Des chercheurs de l'Université Brown ont trouvé une nouvelle méthode pour fabriquer des feuilles d'oxyde métallique ultrafines contenant des motifs complexes de rides et de froissement. Dans une étude publiée dans la revue ACS Nano , les chercheurs montrent que les films d'oxyde métallique texturés ont de meilleures performances lorsqu'ils sont utilisés comme photocatalyseurs et comme électrodes de batterie.

Les nouvelles découvertes s'appuient sur des travaux antérieurs effectués par le même groupe de recherche dans lequel ils ont développé une méthode pour introduire des textures de rides et de froissement finement réglées dans des feuilles de nanomatériau d'oxyde de graphène. L'étude a montré que le processus a amélioré certaines des propriétés du graphène. Les textures ont rendu le graphène plus apte à repousser l'eau, ce qui serait utile pour faire des revêtements résistants à l'eau, et amélioration de la capacité du graphène à conduire l'électricité.

Les chercheurs pensaient que des structures similaires pourraient améliorer les propriétés d'autres matériaux, en particulier les oxydes métalliques, mais il y a un problème. Pour introduire des structures de rides et de froissement dans le graphène, l'équipe a compressé les feuilles plusieurs fois dans plusieurs orientations. Ce processus ne fonctionnera pas pour les oxydes métalliques.

"Les oxydes métalliques sont trop rigides, " dit Po-Yen Chen, un chercheur postdoctoral Hibbitt à la Brown's School of Engineering qui a dirigé les travaux. "Si vous essayez de les compresser, ils craquent."

Alors Chen, travailler avec les laboratoires de Robert Hurt et Ian Y. Wong, tous deux professeurs d'ingénierie à Brown, a développé une méthode d'utilisation des feuilles de graphène froissées comme modèles pour la fabrication de films d'oxyde métallique froissés.

"Nous avons montré que nous pouvons transférer ces caractéristiques de surface du graphène sur les oxydes métalliques, " dit Chen.

L'équipe a commencé par fabriquer des piles de feuilles de graphène froissées en utilisant la méthode qu'elle avait développée précédemment. Ils ont déposé le graphène sur un substrat polymère qui rétrécit lorsqu'il est chauffé. Au fur et à mesure que le substrat rétrécit, il comprime le graphène posé dessus, créant des structures de rides ou de froissement. Le substrat est ensuite retiré, laissant derrière elles des feuilles de graphène froissé. Le processus de compression peut être effectué plusieurs fois, créer des structures toujours plus complexes. Le processus permet également de contrôler quels types de textures sont formées. Serrer le film rétractable sur les côtés opposés et le rétrécir dans une seule direction crée des plis périodiques. Le rétrécissement dans toutes les directions crée des froissements. Ces rétrécissements peuvent être effectués plusieurs fois dans plusieurs configurations pour créer une grande variété de textures.

Pour transférer ces motifs sur des oxydes métalliques, Chen a placé les piles de feuilles de graphène froissées dans une solution à base d'eau contenant des ions métalliques chargés positivement. Le graphène chargé négativement a attiré ces ions dans les espaces entre les feuilles. Les particules liées entre elles dans l'espace intercalaire, créant de fines feuilles de métal qui suivaient les motifs de rides du graphène. Le graphène a ensuite été oxydé, laissant les feuilles d'oxyde métallique froissées. Chen a montré que le processus fonctionne avec une variété d'oxydes métalliques - zinc, aluminium, oxydes de manganèse et de cuivre.

Une fois les matériaux fabriqués, les chercheurs les ont ensuite testés pour voir si, comme ce fut le cas avec le graphène, les surfaces texturées ont amélioré les propriétés des oxydes métalliques.

Ils ont montré que l'oxyde de manganèse ridé, lorsqu'il est utilisé comme électrode de batterie, avait une capacité de charge quatre fois supérieure à celle d'une feuille plane. C'est probablement parce que les crêtes ridées donnent aux électrons un chemin défini à suivre, permettre au matériel d'en transporter plusieurs à la fois, disent les chercheurs.

L'équipe a également testé la capacité de l'oxyde de zinc froissé à effectuer une réaction photocatalytique en réduisant un colorant dissous dans l'eau sous une lumière ultraviolette. L'expérience a montré que le film d'oxyde de zinc froissé était quatre fois plus réactif qu'un film plan. C'est probablement parce que les films froissés ont une surface plus élevée, qui donnent au matériau des sites plus réactifs, dit Chen.

En plus d'améliorer les propriétés des métaux, Chen souligne que le processus représente également un moyen de fabriquer des films minces à partir de matériaux qui ne se prêtent normalement pas à des configurations ultrafines.

« En utilisant le confinement au graphène, nous pouvons guider l'assemblage et la synthèse de matériaux en deux dimensions, " a-t-il dit. " Sur la base de ce que nous avons appris de la fabrication des films d'oxyde métallique, nous pouvons commencer à penser à utiliser cette méthode pour fabriquer de nouveaux matériaux 2D qui seraient autrement instables en solution en vrac. Mais avec notre méthode de confinement, nous pensons que c'est possible."