Undersøgelse ser til is for at fremstille nyttige porøse materialer

At opdage en måde at udnytte isrekrystallisering på kunne muliggøre fremstilling af højeffektive materialer til en række produkter, herunder porøse elektroder til batterier og gennemsigtige ledende film, der bruges til fremstilling af berøringsskærme og bærbar elektronik.

Et team af forskere fra University of Nebraska-Lincoln og det kinesiske videnskabsakademi offentliggjorde resultater om dynamikken og manipulationen af ​​is-rekrystallisering i 2. maj-udgaven af Naturkommunikation .

Is-rekrystallisering er en allestedsnærværende proces i naturen. Det involverer dyrkning af store iskrystaller på bekostning af små, fører til en stigning i den gennemsnitlige krystalstørrelse og et fald i det samlede antal krystaller.

En eksperimentel forskergruppe ved den kinesiske institution har samarbejdet tæt med Xiao Cheng Zeng, Professor i kemi fra Chancellor's University, og Nebraska materialeforskere, der undersøger vands og iss egenskaber fra et beregningsmæssigt perspektiv.

Den kinesiske gruppe bruger nu omkrystalliseret is som skabelon til at syntetisere to- og tredimensionelle materialer med forskellige porestørrelser. Sammen med deres Nebraska-kolleger, holdet har lært, at ioner, som er elektrisk ladede molekyler, kan bruges til at fremstille nye to- og tredimensionelle strukturer på en lang række andre værtsmaterialer. Disse teknologisk vigtige værtsmaterialer er velegnede til organisk elektronik, katalyse og bioteknik.

"Porestørrelsen af ​​todimensionelle og tredimensionelle porøse materialer fremstillet med vores metode kan nemt justeres, som er afgørende for praktiske anvendelser, " sagde projektleder Jianjun Wang, en professor ved Institut for Kemi ved det kinesiske videnskabsakademi.

"Det eksperimentelle-teoretiske team giver os mulighed for at løse problemet smukt, fordi når vi forudsiger noget, de kan teste det, " sagde Zeng. "Så kan de feed back nogle af de nye eksperimentelle data, giver os mulighed for at genoverveje vores modelleringstilgang."

Wangs ionspecifikke rekrystalliseringsforskning stammer fra hans gruppes cellekryopreservationsprojekt. En nøgleårsag til celledød under kryokonservering er, fordi store iskrystaller vokser på bekostning af små under omkrystallisation.

Under et eksperiment, en af ​​Wangs elever afslørede en slående effekt ved et tilfælde. Tilsætning af natriumchlorid eller phosphatbuffer saltvand frembragte en dybtgående, men tidligere uudforsket effekt på størrelsen af ​​omkrystalliseret is.

I yderligere forsøg, Wangs team frøs hurtigt rent vand og tre saltvandsopløsninger, lad dem derefter køle af ved højere temperaturer. De fandt ud af, at ioner af natriumfluor producerede de mindste iskrystaller. Natriumbrom producerede større krystaller. Dem med natriumjod producerede de største krystaller, som oversteg selv dem, der blev produceret af rent vand.

Nebraska-teamet udførte simuleringer af molekylær dynamik på Holland Computing Center og Nebraska Cluster for Computational Chemistry for bedre at forstå, hvordan fluor, jod- og bromioner påvirker is-rekrystallisation.

"Det, vi finder, er, at fluor ikke bliver fanget inde i isen, hvorimod jod tillader det at ske, og til en vis grad lader brom også det ske, " sagde Zeng. "Du kan bruge ioner til at kontrollere isen."

Forskerne fandt ud af, at de kunne justere iskornstørrelsen fra cirka 27 mikron - omtrent halvdelen af ​​størrelsen af ​​et menneskehår - til 277 mikron.