Forskare från Brown University har hittat en ny metod för att göra ultratunna metalloxidark som innehåller invecklade rynkor och skrynkliga mönster. I en studie publicerad i tidskriften ACS Nano , forskarna visar att de texturerade metalloxidfilmerna har bättre prestanda när de används som fotokatalysatorer och som batterielektroder.

De nya resultaten bygger på tidigare arbete utfört av samma forskargrupp där de utvecklade en metod för att införa finstämda rynkor och skrynkliga texturer i ark av nanomaterialet grafenoxid. Studien visade att processen förbättrade några av grafens egenskaper. Texturerna gjorde att grafen bättre kunde avvisa vatten, som skulle vara användbart vid tillverkning av vattenbeständiga beläggningar, och förbättrad grafens förmåga att leda elektricitet.

Forskarna trodde att liknande strukturer kan förbättra egenskaperna hos andra material - särskilt metalloxider - men det finns ett problem. Att införa rynkor och skrynkliga strukturer i grafen, laget komprimerade arken flera gånger i flera riktningar. Den processen fungerar inte för metalloxider.

"Metalloxider är för styva, "sa Po-Yen Chen, en Hibbitt postdoktor vid Brown's School of Engineering som ledde arbetet. "Om du försöker komprimera dem, de spricker. "

Så Chen, arbetar med labbet av Robert Hurt och Ian Y. Wong, båda ingenjörsprofessorer på Brown, utvecklat en metod för att använda de skrynkliga grafenarken som mallar för att göra skrynkliga metalloxidfilmer.

"Vi visade att vi kan överföra dessa ytegenskaper från grafen till metalloxiderna, "Sa Chen.

Teamet började med att göra staplar av skrynkliga grafenark med den metod som de hade utvecklat tidigare. De avsatte grafen på ett polymersubstrat som krymper vid uppvärmning. När substratet krymper, det komprimerar grafen som sitter ovanpå, skapa rynkor eller skrynkliga strukturer. Substratet avlägsnas sedan, lämnar fristående ark av skrynklig grafen bakom. Komprimeringsprocessen kan göras flera gånger, skapa allt mer komplexa strukturer. Processen tillåter också kontroll av vilka typer av texturer som bildas. Klämning av krympfilm på motsatta sidor och krympning i endast en riktning skapar periodiska rynkor. Krympning i alla riktningar skapar skrynklor. Dessa krympningar kan utföras flera gånger i flera konfigurationer för att skapa en mängd olika texturer.

För att överföra dessa mönster till metalloxider, Chen placerade staplarna av skrynkliga grafenark i en vattenbaserad lösning som innehåller positivt laddade metalljoner. Den negativt laddade grafen drog in dessa joner i utrymmena mellan arken. Partiklarna bundna samman i mellanlagerutrymmet, skapa tunna metallplåtar som följde grafens rynkmönster. Grafen oxiderades sedan bort, lämnar de skrynkliga metalloxidplåtarna. Chen visade att processen fungerar med en mängd olika metalloxider - zink, aluminium, mangan och kopparoxider.

När de väl hade tillverkat materialen, forskarna testade dem sedan för att se om, som var fallet med grafen, de strukturerade ytorna förbättrade metalloxidernas egenskaper.

De visade att rynkad manganoxid, när den används som batterielektrod, hade laddningsförmåga som var fyra gånger högre än ett plant ark. Det beror antagligen på att rynkorna ger elektroner en definierad väg att följa, gör att materialet kan bära fler av dem åt gången, säger forskarna.

Teamet testade också den skrynkliga zinkoxidens förmåga att utföra en fotokatalytisk reaktion - vilket reducerade ett färgämne som löstes i vatten under ultraviolett ljus. Experimentet visade att den skrynkliga zinkoxidfilmen var fyra gånger mer reaktiv än en plan film. Det beror antagligen på att de skrynkliga filmerna har högre ytarea, som ger materialet mer reaktiva platser, Sa Chen.

Förutom att förbättra metallernas egenskaper, Chen påpekar att processen också representerar ett sätt att göra tunna filmer av material som normalt inte lämpar sig för ultratunna konfigurationer.

"Med hjälp av grafenbegränsning, vi kan styra montering och syntes av material i två dimensioner, "sa han." Baserat på vad vi lärde oss från att göra metalloxidfilmerna, vi kan börja tänka på att använda denna metod för att göra nya 2D -material som annars är instabila i bulklösning. Men med vår förvaringsmetod, vi tror att det är möjligt. "