(Phys.org)—Nanoionics is een subgebied van nanotechnologie dat zich bezighoudt met fenomenen op nanoschaal waarbij migratie van ionen in vaste stoffen betrokken is. Zo ver, echter, de opsluiting van ionenstromen tot vooraf gedefinieerde paden op een manier die lijkt op de beweging van elektronen in draden van elektronische geleiders is niet onderzocht.

Daartoe, Jonathan Berson, Doron Burshtain, Assaf Zeira, Alexander Joffe, Rivka Maoz, en Jacob Sagiv van het Department of Materials and Interfaces van het Weizmann Institute of Science in Israël hebben een proof-of-concept-benadering ontwikkeld voor het maken van op maat ontworpen ionengeleidende oppervlaktepatronen met behulp van constructieve lithografie en organosilaan zelf-geassembleerde monolagen, toepasbaar op verschillende metaalionen. Hun werk wordt gerapporteerd in Natuurmaterialen .

Constructieve lithografie omvat een elektrochemische oxidatieve reactie tussen een geleidende atoomkrachtmicroscoop (AFM) punt en de moleculen die aan een siliciumwafel zijn bevestigd, meestal als monolagen. Dit zorgt voor een precisieniveau waarin men kan selecteren welke moleculen de reactie zullen ondergaan en welke niet. In dit onderzoek, oganosilaan monolagen bestaande uit Si-Cl ₃ ankers, een alifatische koolstofruggengraat, en een methyl (-CH ₃ ) eindgroepen worden selectief geoxideerd met behulp van constructieve lithografie. De methylterminale groep wordt geoxideerd tot een carbonzuurterminale groep (-COOH), zonder de ruggengraat en het anker te veranderen.

Constructieve lithografie maakt het mogelijk om scherpe grenspunten te creëren. Deze grenzen liggen tussen oppervlaktegebieden die worden bevolkt door moleculen met eindstandige methylgroepen en die gebieden die worden bevolkt door moleculen met eindstandige carbonzuren. Elektroden van een bepaald metaal kunnen op de met carbonzuur eindigende oppervlaktegebieden op dergelijke grensplaatsen worden geplaatst, dus het opzetten van een carboxylische route voor ionen om te reizen.

Voor het initiële modelsysteem in dit onderzoek, Berson en Burshtain, et al. geplaatste zilveren (Ag) elektroden op grensplaatsen, en liep toen d.c. spanning door de elektroden, waardoor mobiele zilverionen worden geproduceerd. Hun doel was om te zien of de Ag ⁺ ionen zouden coördineren met de gedeprotoneerde carbonzuren, in wezen over de lengte van de gespecificeerde route van anode naar kathode zonder het gebruik van een toegevoegde elektrolyt.

Fourier Transform Infrarood spectroscopie (FTIR) heeft geverifieerd dat de beoogde terminal –CH ₃ groepen omgezet in -COOH zonder de andere segmenten van de monolaag te verstoren. Verder, FTIR-aflezingen werden gedurende een tijdsperiode genomen terwijl een d.c. spanning van 1 mV tot 100 mV werd toegepast. Dit bevestigde dat –COOH zijn proton verloor en het zilvercarboxylaatzout vormde. XPS bevestigde dat de zilverionen de carboxylaatroute volgden die zich tussen de twee elektroden bevond en geen interactie aangingen met de methyl-getermineerde moleculen. Resistentiestudies hebben het transport van ionen over kanalen van verschillende lengtes en breedtes opgehelderd.

Dezelfde procedure werd gevolgd met titaniumelektroden in plaats van zilverelektroden. Berson en Burshtain et al. keek naar een systeem met titaniumelektroden die dienst deden als anode en kathode, en een combinatiesysteem met zilver- en titaniumelektroden. FTIR bevestigde de aanwezigheid van Ti ⁴⁺ op het oppervlak van het systeem met titaniumelektroden. Het gemengde elektrodesysteem toonde aan dat het ene kation het andere op het carboxylaatoppervlak kan vervangen terwijl het concurreert om beschikbare -COO ^- plaatsen.

Arrhenius-grafieken van het zilver- en titaniumsysteem geven aan dat een vergelijkbaar geleidingsmechanisme optreedt in het gemengde metaalsysteem in vergelijking met het enkelvoudige metaalsysteem. Er is een verschil tussen de activeringsenergie van titanium in vergelijking met zilver, waarvan de auteurs denken dat het waarschijnlijk te wijten is aan Ti ⁴⁺ coördineren tot vier –COO ^- moleculen in vergelijking met Ag ⁺ coördineren tot één. Verder, Ti ⁴⁺ binding krijgt een iets meer covalent karakter dan Ag ⁺ .

Hoewel de bovengenoemde studies op macroschaal werden uitgevoerd, de volgende stap was om te kijken of het modelsysteem zou werken met nanokanaalconfiguraties. De auteurs construeerden een systeem met twee macrokanalen die werden gescheiden door een nanokanaal met zilverelektroden in de macrokanalen en een ander systeem waarin de zilverelektroden aan weerszijden van een nanokanaal waren.

Weerstandsberekeningen en AFM-beelden gaven aan dat het systeem met twee macrokanalen gescheiden door een nanokanaal zich op dezelfde manier gedroeg als de macrokanalen. Echter, toen de elektroden op de grenzen van het nanokanaal werden geplaatst, een dunne laag zilver die zich ophoopt langs het kanaal in plaats van bij de kathode, waarschijnlijk vanwege een hogere fluxdichtheid van ionen in het systeem en daarom meer kans op nucleatie en daaropvolgende zilverfilamentgroei langs de nanokanaalroute.

Dit onderzoek toont het vermogen aan om ionengeleidende geleidende kanalen op maat te maken met behulp van constructieve lithografie op alkylsilaanmonolagen. Deze techniek is veelzijdig omdat de geleidende kanalen verschillende mobiele ionen kunnen bevatten die worden geproduceerd door verschillende metalen te gebruiken voor de elektroden.

Volgens Dr. Sagiv, "Dit onderzoek demonstreert de mogelijke realisatie van een conceptueel nieuw type generiek vast ionisch materiaal dat de vorm kan hebben van ion-iongeleidende kanalen met vooraf gedefinieerde lengtes, breedtes, en trajecten, geschikt voor gepland transport van verschillende geselecteerde kationen over afstanden van nanoschaal-naar-macroschaaldimensies." hij zegt dat de bredere implicaties van dit onderzoek "naar verwachting de fabricage mogelijk zullen maken van taak-ontworpen ionische circuits en snelle ionische schakelaars die toepasbaar zijn in toekomstige apparaten op basis van nieuwe vormen van informatieverwerking en opslag."

© 2015 Fys.org