En enkel teknik för att producera oxid-nanotrådar direkt från bulkmaterial kan dramatiskt sänka kostnaden för att producera de endimensionella (1D) nanostrukturerna. Det kan öppna dörren för ett brett spektrum av användningsområden i lätta konstruktionsmaterial, avancerade sensorer, elektroniska enheter - och termiskt stabila och starka batterimembran som kan motstå temperaturer på mer än 1, 000 grader Celsius.

Tekniken använder en lösningsmedelsreaktion med en bimetalllegering - i vilken en av metallerna är reaktiv - för att bilda buntar med nanotrådar (nanofibrer) vid reaktiv metallupplösning. Processen genomförs vid rumstemperatur och tryck utan användning av katalysatorer, giftiga kemikalier eller kostsamma processer som kemisk ångavsättning. De producerade nanotrådarna kan användas för att förbättra de elektriska, termiska och mekaniska egenskaper hos funktionella material och kompositer.

Forskningen, som är planerad att rapporteras denna vecka i tidskriften Vetenskap , fick stöd av National Science Foundation och Kalifornien-baserade Sila Nanotechnologies. Processen tros vara den första att omvandla bulkpulver till nanotrådar vid omgivande förhållanden.

"Denna teknik kan öppna dörren för en rad syntesmöjligheter för att producera billiga 1D-nanomaterial i stora kvantiteter, " sa Gleb Yushin, professor vid School of Materials Science and Engineering vid Georgia Institute of Technology. "Du kan i princip lägga bulkmaterialet i en hink, fyll den med ett lämpligt lösningsmedel och samla upp nanotrådar efter några timmar, vilket är mycket enklare än hur många av dessa strukturer som produceras idag. "

Yushins forskargrupp, som inkluderade tidigare doktorander Danni Lei och James Benson, har producerat nanotrådar av oxid från litium-magnesium och litium-aluminiumlegeringar med en mängd olika lösningsmedel, inklusive enkla alkoholer. Produktion av nanotrådar från andra material är en del av pågående forskning som inte rapporterades i tidningen.

Dimensionerna på nanotrådsstrukturerna kan styras genom att variera lösningsmedlet och processförhållandena. Strukturerna kan tillverkas i diametrar som sträcker sig från tiotals nanometer upp till mikron.

"Minimering av gränsytenergin vid gränsen för den kemiska reaktionsfronten gör att vi kan bilda små kärnor och sedan behålla sin diameter när reaktionen fortskrider, bildar alltså nanotrådar, " förklarade Yushin. "Genom att kontrollera volymändringarna, ytenergi, reaktivitet och löslighet för reaktionsprodukterna, tillsammans med temperatur och tryck, vi kan ställa in förhållanden för att producera nanotrådar med de dimensioner vi vill ha."

En av de attraktiva applikationerna kan vara separatormembran för litiumjonbatterier, vars höga effekttäthet har gjort dem attraktiva för att driva allt från hemelektronik till flygplan och motorfordon. Dock, polymerseparationsmembranen som används i dessa batterier kan inte motstå de höga temperaturer som genereras av vissa felscenarier. Som resultat, kommersiella batterier kan orsaka bränder och explosioner, om det inte är utformat mycket noggrant och det är extremt svårt att undvika defekter och fel konsekvent i tiotals miljoner enheter.

Att använda billiga pappersliknande membran gjorda av keramiska nanotrådar kan hjälpa till att lösa dessa problem eftersom strukturerna är starka och termiskt stabila, samtidigt som den är flexibel - till skillnad från många bulkkeramik. Materialet är också polärt, vilket betyder att det skulle vätas mer grundligt av olika batterielektrolytlösningar.

"Övergripande, detta är en bättre teknik för batterier, men tills nu, keramiska nanotrådar har varit för dyra för att överväga på allvar, " sa Yushin. "I framtiden, vi kan förbättra de mekaniska egenskaperna ytterligare och skala upp syntesen, vilket gör den billiga keramiska separatortekniken mycket attraktiv för batteridesigners."

Tillverkning av nanotrådarna börjar med bildning av legeringar som består av en reaktiv och en icke-reaktiv metall, såsom litium och aluminium (eller magnesium och litium). Legeringen placeras sedan i ett lämpligt lösningsmedel, som kan innehålla en rad alkoholer, såsom etanol. Den reaktiva metallen (litium) löser sig från ytan i lösningsmedlet, initialt producera kärnor (nanopartiklar) som består av aluminium.

Även om bulk aluminium inte reagerar med alkohol på grund av bildandet av passiveringsskiktet, den kontinuerliga upplösningen av litium förhindrar passivering och tillåter gradvis bildning av nanotrådar av aluminiumalkoxid, som växer vinkelrätt mot partiklarnas yta med början från kärnorna tills partiklarna är fullständigt omvandlade. Alkoxidnannotrådarna kan sedan värmas upp i fri luft för att bilda nanotrådar av aluminiumoxid och kan formas till pappersliknande ark.

Det lösta litiumet kan återvinnas och återanvändas. Upplösningsprocessen genererar vätgas, som kunde fångas upp och användas för att hjälpa till att driva uppvärmningssteget.

Även om processen först studerades för att tillverka nanotrådar av magnesium och aluminiumoxid, Yushin tror att det har en bred potential för att göra andra material. Future work will explore synthesis of new materials and their applications, and develop improved fundamental understanding of the process and predictive models to streamline experimental work.

The researchers have so far produced laboratory amounts of the nanowires, but Yushin believes that the process could be scaled up to produce industrial quantities. Though the ultimate cost will depend on many variables, he expects to see fabrication costs cut by several orders of magnitude over existing techniques.

"Med denna teknik, you could potentially produce nanowires for a cost not much more than that of the raw materials, " he said. Beyond battery membranes, the nanowires could be useful in energy harvesting, catalyst supports, sensorer, flexible electronic devices, lightweight structural composites, byggmaterial, electrical and thermal insulation and cutting tools.

The new technique was discovered accidentally while Yushin's students were attempting to create a new porous membrane material. Instead of the membrane they had hoped to fabricate, the process generated powders composed of elongated particles.

"Though the experiment didn't produce what we were looking for, I wanted to see if we could learn something from it anyway, " said Yushin. Efforts to understand what had happened ultimately led to the new synthesis technique.

In addition to those already named, the research included Alexandre Magaskinski of Georgia Tech and Gene Berdichevsky of Sila Nanotechnologies.