La décoration avec des nanoparticules crée des motifs de surface complexes pleins de coins et recoins, des rebondissements qui améliorent grandement la surface. Crédit :Laboratoire de nanocaractérisation de Stanford
Comme une actrice principale sur le tapis rouge, les nanofils - ces superstars de la nanotechnologie - peuvent être améliorés par un peu de bijoux, trop. Pas la variété de diamants et de perles, mais le genre formé de chaînes sinueuses d'oxyde métallique ou de nanoparticules de métaux nobles.
Bien que la science sache depuis un certain temps qu'une telle ornementation peut considérablement augmenter la surface et modifier la chimie de surface des nanofils, des ingénieurs de l'Université de Stanford ont trouvé une méthode nouvelle et plus efficace de « décoration » des nanofils, qui est plus simple et plus rapide que les techniques précédentes. Les résultats de leur étude ont été publiés récemment dans la revue Lettres nano .
Le développement, disent les chercheurs, pourrait un jour conduire à de meilleures batteries lithium-ion, des cellules solaires à couche mince plus efficaces et des catalyseurs améliorés qui produisent de nouveaux carburants synthétiques.
Des structures arborescentes
"Vous pouvez le voir comme un arbre. Les nanofils sont le tronc, très bon pour le transport des électrons, comme la sève, mais limité en superficie, " a expliqué Xiaolin Zheng, professeur adjoint de génie mécanique et auteur principal de l'étude. "Les décorations de nanoparticules ajoutées, comme on les appelle, sont comme les branches et les feuilles, qui se déploient et augmentent considérablement la surface.
A l'échelle nanométrique, la surface compte beaucoup dans les applications d'ingénierie comme les cellules solaires, piles et, notamment les catalyseurs, où l'activité catalytique dépend de la disponibilité de sites actifs à la surface du matériau.
"Une plus grande surface signifie une plus grande opportunité de réactions et donc de meilleures capacités catalytiques dans, par exemple, des systèmes de séparation de l'eau qui produisent de l'hydrogène à combustion propre à partir de la lumière du soleil, " dit Yunzhe Feng, un assistant de recherche dans le laboratoire de Zheng et premier auteur de l'étude.
D'autres applications telles que la détection de petites concentrations de produits chimiques dans l'air, de toxines ou d'explosifs, par exemple, pourraient également bénéficier de la plus grande probabilité de détection rendue possible par l'augmentation de la surface.
Le professeur Xiaolin Zheng de Stanford a découvert une nouvelle façon de « décorer » les nanofils avec des revêtements de nanoparticules métalliques qui améliorent considérablement la surface. Les nanofils décorés ressemblent à de minuscules cure-pipes. Crédit :Laboratoire de nanocaractérisation de Stanford
L'étincelle d'une idée
La clé de la découverte de l'équipe de Stanford était une flamme. Les ingénieurs savaient depuis longtemps que les nanoparticules pouvaient être collées aux nanofils pour augmenter la surface, mais les méthodes pour les créer n'étaient pas très efficaces pour former les structures de chaînes de nanoparticules poreuses tant désirées. Ces autres méthodes se sont avérées trop lentes et ont abouti à un couche épaisse de nanoparticules enrobant les fils, faire peu pour augmenter la surface.
Zheng et son équipe se sont demandé si une explosion rapide de flammes fonctionnerait mieux, alors ils ont essayé.
Zheng a plongé les nanofils dans un gel à base de solvant de métal et de sel, puis les faire sécher à l'air avant d'appliquer la flamme. Le dans son processus le solvant brûle en quelques secondes, permettant aux nanoparticules de la plus haute importance de cristalliser en des structures en forme de branches qui se déploient à partir des nanofils.
"Nous avons été un peu surpris de voir à quel point cela fonctionnait bien, " a déclaré Zheng. " Il a fonctionné magnifiquement. "
À l'aide de microscopes et de spectroscopes sophistiqués au laboratoire de nanocaractérisation de Stanford, les ingénieurs ont pu avoir un bon aperçu de leurs créations.
"Cela a créé ces complexes, des vrilles ressemblant à des cheveux remplies de nombreux coins et recoins, " a déclaré Zheng. Les nanofils ornés de bijoux ressemblent à des cure-pipes. La structure résultante augmente la surface de plusieurs fois par rapport à ce qui était auparavant, elle a dit.
Spectacle dramatique, contrôle sans précédent
« Les améliorations des performances ont jusqu'à présent été spectaculaires, " dit In Sun Cho, un boursier post-doctoral dans le laboratoire de Zheng et co-auteur de l'article.
Zheng et son équipe ont surnommé la technique la méthode sol-flamme, pour la combinaison de solvant et de flamme qui donne les structures nanoparticulaires. La méthode semble suffisamment générale pour fonctionner avec de nombreux matériaux à nanofils et nanoparticules et, peut-être plus important encore, fournit un degré sans précédent de contrôle technique dans la création des décorations de nanoparticules.
La température élevée de la flamme et le bref temps de recuit garantissent que les nanoparticules sont petites et réparties uniformément sur les nanofils. Et, en faisant varier la concentration de nanoparticule dans la solution de précurseur et le nombre de fois où les fils sont trempés, l'équipe de Stanford a pu faire varier la taille des décorations nanoparticulaires de quelques dizaines à des centaines de nanomètres, et la densité de dizaines à centaines de particules par micromètre carré.
« Bien que des recherches supplémentaires soient nécessaires, une telle précision est cruciale et pourrait renforcer l'adoption plus large du processus, " dit Zheng.
