Het synthetiseren van materialen op nanoschaal vindt plaats in hightech laboratoria, waar wetenschappers in full-body pakken elke stofkorrel weghouden van hun gevoelige innovaties. Echter, wetenschappers van de Universiteit van Kiel bewezen dat dit niet altijd nodig is. Ze hebben met succes de ervaring van oven naar laboratorium kunnen overbrengen terwijl ze materialen op nanoschaal synthetiseren met behulp van eenvoudige en zeer efficiënte vlamtechnologie. Dit "bakken" van nanostructuren is al een groot succes met zinkoxide. De recente bevindingen concentreren zich op tinoxide, wat een breed veld van mogelijke nieuwe toepassingen opent. De materiaalwetenschappers publiceerden hun laatste onderzoeksgegevens in het nummer van vandaag (vrijdag, 5 juni) van het gerenommeerde wetenschappelijke tijdschrift Advanced Electronic Materials.

Metaaloxiden in bulkvorm zijn over het algemeen bros, wat hun gewenste gebruik beperkt. Hun eendimensionale (1D) structuren, zoals riemachtige nanostructuren, vertonen veel meer toepassingspotentieel vanwege hun hoge oppervlakte-tot-volumeverhouding. Deze verhouding veroorzaakt buitengewone fysische en chemische eigenschappen, inclusief een hoge mate van buigzaamheid. "Echter, 1D-nanostructuren zijn nog steeds moeilijk te gebruiken, omdat het integreren ervan in echte apparaten een uitdagende taak is. Om dit probleem op te lossen, we hebben driedimensionaal (3D) macroscopisch materiaal ontwikkeld uit 1D-tinoxidebandachtige nanostructuren. De resulterende keramische netwerken vertonen de meeste eigenschappen op nanoschaal, inclusief flexibiliteit. Het kan dus vrij worden gebruikt voor elke gewenste toepassing. We zijn erg blij dat onze onlangs geïntroduceerde vlamtransportsynthesemethode op basis van zinkoxide nu de eenvoudige synthese van onderling verbonden 3D-netwerken uit tinoxide mogelijk maakt", zegt dr. Yogendra Kumar Mishra, groepsleider van de werkgroep "Functionele Nanomaterialen" aan de Universiteit van Kiel, en hoofdauteur van de studie.

"Het fascinerende is de structuur van de enkele riemachtige nanostructuren die door deze synthese worden geleverd op basis van de kristalstructuur van tinoxide. In tegenstelling tot keramiek geproduceerd met zinkoxide, wat leidt tot zeer korte tetrapod-structuren, tinoxide geeft lang, platte constructies. Ze zijn net als fettucine", vergelijkt professor Rainer Adelung, Voorzitter van de groep Functionele Nanomaterialen. "En deze lange platte noedels groeien op een heel specifieke manier aan elkaar:in de oven die wordt gebruikt voor de synthese, temperaturen blijven net onder het smeltpunt van tinoxide. Dus, de noedels vinden specifieke verbindingspunten door kinetiek in plaats van thermodynamica. Elke kruising wordt in een goed gedefinieerde hoek gedwongen volgens strikte geometrische principes, die zijn gebaseerd op zogenaamde twinning-defecten, zoals verder bevestigd door simulatiestudies", voegt professor Lorenz Kienle toe, Voorzitter van de Synthese en Real Structure groep. Het structurele ontwerp van het tinoxide 3D-netwerk, wat betekent de samengegroeide noedels, werd in detail onderzocht met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie.

"De 3D-netwerken van tinoxide vertonen interessante eigenschappen, zoals elektrisch geleidend, stabiel op hoge temperatuur, zeer zachte en rekbare architectuur, en zou dus interessant kunnen zijn voor verschillende technologische toepassingen", zegt dr. Mishra. Bijvoorbeeld, er is al een draagbaar elektronisch detectieapparaat gefabriceerd. En, volgens Misra, het toont een aanzienlijk potentieel voor toepassingen met UV-licht of gasdetectie. "Tot nu, we hebben detectietoepassingen getest. Andere mogelijke toepassingen kunnen ook flexibele en rekbare elektronische apparaten zijn, lichtgevende actuatoren, batterijen, slimme doeken of offersjablonen voor de groei van nieuwe materialen." Dit werk is uitgevoerd in samenwerking met professor Ion Tiginyanu en zijn teamleden van de Technische Universiteit van Moldavië, Moldavië.

De drie Kiel-wetenschappers weten:"Ontwikkeling van dergelijke 3D-netwerkmaterialen uit tinoxide, met geometriebepalende defecten gemaakt door vlamtransportsynthese aan de Kiel University is een zeer interessante stap voorwaarts in de toekomst van de groei en toepassingen van nanostructuren."