestaties, ongekende controle

"De prestatieverbeteringen zijn tot nu toe dramatisch geweest, " zei In Sun Cho, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Zheng en co-auteur van het artikel.

Zheng en team hebben de techniek de sol-flame-methode genoemd, voor de combinatie van oplosmiddel en vlam die de nanodeeltjesstructuren oplevert. De methode lijkt algemeen genoeg om met veel nanodraad- en nanodeeltjesmaterialen te werken en, misschien nog belangrijker, biedt een ongekende mate van technische controle bij het maken van de decoraties van nanodeeltjes.

De hoge temperatuur van de vlam en de korte gloeitijd zorgen ervoor dat de nanodeeltjes klein zijn en gelijkmatig over de nanodraden worden verdeeld. En, door de concentratie van nanodeeltjes in de voorloperoplossing te variëren en het aantal keren dat de draden worden gedompeld, het Stanford-team was in staat om de grootte van de nanodeeltjesdecoraties te variëren van tientallen tot honderden nanometers, en de dichtheid van tientallen tot honderden deeltjes per vierkante micrometer.

"Hoewel er meer onderzoek nodig is, een dergelijke precisie is van cruciaal belang en zou de bredere toepassing van het proces kunnen ondersteunen, " zei Zheng.