One-pot teknik skaber strukturer med potentiale for mere effektiv fremstilling og energilagring

For at skabe mere effektive katalysatorer, føle- og separationsmembran, og energilagringsenheder, forskere starter ofte med partikler, der indeholder bittesmå porekanaler. Defekter mellem partiklerne kan hæmme ydeevnen. På Pacific Northwest National Laboratory, et team skabte en one-pot metode, der producerer komplekse, velstrukturerede mikroskopiske pyramider. Denne tilgang giver kontrol over tredimensionel materialevækst svarende til den, der ses i naturen, et vigtigt benchmark for materialesyntese.

"Det er relativt nemt at dyrke tynde lag materiale, " sagde Dr. Maria Sushko, en PNNL-materialeforsker, der arbejdede på undersøgelsen. "Nu, vi kan dyrke understøttede tredimensionelle krystaller, der også har en større ordnet struktur på indersiden - en krystal i en krystal."

Energilagringsmaterialer, der er mere effektive, kunne den måde, vi bruger vedvarende energi på. Mere effektive katalysatorer, sensorer, og separatorer, der holder længere og arbejder hårdere, kan reducere energibehovet og affaldet fra produktionsanlæg og raffinaderier. Disse teknologier kræver innovative materialer, og holdets teknik tilbyder en ny måde at skabe dem på. Nu, videnskabsmænd kan dyrke veldefinerede tredimensionelle strukturer på en overflade i et enkelt trin. Dyrkning af et materiale direkte på overfladen eliminerer trin i at teste nye ideer til elektroder eller katalysatorer.

I de enkleste vendinger, teamets tilgang drager fordel af et forhold mellem atomordren af ​​et siliciumsubstrat, struktur af organisk skabelon, og atomstruktur af natriumsilicat. Når organiske molekyler og en natriumsilikatprecursor kombineres i de rigtige proportioner, og opløsningen opvarmes i nærværelse af siliciumoverfladen, siliciumsubstratet leder skabelonens selvsamling i en bestemt krystallografisk retning. Skabelonen styrer dannelsen af ​​natriumsilikat langs den samme krystallografiske retning af substratet, sikrer næsten perfekt gittertilpasning mellem silicium og natriumsilikat.

Efter en række transformationer, den organiske skabelon danner en række veldefinerede sfæriske miceller med flere nanometer i diameter. Micellerne er arrangeret i et kubisk gitter og indkapslet i natriumsilicat. Resultatet er en række orienterede, ordnede porøse pyramider med et veldefineret kubisk gitter af porer, bekræftet af elektronmikroskoper ved U.S. Department of Energy's (DOE's) EMSL, en videnskabelig brugerfacilitet.

I naturen, proteiner styrer væksten af ​​komplekse strukturer, såsom skaller, knogle- og tandemalje. Holdets nye tilgang giver præcis kontrol over materialearkitektur svarende til den, der ses i naturen. Forskerne kan variere partiklernes struktur og størrelse. Deres system laver forskellige strukturer, med forskellige størrelser og sammensætninger, efter behov. Dette niveau af kontrol i laboratoriet er et væsentligt benchmark for materialesyntese.

Holdets teknik er en vigtig tilføjelse til metoderne til syntetisering af understøttede tredimensionelle strukturer. Holdet undersøger måder at udvide denne teknik ud over natriumsilikat til andre materialer.