På vandet skabelse af ledende metal-organiske-ramme nanoark

Olie og vand blandes ikke, men hvad sker der, hvor olie og vand mødes? Eller hvor luft møder væske? Der opstår unikke reaktioner ved disse grænseflader, som et team af forskere baseret i Japan brugte til at udvikle den første succesrige konstruktion af ensartede, elektrisk ledende nanoplader, der er nødvendige for næste generations sensorer og energiproduktionsteknologier.

Forskningssamarbejdet fra Osaka Prefecture University, Japan Synchrotron Radiation Research Institute og University of Tokyo offentliggjorde deres tilgang den 28. oktober i ACS Applied Materials &Interfaces .

"Vi har længe vidst, at olie danner en stor og ensartet film på vandoverfladen - at forstå og bruge dette velkendte fænomen kan føre til energibesparende processer," siger den korresponderende forfatter Rie Makiura, lektor ved Institut for Materialevidenskab. , Osaka Prefecture University. "Ved at bruge en kombination af råmaterialer på en lignende grænseflade, lykkedes det os at skabe funktionelle materialer med avancerede tredimensionelle nanostrukturer, der leder elektricitet."

Disse materialer er metal-organiske rammer, som er mikroporøse og sammensat af metalioner og organiske linkere, der er højt organiserede. Kaldet MOF'er har de utallige potentielle anvendelser fra nanoteknologi til biovidenskab ifølge Makiura, men en urealiseret egenskab holder dem tilbage fra realiseret brug - de fleste fremstillede MOF'er leder ikke elektricitet godt.

"For at udnytte de overlegne egenskaber ved ledende MOF'er i sådanne applikationer som sensorer og energienheder, er fremstilling og integration af ultratynde film med defineret porestørrelse, velkontrolleret vækstretning og filmtykkelse en nødvendighed og er blevet aktivt søgt." sagde Makiura.

De fleste tidligere MOF-tyndfilmsudvikling involverer eksfoliering af lag fra større krystaller og anbringelse af dem på et underlag. Ifølge Makiura er denne proces dog kompliceret og resulterer ofte i tykke, uensartede plader, der ikke er stærkt ledende. For at udvikle ultratynde og ensartede ledende nanoark besluttede hun og hendes team at vende tilgangen.

De begyndte at sprede en opløsning indeholdende organiske linkere på vandig opløsning af metalioner. Når de er i kontakt, begynder stofferne at samle deres komponenter i et sekskantet arrangement. Over en time fortsatte arrangementet, mens der dannes nanoark, hvor væske og luft mødes. Efter afslutningen af ​​nanoarkdannelsen brugte forskerne to barrierer til at komprimere nanoarkene til mere tæt og kontinuerlig tilstand.

Det er en strømlinet tilgang til at producere utroligt tynde nanoark med højt organiserede krystallinske strukturer, ifølge Makiura. Forskerne bekræftede den ensartede struktur via mikroskopisk og røntgenkrystallografisk analyse. De visualiserede stramt ordnede krystaller indikerede også materialets elektriske egenskaber, da krystallerne var ensartet i kontakt i hver plade, hvilket også lettede tæt kontakt mellem pladerne. Forskerne testede dette ved at overføre nanoplader til et siliciumsubstrat, tilføje guldelektroder og måle ledningsevnen.

"Selvom det ikke var let at evaluere de ultratynde film, var vi glade, da vi var i stand til at bevise, at den havde en tredimensionel nanostruktur og høj elektrisk ledningsevne," sagde førsteforfatter Takashi Ohata, en doktorand under supervision af Makiura.

Forskerne studerer nu, hvordan forskellige parametre påvirker nanoarkmorfologien, med det formål at udvikle en kontrollerbar og justerbar metode til at skabe nanoark af høj kvalitet med målrettede elektroniske egenskaber.

"Vores alsidige og enkle bottom-up samling af passende molekylære bygningskomponenter ved luft/væske-grænsefladen til en udvidet arkitektur realiserer skabelsen af ​​et perfekt orienteret, elektrisk ledende krystallinsk nanoark," sagde Makiura. "Den nye opdagelse øger yderligere potentialet for luft/væske-grænsefladesyntesen til at skabe en bred vifte af nanoark til reel brug i mange potentielle applikationer, herunder til energiskabende enheder og katalysatorer." + Udforsk yderligere

Lag af krystallinske nanoark muliggør afstembare elektroniske egenskaber