Les chercheurs ont développé une nouvelle technique peu coûteuse pour convertir directement les poudres en vrac en nanofils d'oxyde. Montré est un creuset dans lequel un alliage de lithium et d'aluminium est formé. Crédit :Rob Felt, Géorgie Tech
Une technique simple pour produire des nanofils d'oxyde directement à partir de matériaux en vrac pourrait réduire considérablement le coût de production des nanostructures unidimensionnelles (1D). Cela pourrait ouvrir la porte à un large éventail d'utilisations dans les composites structuraux légers, capteurs avancés, appareils électroniques - et membranes de batterie thermiquement stables et solides capables de résister à des températures supérieures à 1, 000 degrés Celsius.
La technique utilise une réaction de solvant avec un alliage bimétallique - dans lequel l'un des métaux est réactif - pour former des faisceaux de nanofils (nanofibres) lors de la dissolution réactive du métal. Le procédé est conduit à température et pression ambiantes sans utilisation de catalyseurs, des produits chimiques toxiques ou des procédés coûteux tels que le dépôt chimique en phase vapeur. Les nanofils produits peuvent être utilisés pour améliorer l'électricité, propriétés thermiques et mécaniques des matériaux fonctionnels et composites.
La recherche, qui devrait être publié cette semaine dans le journal Science , a été soutenu par la National Science Foundation et la société californienne Sila Nanotechnologies. On pense que le processus est le premier à convertir des poudres en vrac en nanofils dans des conditions ambiantes.
"Cette technique pourrait ouvrir la porte à une gamme d'opportunités de synthèse pour produire des nanomatériaux 1D à faible coût en grandes quantités, " dit Gleb Yushin, professeur à la School of Materials Science and Engineering du Georgia Institute of Technology. « Vous pouvez essentiellement mettre les matériaux en vrac dans un seau, le remplir d'un solvant adapté et récupérer les nanofils au bout de quelques heures, ce qui est bien plus simple que le nombre de ces structures produites aujourd'hui."
L'équipe de recherche de Yushin, qui comprenait les anciens étudiants diplômés Danni Lei et James Benson, a produit des nanofils d'oxyde à partir d'alliages lithium-magnésium et lithium-aluminium en utilisant une variété de solvants, y compris les alcools simples. La production de nanofils à partir d'autres matériaux fait partie d'une recherche en cours qui n'a pas été rapportée dans le document.
Les dimensions des structures de nanofils peuvent être contrôlées en faisant varier le solvant et les conditions de traitement. Les structures peuvent être réalisées dans des diamètres allant de quelques dizaines de nanomètres à des microns.
Une étape de la formation de nanofils d'oxyde à partir de poudres en vrac consiste à dissoudre les poudres dans de l'éthanol. Crédit :Rob Felt, Géorgie Tech
"La minimisation de l'énergie interfaciale à la frontière du front de réaction chimique nous permet de former de petits noyaux puis de conserver leur diamètre au fur et à mesure que la réaction se déroule, formant ainsi des nanofils, " Expliqua Yushin. " En contrôlant les changements de volume, énergie surfacique, réactivité et solubilité des produits de réaction, ainsi que la température et la pression, nous pouvons régler les conditions pour produire des nanofils des dimensions que nous voulons."
Une des applications intéressantes peut être les membranes séparatrices pour batteries lithium-ion, dont la densité de puissance élevée les a rendus attrayants pour alimenter tout, de l'électronique grand public aux avions et aux véhicules à moteur. Cependant, les membranes de séparation polymère utilisées dans ces batteries ne peuvent pas résister aux températures élevées générées par certains scénarios de défaillance. À la suite, les batteries commerciales peuvent provoquer des incendies et des explosions, s'il n'est pas conçu avec beaucoup de soin, il est extrêmement difficile d'éviter les défauts et les erreurs de manière constante dans des dizaines de millions d'appareils.
L'utilisation de membranes de type papier à faible coût en nanofils céramiques pourrait aider à résoudre ces problèmes car les structures sont solides et thermiquement stables, tout en étant flexible - contrairement à de nombreuses céramiques en vrac. Le matériau est également polaire, ce qui signifie qu'il serait plus complètement mouillé par diverses solutions d'électrolyte de batterie.
"Globalement, c'est une meilleure technologie pour les batteries, mais jusqu'à maintenant, les nanofils en céramique ont été trop chers pour être considérés sérieusement, " Yushin a dit. " Dans le futur, nous pouvons encore améliorer les propriétés mécaniques et intensifier la synthèse, rendant la technologie de séparation céramique à faible coût très attrayante pour les concepteurs de batteries. »
La fabrication des nanofils commence par la formation d'alliages composés d'un métal réactif et d'un métal non réactif, comme le lithium et l'aluminium (ou le magnésium et le lithium). L'alliage est ensuite placé dans un solvant approprié, qui pourrait inclure une gamme d'alcools, comme l'éthanol. Le métal réactif (lithium) se dissout de la surface dans le solvant, produisant initialement des noyaux (nanoparticules) comprenant de l'aluminium.
Bien que l'aluminium en vrac ne réagisse pas avec l'alcool en raison de la formation de la couche de passivation, la dissolution continue du lithium empêche la passivation et permet la formation progressive de nanofils d'alcoxyde d'aluminium, qui croissent perpendiculairement à la surface des particules à partir des noyaux jusqu'à ce que les particules soient complètement converties. Les nanofils d'alcoxyde peuvent ensuite être chauffés à l'air libre pour former des nanofils d'oxyde d'aluminium et peuvent être transformés en feuilles semblables à du papier.
Le professeur de Georgia Tech Gleb Yushin est montré dans un laboratoire où des nanofils d'oxyde sont fabriqués à partir de matériaux en vrac. La technique pourrait faciliter l'utilisation des nanofils dans un large éventail d'applications. Crédit :Rob Felt, Géorgie Tech
Le lithium dissous peut être récupéré et réutilisé. Le processus de dissolution génère de l'hydrogène gazeux, qui pourraient être capturés et utilisés pour alimenter l'étape de chauffage.
Bien que le processus ait d'abord été étudié pour fabriquer des nanofils d'oxyde de magnésium et d'aluminium, Yushin pense qu'il a un large potentiel pour fabriquer d'autres matériaux. Les travaux futurs exploreront la synthèse de nouveaux matériaux et leurs applications, et développer une meilleure compréhension fondamentale du processus et des modèles prédictifs pour rationaliser le travail expérimental.
Les chercheurs ont jusqu'à présent produit en laboratoire des quantités de nanofils, mais Yushin pense que le processus pourrait être étendu pour produire des quantités industrielles. Bien que le coût final dépende de nombreuses variables, he expects to see fabrication costs cut by several orders of magnitude over existing techniques.
"With this technique, you could potentially produce nanowires for a cost not much more than that of the raw materials, " he said. Beyond battery membranes, the nanowires could be useful in energy harvesting, supports de catalyseur, capteurs, flexible electronic devices, lightweight structural composites, matériaux de construction, electrical and thermal insulation and cutting tools.
The new technique was discovered accidentally while Yushin's students were attempting to create a new porous membrane material. Instead of the membrane they had hoped to fabricate, the process generated powders composed of elongated particles.
"Though the experiment didn't produce what we were looking for, I wanted to see if we could learn something from it anyway, " said Yushin. Efforts to understand what had happened ultimately led to the new synthesis technique.
In addition to those already named, the research included Alexandre Magaskinski of Georgia Tech and Gene Berdichevsky of Sila Nanotechnologies.
