Échantillons de films contenant du métal auto-assemblés fabriqués par le nouveau procédé sol-gel. Les films sont essentiellement du verre dans lequel sont suspendus des atomes métalliques, qui donne la couleur., Les lignes de quadrillage sont espacées de 5 mm. Crédit :Wiesner Lab
(PhysOrg.com) -- Pour les catalyseurs dans les piles à combustible et les électrodes dans les batteries, les ingénieurs souhaitent fabriquer des films métalliques poreux, pour rendre plus de surface disponible pour les réactions chimiques, et hautement conducteur, pour emporter l'électricité. Ce dernier a été un défi frustrant.
Mais les chimistes de Cornell ont maintenant développé un moyen de fabriquer des films métalliques poreux avec jusqu'à 1, 000 fois la conductivité électrique offerte par les méthodes précédentes. Leur technique ouvre également la porte à la création d'une grande variété de nanostructures métalliques pour des applications d'ingénierie et biomédicales, les chercheurs ont dit.
Les résultats de plusieurs années d'expérimentation sont décrits édition en ligne du 18 mars de la revue Matériaux naturels .
"Nous avons atteint des niveaux de contrôle sans précédent sur la composition, nanostructure et fonctionnalité - par exemple, conductivité -- des matériaux résultants, le tout avec une approche simple de mélange et de chaleur « à un seul pot », " a déclaré l'auteur principal Ulrich Wiesner, le professeur d'ingénierie Spencer T. Olin.
À quoi cela ressemble à un chimiste :3-isocyanatopropyltriéthoxysilane (ICPTS), se lie à un acide aminé qui à son tour attrape un ion métallique ("M" représente le métal choisi) à partir d'un acétate métallique, laissant l'acide acétique derrière. Avoir ces structures à l'esprit a conduit à l'Aha! moment pour le chercheur Scott Warren.
La nouvelle méthode s'appuie sur le "procédé sol-gel, " déjà familiers aux chimistes. Certains composés de silicium mélangés à des solvants s'auto-assembleront en une structure de dioxyde de silicium (c'est-à-dire, verre) alvéolé avec des pores à l'échelle nanométrique. Le défi auquel étaient confrontés les chercheurs était d'ajouter du métal pour créer une structure poreuse qui conduit l'électricité.
Il y a environ 10 ans, le groupe de recherche de Wiesner, en collaboration avec le Cornell Fuel Cell Institute, essayé d'utiliser le processus sol-gel avec les catalyseurs qui extraient les protons des molécules de carburant pour générer de l'électricité. Ils avaient besoin de matériaux qui laisseraient passer un courant élevé, mais l'ajout de plus qu'une petite quantité de métal a perturbé le processus sol-gel, a expliqué Scott Warren, premier auteur de la Matériaux naturels papier.
À peu près n'importe quel métal dans l'ensemble du tableau périodique (indiqué en rouge et bleu) peut être utilisé dans le nouveau processus. Ceux étiquetés en bleu peuvent être achetés dans le commerce auprès des fournisseurs de produits chimiques sous la forme appropriée. Crédit :Wiesner Lab
Garenne, qui était alors titulaire d'un doctorat. étudiant dans le groupe de Wiesner et est maintenant chercheur à l'Université Northwestern, eu l'idée d'utiliser un acide aminé pour lier des atomes métalliques à des molécules de silice, parce qu'il s'était rendu compte qu'une extrémité de la molécule d'acide aminé a une affinité pour la silice et l'autre extrémité pour les métaux.
« S'il existait un moyen de fixer directement le métal au précurseur sol-gel de silice, nous empêcherions cette séparation de phases qui perturbait le processus d'auto-assemblage, " il expliqua.
Le résultat immédiat est une nanostructure de métal, silice et carbone, avec beaucoup plus de métal qu'avant, une conductivité qui augmente considérablement. La silice et le carbone peuvent être éliminés, laissant du métal poreux. Mais une structure de silice-métal conserverait sa forme aux températures élevées trouvées dans certaines piles à combustible, Warren a noté, et enlever juste la silice pour laisser un complexe carbone-métal offre d'autres possibilités, y compris les pores plus larges.
Les chercheurs rapportent un large éventail d'expériences montrant que leur processus peut être utilisé pour créer "une bibliothèque de matériaux avec un degré élevé de contrôle sur la composition et la structure". Ils ont construit des structures de presque tous les métaux du tableau périodique, et avec une chimie supplémentaire peut "régler" les dimensions des pores dans une plage de 10 à 500 nanomètres. Ils ont également fabriqué des nanoparticules de silice remplies de métal suffisamment petites pour être ingérées et sécrétées par les humains, avec d'éventuelles applications biomédicales. Le groupe de Wiesner est également connu pour créer des « points Cornell, " qui encapsulent des colorants dans des nanoparticules de silice, donc une application future possible du procédé sol-gel pourrait être de construire des cellules solaires Graetzel, qui contiennent des colorants photosensibles. Michael Graetzel de l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne et innovateur de la cellule Graetzel est co-auteur du nouvel article. La mesure de la conductivité électrique record a été réalisée dans son laboratoire.
La recherche a été soutenue par le ministère de l'Énergie et, par plusieurs canaux, la Fondation nationale des sciences.
