Onderzoekers van Brown University hebben een nieuwe methode gevonden voor het maken van ultradunne metaaloxidevellen met ingewikkelde rimpel- en kreukelpatronen. In een studie gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano , de onderzoekers laten zien dat de getextureerde metaaloxidefilms betere prestaties leveren als ze worden gebruikt als fotokatalysatoren en als batterijelektroden.

De nieuwe bevindingen bouwen voort op eerder werk van dezelfde onderzoeksgroep waarin ze een methode ontwikkelden voor het introduceren van fijn afgestemde rimpel- en kreukeltexturen in vellen van het nanomateriaal grafeenoxide. De studie toonde aan dat het proces sommige eigenschappen van grafeen verbeterde. De texturen maakten het grafeen beter in staat om water af te stoten, die nuttig zou zijn bij het maken van waterbestendige coatings, en verbeterd vermogen van grafeen om elektriciteit te geleiden.

De onderzoekers dachten dat vergelijkbare structuren de eigenschappen van andere materialen, met name metaaloxiden, zouden kunnen verbeteren, maar er is een probleem. Om rimpel- en kreukelstructuren in grafeen te introduceren, het team heeft de vellen meerdere keren in meerdere richtingen gecomprimeerd. Dat proces werkt niet voor metaaloxiden.

"Metaaloxiden zijn te stijf, " zei Po-Yen Chen, een Hibbitt postdoctoraal onderzoeker in Brown's School of Engineering die het werk leidde. "Als je ze probeert te comprimeren, ze kraken."

Dus Chen, werken met de laboratoria van Robert Hurt en Ian Y. Wong, beide technische hoogleraren aan Brown, ontwikkelde een methode om de verfrommelde grafeenvellen te gebruiken als sjablonen voor het maken van verfrommelde metaaloxidefilms.

"We hebben laten zien dat we die oppervlaktekenmerken van het grafeen op de metaaloxiden kunnen overbrengen, ' zei Chen.

Het team begon met het maken van stapels verfrommelde grafeenvellen met behulp van de methode die ze eerder hadden ontwikkeld. Ze zetten het grafeen af ​​op een polymeersubstraat dat krimpt bij verhitting. Naarmate de ondergrond krimpt, het comprimeert het grafeen dat bovenop zit, het creëren van rimpel- of kreukelstructuren. Het substraat wordt vervolgens verwijderd, losse vellen verfrommeld grafeen achterlatend. Het compressieproces kan meerdere keren worden uitgevoerd, het creëren van steeds complexere structuren. Het proces maakt het ook mogelijk om te bepalen welke soorten texturen worden gevormd. Door krimpfolie aan weerszijden vast te klemmen en in slechts één richting te krimpen, ontstaan ​​periodieke rimpels. Krimpen in alle richtingen zorgt voor kreukels. Deze krimp kan meerdere keren in meerdere configuraties worden uitgevoerd om een ​​grote verscheidenheid aan texturen te creëren.

Om die patronen op metaaloxiden over te brengen, Chen plaatste de stapels gerimpelde grafeenvellen in een oplossing op waterbasis die positief geladen metaalionen bevat. Het negatief geladen grafeen trok die ionen in de ruimtes tussen de vellen. De deeltjes zijn aan elkaar gehecht in de tussenlaagruimte, het creëren van dunne platen metaal die de rimpelpatronen van het grafeen volgden. Het grafeen werd vervolgens weggeoxideerd, de gerimpelde metaaloxidevellen achterlaat. Chen toonde aan dat het proces werkt met een verscheidenheid aan metaaloxiden:zink, aluminium, mangaan- en koperoxiden.

Nadat ze de materialen hadden gemaakt, de onderzoekers testten ze vervolgens om te zien of, zoals het geval was met grafeen, de getextureerde oppervlakken verbeterden de eigenschappen van de metaaloxiden.

Ze toonden aan dat gerimpeld mangaanoxide, bij gebruik als batterij-elektrode, had een laadcapaciteit die vier keer hoger was dan een vlakke plaat. Dat komt waarschijnlijk omdat de rimpelruggen elektronen een bepaald pad geven om te volgen, waardoor het materiaal er meer tegelijk kan dragen, zeggen de onderzoekers.

Het team testte ook het vermogen van verfrommeld zinkoxide om een ​​fotokatalytische reactie uit te voeren, waarbij een in water opgeloste kleurstof onder ultraviolet licht wordt gereduceerd. Het experiment toonde aan dat de verfrommelde zinkoxidefilm vier keer reactiever was dan een vlakke film. Dat komt waarschijnlijk omdat de verfrommelde films een groter oppervlak hebben, die het materiaal meer reactieve sites geven, zei Chen.

Naast het verbeteren van de eigenschappen van de metalen, Chen wijst erop dat het proces ook een manier is om dunne films te maken van materialen die zich normaal niet lenen voor ultradunne configuraties.

"Met behulp van grafeen opsluiting, we kunnen de assemblage en synthese van materialen in twee dimensies begeleiden, " zei hij. "Op basis van wat we hebben geleerd van het maken van de metaaloxidefilms, we kunnen beginnen na te denken over het gebruik van deze methode om nieuwe 2D-materialen te maken die anders onstabiel zijn in bulkoplossing. Maar met onze opsluitingsmethode, wij denken dat het mogelijk is."