Olie en water gaan niet samen, maar wat gebeurt er waar olie en water elkaar ontmoeten? Of waar lucht en vloeistof elkaar ontmoeten? Unieke reacties vinden plaats op deze interfaces, die een team van onderzoekers in Japan heeft gebruikt om de eerste succesvolle constructie van uniforme, elektrisch geleidende nanosheets te ontwikkelen die nodig zijn voor sensoren van de volgende generatie en technologieën voor energieproductie.

De onderzoekssamenwerking van de Osaka Prefecture University, het Japan Synchrotron Radiation Research Institute en de University of Tokyo publiceerden hun aanpak op 28 oktober in ACS Applied Materials &Interfaces .

"We weten al heel lang dat olie een grote en uniforme film vormt op het wateroppervlak - het begrijpen en gebruiken van dit bekende fenomeen kan leiden tot energiebesparende processen", zegt de corresponderende auteur Rie Makiura, universitair hoofddocent bij de afdeling Materials Science. , Universiteit van de prefectuur Osaka. "Door een combinatie van grondstoffen op een vergelijkbare interface te gebruiken, zijn we erin geslaagd functionele materialen te creëren met geavanceerde driedimensionale nanostructuren die elektriciteit geleiden."

Deze materialen zijn metaal-organische raamwerken, die microporeus zijn en samengesteld uit metaalionen en organische linkers die zeer georganiseerd zijn. Ze worden MOF's genoemd en hebben volgens Makiura talloze potentiële toepassingen van nanotechnologieën tot biowetenschappen, maar één niet-gerealiseerde eigenschap weerhoudt hen van gerealiseerd gebruik - de meeste gefabriceerde MOF's geleiden elektriciteit niet goed.

"Om de superieure eigenschappen van geleidende MOF's te gebruiken in toepassingen zoals sensoren en energie-apparaten, zijn de fabricage en integratie van ultradunne films met gedefinieerde poriegrootte, goed gecontroleerde groeirichting en filmdikte een noodzaak en is er actief naar gezocht." zei Makiura.

De meeste eerdere MOF-dunnefilmontwikkeling omvat het exfoliëren van lagen van grotere kristallen en deze op een substraat plaatsen. Volgens Makiura is dit proces echter ingewikkeld en resulteert het vaak in dikke, niet-uniforme platen die niet goed geleidend zijn. Om ultradunne en uniforme geleidende nanosheets te ontwikkelen, besloten zij en haar team de aanpak om te draaien.

Ze begonnen een oplossing met organische linkers te verspreiden op een waterige oplossing van metaalionen. Eenmaal in contact beginnen de stoffen hun componenten te assembleren in een zeshoekige opstelling. Meer dan een uur ging de opstelling verder terwijl nanosheets werden gevormd waar de vloeistof en de lucht elkaar ontmoeten. Na voltooiing van de nanosheetvorming gebruikten de onderzoekers twee barrières om de nanosheets in een meer dichte en continue toestand te comprimeren.

Volgens Makiura is het een gestroomlijnde benadering om ongelooflijk dunne nanosheets te produceren met sterk georganiseerde kristallijne structuren. De onderzoekers bevestigden de uniforme structuur via microscopische en röntgenkristallografische analyse. De gevisualiseerde strak geordende kristallen gaven ook de elektrische eigenschappen van het materiaal aan, aangezien de kristallen uniform in contact waren in elk vel, wat ook een nauw contact tussen de vellen vergemakkelijkte. De onderzoekers testten dit door nanosheets over te brengen op een siliciumsubstraat, gouden elektroden toe te voegen en de geleidbaarheid te meten.

"Hoewel het niet eenvoudig was om de ultradunne films te evalueren, waren we verheugd toen we konden bewijzen dat het een driedimensionale nanostructuur en een hoge elektrische geleidbaarheid had", zegt eerste auteur Takashi Ohata, een doctoraalstudent onder toezicht van Makiura.

De onderzoekers bestuderen nu hoe verschillende parameters de nanosheetmorfologie beïnvloeden, met als doel een controleerbare en afstembare methodologie te ontwikkelen om hoogwaardige nanosheets met gerichte elektronische eigenschappen te creëren.

"Onze veelzijdige en eenvoudige bottom-up assemblage van geschikte moleculaire bouwcomponenten op het lucht/vloeistof-interface in een uitgebreide architectuur realiseert de creatie van een perfect georiënteerde, elektrisch geleidende kristallijne nanosheet," zei Makiura. "De nieuwe bevinding vergroot verder het potentieel van de lucht/vloeistof-grensvlaksynthese om een ​​breed scala aan nanosheets te creëren voor echt gebruik in veel potentiële toepassingen, waaronder voor apparaten voor het creëren van energie en katalysatoren." + Verder verkennen

Lagen van kristallijne nanosheets maken afstembare elektronische eigenschappen mogelijk