Om efficiëntere katalysatoren te creëren, detectie- en scheidingsmembraan, en energieopslagapparaten, wetenschappers beginnen vaak met deeltjes met kleine poriekanaaltjes. Defecten tussen de deeltjes kunnen de prestaties belemmeren. In het Pacific Northwest National Laboratory, een team creëerde een eenpotmethode die complexe, goed gestructureerde microscopisch kleine piramides. Deze benadering biedt controle over driedimensionale materiële groei vergelijkbaar met die in de natuur, een essentiële maatstaf voor materiaalsynthese.

"Het is relatief eenvoudig om dunne lagen materiaal te kweken, " zei dr. Maria Sushko, een materiaalwetenschapper van PNNL die aan het onderzoek heeft meegewerkt. "Nutsvoorzieningen, we kunnen ondersteunde driedimensionale kristallen laten groeien die ook aan de binnenkant een grotere geordende structuur hebben - een kristal in een kristal."

Energieopslagmaterialen die efficiënter zijn, kunnen de manier zijn waarop we hernieuwbare energie gebruiken. Efficiëntere katalysatoren, sensoren, en afscheiders die langer meegaan en harder werken, kunnen de energiebehoefte en het afval van fabrieken en raffinaderijen verminderen. Deze technologieën vereisen innovatieve materialen, en de techniek van het team biedt een nieuwe manier om ze te maken. Nutsvoorzieningen, wetenschappers kunnen in één stap goed gedefinieerde driedimensionale structuren op een oppervlak laten groeien. Door een materiaal direct op het oppervlak te laten groeien, worden de stappen bij het testen van nieuwe ideeën voor elektroden of katalysatoren geëlimineerd.

In de eenvoudigste bewoordingen, de benadering van het team maakt gebruik van een relatie tussen de atomaire ordening van een siliciumsubstraat, structuur van organische sjabloon, en atomaire structuur van natriumsilicaat. Wanneer organische moleculen en een natriumsilicaatprecursor in de juiste verhoudingen worden gecombineerd en de oplossing wordt verwarmd in aanwezigheid van het siliciumoppervlak, het siliciumsubstraat stuurt de zelfassemblage van de sjabloon langs een specifieke kristallografische richting. De sjabloon stuurt de vorming van natriumsilicaat langs dezelfde kristallografische richting van het substraat, zorgen voor een bijna perfecte roosterovereenkomst tussen silicium en natriumsilicaat.

Na een reeks transformaties, de organische sjabloon vormt een reeks goed gedefinieerde bolvormige micellen met een diameter van enkele nanometers. De micellen zijn gerangschikt in een kubisch rooster en ingekapseld in natriumsilicaat. Het resultaat is een reeks georiënteerde geordende poreuze piramides met een goed gedefinieerd kubisch rooster van poriën, bevestigd door elektronenmicroscopen bij de EMSL van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), een wetenschappelijke gebruikersfaciliteit.

In de natuur, eiwitten sturen de groei van complexe structuren, zoals schelpen, bot en tandglazuur. De nieuwe aanpak van het team biedt nauwkeurige controle over de materiaalarchitectuur die vergelijkbaar is met die in de natuur. De wetenschappers kunnen de structuur en grootte van de deeltjes variëren. Hun systeem maakt verschillende structuren, met verschillende maten en samenstellingen, naar behoefte. Dit niveau van controle in het laboratorium is een belangrijke maatstaf voor materiaalsynthese.

De techniek van het team is een belangrijke aanvulling op de methoden voor het synthetiseren van ondersteunde driedimensionale structuren. Het team onderzoekt manieren om deze techniek verder uit te breiden dan natriumsilicaat naar andere materialen.