Olja och vatten blandas inte, men vad händer där olja och vatten möts? Eller där luft möter vätska? Unika reaktioner uppstår vid dessa gränssnitt, som ett team av forskare baserade i Japan använde för att utveckla den första framgångsrika konstruktionen av enhetliga, elektriskt ledande nanoskivor som behövs för nästa generations sensorer och energiproduktionsteknologier.

Forskningssamarbetet från Osaka Prefecture University, Japan Synchrotron Radiation Research Institute och University of Tokyo publicerade sitt tillvägagångssätt den 28 oktober i ACS Applied Materials &Interfaces .

"Vi har länge vetat att olja bildar en stor och enhetlig film på vattenytan - att förstå och använda detta välbekanta fenomen kan leda till energibesparande processer", säger motsvarande författare Rie Makiura, docent vid institutionen för materialvetenskap , Osaka Prefecture University. "Genom att använda en kombination av råvaror i ett liknande gränssnitt lyckades vi skapa funktionella material med avancerade tredimensionella nanostrukturer som leder elektricitet."

Dessa material är metallorganiska ramverk, som är mikroporösa och består av metalljoner och organiska länkar som är välorganiserade. Kallade MOFs, de har otaliga potentiella tillämpningar från nanoteknik till biovetenskap, enligt Makiura, men en orealiserad egenskap håller dem tillbaka från realiserad användning - de flesta tillverkade MOFs leder inte elektricitet bra.

"För att använda de överlägsna egenskaperna hos ledande MOF i sådana applikationer som sensorer och energienheter, är tillverkning och integration av ultratunna filmer med definierad porstorlek, välkontrollerad tillväxtriktning och filmtjocklek en nödvändighet och har eftersträvats aktivt." sa Makiura.

De flesta tidigare MOF-tunnfilmsutvecklingar involverar exfoliering av lager från större kristaller och placera dem på ett substrat. Enligt Makiura är dock denna process komplicerad och resulterar ofta i tjocka, ojämna plåtar som inte är särskilt ledande. För att utveckla ultratunna och enhetliga ledande nanosheets bestämde hon och hennes team sig för att vända på metoden.

De började sprida en lösning innehållande organiska länkar på en vattenlösning av metalljoner. När de väl kommer i kontakt börjar ämnena sätta ihop sina komponenter i ett sexkantigt arrangemang. Över en timme fortsatte arrangemanget medan nanoark bildades där vätskan och luften möts. Efter avslutad nanosheetsbildning använde forskarna två barriärer för att komprimera nanosheets till mer tätt och kontinuerligt tillstånd.

Det är en strömlinjeformad metod för att producera otroligt tunna nanoark med välorganiserade kristallina strukturer, enligt Makiura. Forskarna bekräftade den enhetliga strukturen via mikroskopisk och röntgenkristallografisk analys. De visualiserade tätt ordnade kristallerna indikerade också materialets elektriska egenskaper, eftersom kristallerna var jämnt i kontakt i varje ark, vilket också underlättade nära kontakt mellan arken. Forskarna testade detta genom att överföra nanosheets till ett kiselsubstrat, lägga till guldelektroder och mäta konduktiviteten.

"Även om det inte var lätt att utvärdera de ultratunna filmerna, blev vi glada när vi kunde bevisa att den hade en tredimensionell nanostruktur och hög elektrisk ledningsförmåga", säger första författaren Takashi Ohata, en doktorand under handledning av Makiura.

Forskarna studerar nu hur olika parametrar påverkar nanosheets morfologi, med målet att utveckla en kontrollerbar och avstämbar metodik för att skapa högkvalitativa nanosheets med riktade elektroniska egenskaper.

"Vår mångsidiga och enkla montering nedifrån och upp av lämpliga molekylära byggnadskomponenter vid luft/vätska-gränssnittet till en utökad arkitektur realiserar skapandet av ett perfekt orienterat, elektriskt ledande kristallint nanoark," sa Makiura. "Den nya upptäckten förbättrar ytterligare potentialen för syntesen av luft/vätskegränssnitt för att skapa ett brett utbud av nanoark för verklig användning i många potentiella tillämpningar, inklusive för energiskapande enheter och katalysatorer." + Utforska vidare

Lager av kristallina nanoark möjliggör avstämbara elektroniska egenskaper