Forskere anvender ion blød landingsteknik til fremskridt inden for materialesyntese

Nutidens krævende anvendelser inden for kemisk fremstilling, energiproduktion og -lagring, bekæmpelse af forurening, og sundhedspleje driver udviklingen af ​​nye materialer med katalytiske og optoelektroniske funktionaliteter. Imidlertid, at forudsige og kontrollere egenskaberne af sådanne materialer, forskere har studeret deres udviklingsproces på molekylært niveau. Ofte, en detaljeret forståelse hæmmes af tilstedeværelsen af ​​en kompleks og dårligt defineret suppe af tilskuermolekyler, der komplicerer fortolkning af eksperimentelle resultater og gør teoretisk modellering på højt niveau vanskelig.

For at fremhæve en ny tilgang til at overvinde denne udfordring, forskere ved Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) og Purdue University gik sammen om at gennemgå ion-blødlandingsteknikken og dens anvendelse på materialesyntese. Ved at bruge denne teknik til forsigtigt at placere udvalgte molekyler på overflader, lader videnskabsmænd bevare udsøgt kontrol over de molekylære ingredienser, der udgør komplekse materialer.

Indsatsen blev for nylig inkluderet i en inviteret anmeldelsesartikel i Angewandte Chemie International Edition med titlen "From Isolated Ions to Multilayer Functional Materials Using Ion Soft-Landing."

I anmeldelsesartiklen, Julia Laskin, Grant Johnson, Jonas Warneke, og Venkateshkumar "Venky" Prabhakaran beskriver tilgangen og fordelene ved ion-blødlandingsteknikken. For eksempel, en sådan præcis kontrol opnås ved først at omdanne molekyler til ioner, som er nemme at manipulere ved hjælp af elektriske og magnetiske felter. Ionerne sorteres derefter nøjagtigt efter deres sammensætning og ioniske ladningstilstand og leveres som en koncentreret stråle af kendt form og størrelse til en overflade for at fremstille skræddersyede film og nanostrukturer. De resulterende materialer har forudbestemte sammensætninger, hvilket gør deres målte fysiske egenskaber og kemiske reaktivitet lettere at tilskrive specifikke geometriske og elektroniske egenskaber observeret eksperimentelt. Det her, på tur, muliggør teoretisk modellering og en forudsigelig – i modsætning til en trial-and-error – tilgang til materialedesign.

"Blød ionlanding giver forskere mulighed for præcist at kontrollere sammensætningen og dækningen af ​​en bred vifte af molekyler, herunder ikke-flygtige arter, som ellers er svære at deponere, sagde Johnson, en fysisk kemiker ved PNNL. Johnson nævnte, at teknikken også kan bruges til at generere nye klynger og nanopartikler ved hjælp af energiske sputtering-baserede teknikker samt meget reaktive mellemprodukter, der ikke kan produceres ved hjælp af konventionelle metoder.

Disse videnskabsmænd blev inviteret til at skrive anmeldelsen på grund af deres ledende roller i udviklingen af ​​teknikken til undersøgelser af energilagring, materiale syntese, og katalyse og deres væsentlige bidrag til det bredere felt af ion-overflade-interaktioner.

"Vi har været fascineret af ion-blødlandingsteknikken i mere end et årti, " sagde Laskin, en kemiprofessor ved Purdue University. "I årenes løb, vi har etableret både de eksperimentelle kapaciteter og forståelsen af ​​nøglefænomener, der er nødvendige for at udvikle det til en kraftfuld tilgang til materialesyntese."

Forståelse af struktur-egenskabsforhold er afgørende for at designe forbedrede materialer til fremtidige applikationer. En sådan forståelse gør det muligt for forskere at undgå de arbejdskrævende, tidskrævende, og kostbare trial-and-error-eksperimenter, der ellers er nødvendige for at undersøge, hvordan forskellige parametre påvirker nye materialers egenskaber og ydeevne. Struktur-egenskabsforhold er udfordrende at udvinde fra komplekse blandinger, hvor tilstedeværelsen af ​​andre inaktive forbindelser slører den analytiske respons fra molekyler af interesse. Ionens bløde landingsteknikker skaber veldefinerede, højværdimaterialer såsom små metal- og metaloxidpartikler af nøjagtig størrelse og sammensætning til undersøgelser i heterogen katalyse og elektrokemisk energilagring (f.eks. superkondensatorer og batterier).

Forskere fra Pacific Northwest National Laboratory og Purdue University—Julia Laskin, Grant Johnson, Jonas Warneke, og Venkateshkumar "Venky" Prabhakaran - blev inviteret til at udarbejde en oversigtsartikel baseret på deres mange års erfaring med at udvikle ion-blødlandingsteknikken til studier i energilagring, materiale syntese, og katalyse. Holdet, positioneret og fast besluttet på at fortsætte med at fremme ion-blødlandingsteknikken til en unik tilgang til materialesyntese, udvalgte indholdet af anmeldelsen efter at have læst hundredvis af artikler fra forskere og kolleger på nationale laboratorier og universiteter rundt om i verden.

Deres anmeldelsesartikel i Angewandte Chemie International Edition -a Journal of the Gesellshaft Deutscher Chemiker - understregede den seneste udvikling inden for omgivende blød landing, som tillader visse fordele ved blød ion-landing i vakuum at blive reproduceret på laboratoriets bordplade med reduceret omkostninger og kompleksitet.

Prabhakaran, en materialeforsker ved PNNL, sagde, at holdet fandt ud af, at "højflux vakuum-baseret blød landing kombineret med in situ elektrokemisk karakterisering udgør en alsidig tilgang til at forstå rollen af ​​forskellige aktive komponenter på ydeevnen af ​​energilagringsenheder."

Ud over, holdet fandt ud af, at teknikken kan give indsigt i, hvordan egenskaberne af molekylære ioner ved høje dækninger kan bruges til at skræddersy den indledende morfologi og strukturelle udvikling af film i kondenseret fase.

"Vi brugte high-flux ion soft-landing til at generere fascinerende væskelignende lag på overflader for første gang, sagde Warneke, en Humboldt Postdoc-stipendiat, der kom til PNNL fra Tyskland specifikt for at forfølge forskning i blød landing af ioner. Warneke udtalte, at "det er et ideelt værktøj til at undersøge de nye egenskaber af lag, der indeholder et stort antal klynger og komplekse molekyler, som kan åbne op for nye perspektiver inden for energividenskab og andre discipliner."

Det næste trin for forskning i blød landing af ioner er at kontrollere det tredimensionelle arrangement af makroskopiske strukturer dannet gennem massevalgt ionaflejring. Denne fremgang vil gøre det muligt at skræddersy egenskaberne af ion-baserede materialer med endnu finere præcision.