Een eenvoudige techniek om oxide-nanodraden rechtstreeks uit bulkmaterialen te produceren, zou de kosten voor het produceren van de eendimensionale (1D) nanostructuren drastisch kunnen verlagen. Dat zou de deur kunnen openen voor een breed scala aan toepassingen in lichtgewicht structurele composieten, geavanceerde sensoren, elektronische apparaten - en thermisch stabiele en sterke batterijmembranen die bestand zijn tegen temperaturen van meer dan 1, 000 graden Celsius.

De techniek maakt gebruik van een oplosmiddelreactie met een bimetaallegering - waarin een van de metalen reactief is - om bundels nanodraden (nanovezels) te vormen na reactieve metaaloplossing. Het proces wordt uitgevoerd bij omgevingstemperatuur en -druk zonder het gebruik van katalysatoren, giftige chemicaliën of kostbare processen zoals chemische dampafzetting. De geproduceerde nanodraden kunnen worden gebruikt om de elektrische, thermische en mechanische eigenschappen van functionele materialen en composieten.

Het onderzoek, die deze week in het journaal zal worden gerapporteerd Wetenschap , werd ondersteund door de National Science Foundation en het in Californië gevestigde Sila Nanotechnologies. Het proces wordt beschouwd als het eerste om bulkpoeders om te zetten in nanodraden onder omgevingsomstandigheden.

"Deze techniek zou de deur kunnen openen voor een reeks synthesemogelijkheden om goedkope 1D-nanomaterialen in grote hoeveelheden te produceren, " zei Gleb Yushin, een professor aan de School of Materials Science and Engineering aan het Georgia Institute of Technology. "Je kunt de bulkmaterialen in wezen in een emmer doen, vul het met een geschikt oplosmiddel en verzamel nanodraden na een paar uur, wat veel eenvoudiger is dan hoeveel van deze structuren tegenwoordig worden geproduceerd."

Yushin's onderzoeksteam, waaronder voormalige afgestudeerde studenten Danni Lei en James Benson, heeft oxide-nanodraden gemaakt van lithium-magnesium en lithium-aluminiumlegeringen met behulp van een verscheidenheid aan oplosmiddelen, inclusief eenvoudige alcoholen. De productie van nanodraden uit andere materialen maakt deel uit van lopend onderzoek dat niet in de krant werd vermeld.

De afmetingen van de nanodraadstructuren kunnen worden gecontroleerd door het oplosmiddel en de verwerkingsomstandigheden te variëren. De structuren kunnen worden geproduceerd in diameters variërend van tientallen nanometers tot microns.

"Door de grensvlakenergie aan de grens van het chemische reactiefront te minimaliseren, kunnen we kleine kernen vormen en vervolgens hun diameter behouden naarmate de reactie vordert, waardoor nanodraden worden gevormd, Yushin legde uit. "Door de volumeveranderingen te regelen, oppervlakte-energie, reactiviteit en oplosbaarheid van de reactieproducten, samen met de temperatuur en druk, we kunnen de omstandigheden afstemmen om nanodraden te produceren van de afmetingen die we willen."

Een van de aantrekkelijke toepassingen kunnen scheidingsmembranen zijn voor lithium-ionbatterijen, waarvan de hoge vermogensdichtheid ze aantrekkelijk heeft gemaakt voor het aandrijven van alles, van consumentenelektronica tot vliegtuigen en motorvoertuigen. Echter, de polymeerscheidingsmembranen die in deze batterijen worden gebruikt, zijn niet bestand tegen de hoge temperaturen die door bepaalde storingsscenario's worden gegenereerd. Als resultaat, commerciële batterijen kunnen brand en explosies veroorzaken, als het niet erg zorgvuldig is ontworpen, is het buitengewoon moeilijk om defecten en fouten consequent te voorkomen in tientallen miljoenen apparaten.

Het gebruik van goedkope papierachtige membranen gemaakt van keramische nanodraden kan helpen om deze zorgen weg te nemen, omdat de structuren sterk en thermisch stabiel zijn, terwijl het ook flexibel is - in tegenstelling tot veel bulkkeramiek. Het materiaal is ook polair, wat betekent dat het grondiger bevochtigd zou worden door verschillende batterij-elektrolytoplossingen.

"Algemeen, dit is een betere technologie voor batterijen, maar tot nu toe, keramische nanodraden zijn te duur geweest om serieus te overwegen, " zei Yushin. "In de toekomst, we kunnen de mechanische eigenschappen verder verbeteren en de synthese opschalen, waardoor de goedkope keramische separatortechnologie zeer aantrekkelijk is voor batterijontwerpers."

De fabricage van de nanodraden begint met de vorming van legeringen bestaande uit een reactief en een niet-reactief metaal, zoals lithium en aluminium (of magnesium en lithium). De legering wordt vervolgens in een geschikt oplosmiddel geplaatst, waaronder een reeks alcoholen, zoals ethanol. Het reactieve metaal (lithium) lost van het oppervlak op in het oplosmiddel, aanvankelijk producerende kernen (nanodeeltjes) die aluminium omvatten.

Hoewel bulkaluminium niet reactief is met alcohol vanwege de vorming van de passiveringslaag, de continue oplossing van lithium voorkomt de passivering en maakt een geleidelijke vorming van aluminiumalkoxide-nanodraden mogelijk, die loodrecht op het oppervlak van de deeltjes groeien, beginnend bij de kernen totdat de deeltjes volledig zijn omgezet. De alkoxide-nanodraden kunnen vervolgens in open lucht worden verwarmd om aluminiumoxide-nanodraden te vormen en kunnen worden gevormd tot papierachtige vellen.

Het opgeloste lithium kan worden teruggewonnen en hergebruikt. Het oplossingsproces genereert waterstofgas, die kunnen worden opgevangen en gebruikt om de verwarmingsstap van brandstof te voorzien.

Hoewel het proces eerst werd bestudeerd om nanodraden van magnesium en aluminiumoxide te maken, Yushin gelooft dat het een breed potentieel heeft voor het maken van andere materialen. Toekomstig werk zal de synthese van nieuwe materialen en hun toepassingen onderzoeken, and develop improved fundamental understanding of the process and predictive models to streamline experimental work.

The researchers have so far produced laboratory amounts of the nanowires, but Yushin believes that the process could be scaled up to produce industrial quantities. Though the ultimate cost will depend on many variables, he expects to see fabrication costs cut by several orders of magnitude over existing techniques.

"Met deze techniek you could potentially produce nanowires for a cost not much more than that of the raw materials, " he said. Beyond battery membranes, the nanowires could be useful in energy harvesting, catalyst supports, sensoren, flexible electronic devices, lightweight structural composites, bouwstoffen, electrical and thermal insulation and cutting tools.

The new technique was discovered accidentally while Yushin's students were attempting to create a new porous membrane material. Instead of the membrane they had hoped to fabricate, the process generated powders composed of elongated particles.

"Though the experiment didn't produce what we were looking for, I wanted to see if we could learn something from it anyway, " said Yushin. Efforts to understand what had happened ultimately led to the new synthesis technique.

In addition to those already named, the research included Alexandre Magaskinski of Georgia Tech and Gene Berdichevsky of Sila Nanotechnologies.