Dekoration med nanopartiklar skapar intrikata ytmönster fulla av skrymslen och vrår, vändningar som avsevärt förbättrar ytan. Kredit:Stanford Nanocharacterization Laboratory
Som en huvudrollsinnehavare på röda mattan, nanotrådar – dessa superstjärnor inom nanoteknik – kan förstärkas med lite smycken, för. Inte sorten diamanter och pärlor, men den sorten som bildas av slingrande kedjor av metalloxid eller ädelmetallnanopartiklar.
Även om vetenskapen sedan en tid tillbaka har vetat att sådan ornamentering avsevärt kan öka ytan och förändra ytkemin hos nanotrådar, ingenjörer vid Stanford University har hittat en ny och mer effektiv metod för att "dekorera" nanotrådar som är enklare och snabbare än tidigare tekniker. Resultaten av deras studie publicerades nyligen i tidskriften Nanobokstäver .
Utvecklingen, säger forskarna, kan en dag leda till bättre litiumjonbatterier, effektivare tunnfilmssolceller och förbättrade katalysatorer som ger nya syntetiska bränslen.
Trädliknande strukturer
"Du kan tänka på det som ett träd. Nanotrådarna är stammen, mycket bra på att transportera elektroner, som saft, men begränsad i yta, " förklarade Xiaolin Zheng, en biträdande professor i maskinteknik och senior författare till studien. "De tillagda nanopartikeldekorationerna, som vi kallar dem, är som grenar och löv, som fläktar ut och avsevärt ökar ytan."
På nanoskala, ytarean spelar stor roll i tekniska tillämpningar som solceller, batterier och, speciellt katalysatorer, där den katalytiska aktiviteten är beroende av tillgängligheten av aktiva ställen vid materialets yta.
"Större yta betyder större möjlighet till reaktioner och därför bättre katalytiska kapaciteter i, till exempel, vattendelande system som producerar rent vätebränsle från solljus, sa Yunzhe Feng, en forskningsassistent i Zhengs labb och första författare till studien.
Andra tillämpningar som att känna av små koncentrationer av kemikalier i luften - av toxiner eller explosiva ämnen, till exempel – kan också dra nytta av den större sannolikheten för upptäckt som möjliggörs av ökad yta.
Prof. Xiaolin Zheng vid Stanford har upptäckt ett nytt sätt att "dekorera" nanotrådar med beläggningar av metallnanopartiklar som avsevärt förbättrar ytan. De dekorerade nanotrådarna ser ut som små piprensare. Kredit:Stanford Nanocharacterization Laboratory
En gnista av en idé
Nyckeln till Stanford-teamets upptäckt var en låga. Ingenjörer hade länge vetat att nanopartiklar kunde fästas på nanotrådar för att öka ytan, men metoderna för att skapa dem var inte särskilt effektiva för att bilda de mycket eftertraktade porösa nanopartikelkedjestrukturerna. Dessa andra metoder visade sig vara för långsamma och resulterade i en för tät, tjockt lager av nanopartiklar som täcker ledningarna, gör lite för att öka ytan.
Zheng och hennes team undrade om en snabb flamma kunde fungera bättre, så de provade det.
Zheng doppade nanotrådarna i en lösningsmedelsbaserad gel av metall och salt, lufttorkade dem sedan innan lågan applicerades. I hennes process brinner lösningsmedlet på några sekunder, låter de allra viktiga nanopartiklarna kristallisera till grenliknande strukturer som fläktar ut från nanotrådarna.
"Vi blev lite förvånade över hur bra det fungerade, " sade Zheng. "Det fungerade vackert."
Med hjälp av sofistikerade mikroskop och spektroskop vid Stanford Nanocharacterization Laboratory, ingenjörerna kunde få en bra titt på deras skapelser.
"Det skapade dessa invecklade, hårliknande rankor fyllda med massor av skrymslen och vrår, " sa Zheng. De bejeweled nanotrådarna ser ut som piprensare. Den resulterande strukturen ökar ytan många gånger jämfört med vad som gick innan, Hon sa.
Dramatisk föreställning, oöverträffad kontroll
"Prestandaförbättringarna har hittills varit dramatiska, " sa In Sun Cho, en postdoktor i Zhengs labb och medförfattare till uppsatsen.
Zheng och teamet har kallat tekniken sol-flame-metoden, för kombinationen av lösningsmedel och flamma som ger nanopartikelstrukturerna. Metoden verkar generell nog att fungera med många nanotrådar och nanopartikelmaterial och, kanske ännu viktigare, ger en oöverträffad grad av teknisk kontroll vid skapandet av nanopartikeldekorationerna.
Lågans höga temperatur och korta glödgningstid säkerställer att nanopartiklarna är små och sprids jämnt över nanotrådarna. Och, genom att variera koncentrationen av nanopartiklar i prekursorlösningen och antalet gånger som trådarna är doppbelagda, Stanford-teamet kunde variera storleken på nanopartikeldekorationerna från tiotals till hundratals nanometer, och densiteten från tiotals till hundratals partiklar per kvadratmikrometer.
"Även om mer forskning behövs, sådan precision är avgörande och skulle kunna stärka ett bredare antagande av processen, " sa Zheng.
