För att skapa effektivare katalysatorer, avkännings- och separationsmembran, och energilagringsenheter, forskare börjar ofta med partiklar som innehåller små porkanaler. Defekter mellan partiklarna kan försämra prestandan. Vid Pacific Northwest National Laboratory, ett team skapade en enpottsmetod som producerar komplexa, välstrukturerade mikroskopiska pyramider. Detta tillvägagångssätt ger kontroll över tredimensionell materialtillväxt liknande den som ses i naturen, ett viktigt riktmärke för materialsyntes.

"Det är relativt lätt att odla tunna lager av material, " sa Dr Maria Sushko, en PNNL materialforskare som arbetade med studien. "Nu, vi kan odla stödda tredimensionella kristaller som har en större ordnad struktur på insidan också - en kristall i en kristall."

Energilagringsmaterial som är mer effektiva kan sättet vi använder förnybar energi. Effektivare katalysatorer, sensorer, och separatorer som håller längre och arbetar hårdare kan minska energibehovet och avfallet från tillverkningsanläggningar och raffinaderier. Dessa teknologier kräver innovativa material, och teamets teknik erbjuder ett nytt sätt att skapa dem. Nu, forskare kan odla väldefinierade tredimensionella strukturer på en yta i ett enda steg. Att odla ett material direkt på ytan eliminerar steg i att testa nya idéer för elektroder eller katalysatorer.

i de enklaste termerna, teamets tillvägagångssätt drar fördel av ett förhållande mellan atomordningen av ett kiselsubstrat, struktur av organisk mall, och atomstruktur av natriumsilikat. När organiska molekyler och en natriumsilikatprekursor kombineras i rätt proportioner och lösningen värms upp i närvaro av kiselytan, kiselsubstratet styr mallens självmontering längs en specifik kristallografisk riktning. Mallen styr bildningen av natriumsilikat längs samma kristallografiska riktning av substratet, säkerställer nästan perfekt gittermatchning mellan kisel och natriumsilikat.

Efter en rad förändringar, den organiska mallen bildar en rad väldefinierade sfäriska miceller flera nanometer i diameter. Micellerna är arrangerade i ett kubiskt gitter och inkapslade i natriumsilikat. Resultatet är en rad orienterade ordnade porösa pyramider med ett väldefinierat kubiskt gitter av porer, bekräftat av elektronmikroskop vid U.S. Department of Energy's (DOE:s) EMSL, en vetenskaplig användaranläggning.

I naturen, proteiner styr tillväxten av komplexa strukturer, som snäckor, ben och tandemalj. Teamets nya tillvägagångssätt ger exakt kontroll över materialarkitektur som liknar den som ses i naturen. Forskarna kan variera strukturen och storleken på partiklarna. Deras system skapar olika strukturer, med olika storlekar och sammansättningar, efter behov. Denna nivå av kontroll i laboratoriet är ett viktigt riktmärke för materialsyntes.

Teamets teknik är ett viktigt tillägg till metoderna för att syntetisera stödda tredimensionella strukturer. Teamet undersöker sätt att utöka denna teknik bortom natriumsilikat till andra material.