Dagens krävande tillämpningar inom kemisk tillverkning, energiproduktion och lagring, minskning av föroreningar, och hälsovård driver utvecklingen av nya material med katalytiska och optoelektroniska funktioner. Dock, att förutsäga och kontrollera egenskaperna hos sådana material, forskare har studerat deras utvecklingsprocess på molekylär nivå. Ofta, en detaljerad förståelse hindras av närvaron av en komplex och dåligt definierad soppa av åskådarmolekyler som komplicerar tolkningen av experimentella resultat och försvårar teoretisk modellering på hög nivå.

För att lyfta fram ett nytt sätt att övervinna denna utmaning, forskare vid Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) och Purdue University samarbetade för att se över tekniken för mjuklandning av joner och dess tillämpning på materialsyntes. Genom att använda denna teknik för att försiktigt placera utvalda molekyler på ytor kan forskare behålla utsökt kontroll över de molekylära ingredienserna som utgör komplexa material.

Ansträngningen inkluderades nyligen i en inbjuden recensionsartikel i Angewandte Chemie International Edition med titeln "Från isolerade joner till flerskiktsfunktionella material med jon-mjuklandning."

I recensionsartikeln, Julia Laskin, Grant Johnson, Jonas Warneke, och Venkateshkumar "Venky" Prabhakaran beskriver tillvägagångssättet och fördelarna med jon-mjuklandningstekniken. Till exempel, sådan exakt kontroll uppnås genom att först omvandla molekyler till joner, som är lätta att manipulera med hjälp av elektriska och magnetiska fält. Jonerna sorteras sedan noggrant efter deras sammansättning och jonladdningstillstånd och levereras som en koncentrerad stråle av känd form och storlek till en yta för att förbereda skräddarsydda filmer och nanostrukturer. De resulterande materialen har förutbestämda sammansättningar, vilket gör deras uppmätta fysikaliska egenskaper och kemiska reaktivitet lättare att tillskriva specifika geometriska och elektroniska egenskaper som observerats experimentellt. Detta, i tur och ordning, möjliggör teoretisk modellering och en förutsägande - i motsats till en trial-and-error - inställning till materialdesign.

"Mjuklandning av joner gör det möjligt för forskare att exakt kontrollera sammansättningen och täckningen av ett brett spektrum av molekyler inklusive icke-flyktiga arter som annars är svåra att deponera, sa Johnson, en fysikalisk kemist på PNNL. Johnson nämnde att tekniken också kan användas för att generera nya kluster och nanopartiklar med hjälp av energisk sputtering-baserade tekniker såväl som mycket reaktiva mellanprodukter som inte kan produceras med konventionella metoder.

Dessa forskare inbjöds att skriva recensionen på grund av deras ledande roller i utvecklingen av tekniken för studier inom energilagring, materialsyntes, och katalys och deras väsentliga bidrag till det bredare fältet av jon-yta-interaktioner.

"Vi har fascinerats av tekniken för mjuklandning av joner i mer än ett decennium, sa Laskin, en kemiprofessor vid Purdue University. "Över åren, vi har etablerat både den experimentella förmågan och förståelsen för nyckelfenomen som är nödvändiga för att utveckla det till ett kraftfullt tillvägagångssätt för materialsyntes."

Att förstå relationer mellan struktur och egendom är avgörande för att designa förbättrade material för framtida tillämpningar. Sådan förståelse gör det möjligt för forskare att undvika arbetsintensiva, tidskrävande, och kostsamma trial-and-error-experiment som annars är nödvändiga för att utforska hur olika parametrar påverkar egenskaper och prestanda hos nya material. Struktur-egenskapsrelationer är utmanande att extrahera från komplexa blandningar där närvaron av andra inaktiva föreningar döljer det analytiska svaret hos molekyler av intresse. Jon-mjuklandningstekniken skapar väldefinierade, högvärdiga material som små metall- och metalloxidpartiklar av exakt storlek och sammansättning för studier inom heterogen katalys och elektrokemisk energilagring (t.ex. superkondensatorer och batterier).

Forskare från Pacific Northwest National Laboratory och Purdue University—Julia Laskin, Grant Johnson, Jonas Warneke, och Venkateshkumar "Venky" Prabhakaran—bjöds att förbereda en översiktsartikel baserad på deras år av erfarenhet av att utveckla tekniken för mjuklandning av joner för studier inom energilagring, materialsyntes, och katalys. Laget, positionerade och fast beslutna att fortsätta att utveckla jonernas mjuklandningsteknik till ett unikt tillvägagångssätt för materialsyntes, valde ut innehållet i recensionen efter att ha läst hundratals artiklar från forskare och kollegor vid nationella laboratorier och universitet runt om i världen.

Deras recensionsartikel i Angewandte Chemie International Edition —a Journal of the Gesellshaft Deutscher Chemiker — betonade den senaste utvecklingen inom omgivande mjuklandning, som gör att vissa fördelar med mjuklandning av joner i vakuum kan reproduceras på laboratoriebänken till minskad kostnad och komplexitet.

Prabhakaran, en materialvetare vid PNNL, sade att teamet fann att "högflödesvakuumbaserad mjuklandning i kombination med elektrokemisk karakterisering på plats utgör ett mångsidigt tillvägagångssätt för att förstå rollen av olika aktiva komponenter på prestanda hos energilagringsenheter."

Dessutom, teamet fann att tekniken kan ge insikt i hur egenskaperna hos molekylära joner vid höga täckningar kan användas för att skräddarsy den initiala morfologin och strukturella utvecklingen av filmer i kondenserad fas.

"Vi använde högflödes jon-mjuklandning för att skapa fascinerande vätskeliknande lager på ytor för första gången, sade Warneke, en Humboldt-postdoktor som kom till PNNL från Tyskland specifikt för att bedriva forskning inom mjuklandning av joner. Warneke sade att "det är ett idealiskt verktyg för att undersöka de framväxande egenskaperna hos lager som innehåller ett stort antal kluster och komplexa molekyler, som kan öppna upp för nya vyer inom energivetenskap och andra discipliner."

Nästa steg för forskning om mjuklandning av joner är att kontrollera det tredimensionella arrangemanget av makroskopiska strukturer som bildas genom massvald jonavsättning. Detta framsteg gör att egenskaperna hos jonbaserade material kan skräddarsys med ännu finare precision.