Оригинал сообщения

Стэнфордские инженеры нашли новый способ «украшения» нанопроводов цепочками крошечных наночастиц для увеличения их электрических и каталитических характеристик, сообщает «WordScience.org». По сравнению со старыми методами, новая методика проще, быстрее, обеспечивает наилучшим контролем и может привести к созданию более мощных батарей, солнечных элементов и катализаторов.

Как и знаменитые актрисы на красной ковровой дорожке, нанопровода — такие же суперзвёзды в нанотехнологии — и их свойства могут быть повышены за счёт небольших украшений. Это не бриллианты и не жемчуг, украшение формируется из извилистой цепочки оксида металла или благородных наночастиц металла.

Хотя уже некоторое время науке было известно, что такое украшение может увеличить площадь поверхности и изменить поверхностную химию нанопроводов, инженеры из Стэнфордского университета нашли новый и более эффективный метод «украшения» нанопроводов, которые проще и быстрее, чем предыдущие методы. Результаты их исследования были опубликованы в журнале «Nano Letters».

По словам исследователей, данное развитие может когда-нибудь привести к улучшению литий-ионных батарей, тонкоплёночных солнечных элементов и катализаторов, которые предлагают новые синтетические виды топлива.

Древовидные структуры

«Вы можете думать о них, как о дереве. Нанопровод является стволом, который очень хорошо транспортирует электроны, но ограничен в площади», — объяснила Сяолинь Чжэн, доцент кафедры машиностроения и ведущий автор исследования. «Добавив украшения наночастиц (как мы их называем) похожие на разветвляющиеся ветви и листья, существенно увеличивается площадь поверхности».

В наномасштабе площадь поверхности имеет большое значение в инженерных приложениях, таких как солнечные батареи, аккумуляторы и в частности катализаторы, где каталитическая активность зависит от наличия активных центров на поверхности материала.

«Большая площадь — это больше возможностей для реакции и следовательно, улучшенные каталитические возможности. Например, расщепляющая воду система, которая производит экологически чистое водородное топливо от солнечного света», сказал Юнцхе Фэн, научный сотрудник в лаборатории Чжэн и первый автор исследования .

Другие приложения, такие как зондирование малых концентраций химических веществ в воздухе — токсинов или взрывчатых веществ, могли бы также извлечь выгоду из большей вероятности обнаружения, которое стало возможным благодаря увеличению площади поверхности.

Искра идеи

Ключом к открытию Стэнфордской команды было пламя. Инженерам уже давно известно, что наночастицы могут быть привязаны к нанопроводам для увеличения площади поверхности, но их методы создания были не очень эффективны в формировании желанных пористых наночастиц в цепочечной структуре. Эти методы оказались слишком медленными и в результате слишком плотными, где толстый слой покрываемых провода наночастиц, производил мало эффекта для увеличения площади поверхности.

Тогда Чжэн и её команда задались вопросом, мог бы быстрый всплеск пламени произвести желаемый результат.

Чжэн опустила нанопровода в растворитель на основе металла и соли, а затем просушила их горячим воздухом прежде, чем применить огонь. При этом процессе растворитель сгорает в течение нескольких секунд, что позволяет всем важным наночастицам кристаллизоваться и принять структуру «ветки», выворачивающейся веером из нанопроводов.

«Мы были немного удивлены тем, насколько хорошо это работает», — сказала Чжэн.

Используя сложные микроскопы и спектрометры в «Stanford Nanocharacterization Laboratory», инженеры смогли получить хороший обзор на свои творения.

«Это похоже на сложные усики, которые заполнили множество укромных уголков и трещинок», — сказала Чжэн. «Усыпанные «драгоценностями» нанопровода выглядят, как ёршик, которым когда-то чистили бутылки. В результате структура увеличивает поверхность во много раз», — сказала она.

Драматический спектакль, беспрецедентный контроль

«Повышение производительности до недавнего времени было драматическим», — сказал Сан Чо, постдокторант в лаборатории Чжэн и соавтор статьи.

Чжэн и команда окрестили данную технику огненно-солевым методом, сочетающим в себе растворитель и пламя для образования наночастичных структур. Данный метод по мнению исследователей может работать со многими нанопроводами и наночастицами материалов и обеспечивает беспрецедентным уровнем технического контроля в создании украшений в виде наночастиц.

Высокая температура пламени и краткое время отжига гарантируют, что наночастицы равномерно распределятся по всему нанопроводу. А, при изменении концентрации наночастиц в растворе и обмакивая провод в нём сколько раз, Стэнфордской команде удалось изменить размер украшающих наночастиц от десятков до сотен нанометров, а плотность от нескольких десятков до сотни частиц на квадратный микрометр.

«Не смотря на то, что команда нуждается ещё в дополнительных исследованиях — точность, имеет решающее значение и может поддержать более широкое применение этого процесса», — сказала Чжэн.

Пратап М. Рао и Лили Цай также внесли вклад в эти исследования. Данное исследование было выполнено при поддержке «ОНР/PECASE» программы.

Источник материала: wordscience.org