Bejeweled:Nanotech får boost fra nanotrådsdekorationer

Som en hovedskuespillerinde på den røde løber, nanotråde - disse superstjerner inden for nanoteknologi - kan forbedres med lidt smykker, også. Ikke sorten diamanter og perler, men den slags, der er dannet af snoede kæder af metaloxid eller ædelmetalnanopartikler.

Selvom videnskaben i nogen tid har vidst, at sådan ornamentering i høj grad kan øge overfladearealet og ændre overfladekemien af ​​nanotråde, ingeniører ved Stanford University har fundet en ny og mere effektiv metode til at "dekorere" nanotråde, der er enklere og hurtigere end tidligere teknikker. Resultaterne af deres undersøgelse blev offentliggjort for nylig i tidsskriftet Nano bogstaver .

Udviklingen, siger forskerne, kan en dag føre til bedre lithium-ion-batterier, mere effektive tyndfilmssolceller og forbedrede katalysatorer, der giver nye syntetiske brændstoffer.

Trælignende strukturer

"Du kan tænke på det som et træ. Nanotrådene er stammen, meget god til at transportere elektroner, som saft, men begrænset i overfladeareal, " forklarede Xiaolin Zheng, en adjunkt i maskinteknik og seniorforfatter af undersøgelsen. "De tilføjede nanopartikeldekorationer, som vi kalder dem, er som grene og blade, som vifter ud og øger overfladen markant."

På nanoskala, overfladeareal betyder meget i tekniske applikationer som solceller, batterier og, især katalysatorer, hvor den katalytiske aktivitet er afhængig af tilgængeligheden af ​​aktive steder på overfladen af ​​materialet.

"Større overfladeareal betyder større mulighed for reaktioner og derfor bedre katalytiske evner i, for eksempel, vandspaltesystemer, der producerer rent brændende brintbrændstof fra sollys, " sagde Yunzhe Feng, en forskningsassistent i Zhengs laboratorium og førsteforfatter af undersøgelsen.

Andre applikationer som f.eks. at registrere små koncentrationer af kemikalier i luften - af toksiner eller sprængstoffer, for eksempel – kan også drage fordel af den større sandsynlighed for detektion, som er muliggjort af øget overfladeareal.

En gnist af en idé

Nøglen til Stanford-holdets opdagelse var en flamme. Ingeniører havde længe vidst, at nanopartikler kunne klæbes til nanotråde for at øge overfladearealet, men metoderne til at skabe dem var ikke særlig effektive til at danne de meget ønskede porøse nanopartikelkædestrukturer. Disse andre metoder viste sig at være for langsomme og resulterede i en for tæt, tykt lag af nanopartikler, der dækker ledningerne, gør lidt for at øge overfladearealet.

Zheng og hendes team spekulerede på, om et hurtigt flammeudbrud kunne virke bedre, så de prøvede det.

Zheng dyppede nanotrådene i en opløsningsmiddelbaseret gel af metal og salt, lufttørrede dem derefter, før de påsatte flammen. I hendes proces brænder opløsningsmidlet på få sekunder, tillader de altafgørende nanopartikler at krystallisere til grenlignende strukturer, der vifter ud fra nanotrådene.

"Vi var lidt overraskede over, hvor godt det fungerede, " sagde Zheng. "Det fungerede smukt."

Ved at bruge sofistikerede mikroskoper og spektroskoper på Stanford Nanocharacterization Laboratory, ingeniørerne var i stand til at få et godt kig på deres kreationer.

"Det skabte disse indviklede, hårlignende ranker fyldt med masser af kroge, " sagde Zheng. De juvelbesatte nanotråde ligner piberensere. Den resulterende struktur øger overfladen mange gange i forhold til det, der gik før, hun sagde.

Dramatisk præstation, hidtil uset kontrol

"Ydeevneforbedringerne har indtil videre været dramatiske, " sagde In Sun Cho, en post-doc i Zhengs laboratorium og medforfatter til papiret.

Zheng og teamet har døbt teknikken sol-flamme-metoden, for kombinationen af ​​opløsningsmiddel og flamme, der giver nanopartikelstrukturerne. Metoden virker generel nok til at arbejde med mange nanotråd og nanopartikelmaterialer og, måske endnu vigtigere, giver en hidtil uset grad af ingeniørkontrol i skabelsen af ​​nanopartikeldekorationer.

Flammens høje temperatur og korte udglødningstid sikrer, at nanopartiklerne er små og fordeles jævnt over nanotrådene. Og, ved at variere koncentrationen af ​​nanopartikler i forstadieopløsningen og antallet af gange ledningerne er dip-coated, Stanford-teamet var i stand til at variere størrelsen af ​​nanopartikeldekorationerne fra ti til hundredvis af nanometer, og massefylden fra tiere til hundredvis af partikler pr. kvadratmikrometer.

"Selvom der er behov for mere forskning, en sådan præcision er afgørende og kan understøtte en bredere anvendelse af processen, " sagde Zheng.