Pour créer des catalyseurs plus efficaces, membrane de détection et de séparation, et dispositifs de stockage d'énergie, les scientifiques commencent souvent avec des particules contenant de minuscules canaux de pores. Les défauts entre les particules peuvent nuire aux performances. Au Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique, une équipe a créé une méthode à un pot qui produit des complexes, pyramides microscopiques bien structurées. Cette approche offre un contrôle sur la croissance matérielle tridimensionnelle similaire à celle observée dans la nature, une référence vitale pour la synthèse des matériaux.

« Il est relativement facile de faire pousser de fines couches de matériau, " a déclaré le Dr Maria Sushko, un scientifique des matériaux du PNNL qui a travaillé sur l'étude. "Maintenant, nous pouvons faire pousser des cristaux tridimensionnels supportés qui ont également une structure ordonnée plus grande à l'intérieur - un cristal dans un cristal. "

Des matériaux de stockage d'énergie plus efficaces pourraient correspondre à la façon dont nous utilisons les énergies renouvelables. Des catalyseurs plus efficaces, capteurs, et des séparateurs qui durent plus longtemps et travaillent plus dur pourraient réduire les demandes d'énergie et les déchets des usines de fabrication et des raffineries. Ces technologies nécessitent des matériaux innovants, et la technique de l'équipe offre une nouvelle façon de les créer. Maintenant, les scientifiques peuvent développer des structures tridimensionnelles bien définies sur une surface en une seule étape. La croissance d'un matériau directement sur la surface élimine les étapes de test de nouvelles idées pour les électrodes ou les catalyseurs.

Dans les termes les plus simples, l'approche de l'équipe tire parti d'une relation entre l'ordre atomique d'un substrat de silicium, structure du modèle organique, et la structure atomique du silicate de sodium. Lorsque des molécules organiques et un précurseur de silicate de sodium sont combinés dans les bonnes proportions et que la solution est chauffée en présence de la surface de silicium, le substrat de silicium dirige l'auto-assemblage du gabarit selon une direction cristallographique spécifique. Le gabarit dirige la formation du silicate de sodium selon la même direction cristallographique du substrat, assurant une correspondance de réseau presque parfaite entre le silicium et le silicate de sodium.

Après une série de transformations, le modèle organique forme un réseau de micelles sphériques bien définies de plusieurs nanomètres de diamètre. Les micelles sont disposées en réseau cubique et encapsulées dans du silicate de sodium. Le résultat est un réseau de pyramides poreuses ordonnées orientées avec un réseau cubique de pores bien défini, confirmé par des microscopes électroniques à l'EMSL du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), une installation scientifique pour les utilisateurs.

Dans la nature, les protéines dirigent la croissance de structures complexes, comme des coquillages, émail des os et des dents. La nouvelle approche de l'équipe offre un contrôle précis sur l'architecture des matériaux similaire à celle observée dans la nature. Les scientifiques peuvent faire varier la structure et la taille des particules. Leur système fait des structures différentes, avec différentes tailles et compositions, comme requis. Ce niveau de contrôle en laboratoire est une référence importante pour la synthèse des matériaux.

La technique de l'équipe est un ajout important aux méthodes de synthèse de structures tridimensionnelles supportées. L'équipe explore des moyens d'étendre cette technique au-delà du silicate de sodium à d'autres matériaux.