Muestras de películas autoensambladas que contienen metal fabricadas mediante el nuevo proceso sol-gel. Las películas son esencialmente vidrio en el que están suspendidos átomos de metal, que imparte el color., Las líneas de cuadrícula están separadas por 5 mm. Crédito:Wiesner Lab
(PhysOrg.com) - Para catalizadores en pilas de combustible y electrodos en baterías, A los ingenieros les gustaría fabricar películas metálicas porosas, para hacer más superficie disponible para reacciones químicas, y altamente conductivo, para llevarse la electricidad. Este último ha sido un desafío frustrante.
Pero los químicos de Cornell ahora han desarrollado una forma de hacer películas metálicas porosas con hasta 1, 000 veces la conductividad eléctrica ofrecida por métodos anteriores. Su técnica también abre la puerta a la creación de una amplia variedad de nanoestructuras metálicas para aplicaciones de ingeniería y biomédicas, dijeron los investigadores.
Los resultados de varios años de experimentación se describen en la edición en línea del 18 de marzo de la revista. Materiales de la naturaleza .
"Hemos alcanzado niveles sin precedentes de control sobre la composición, nanoestructura y funcionalidad, por ejemplo, conductividad - de los materiales resultantes, todo con un simple enfoque de mezcla y calentamiento de 'una olla', "dijo el autor principal Ulrich Wiesner, el profesor de ingeniería Spencer T. Olin.
Cómo lo ve un químico:3-isocianatopropiltrietoxisilano (ICPTS), se une a un aminoácido que a su vez toma un ión metálico ("M" representa cualquier metal que se elija) de un acetato metálico, dejando atrás el ácido acético. Tener estas estructuras en mente llevó al ¡Ajá! momento para el investigador Scott Warren.
El nuevo método se basa en el "proceso sol-gel, "ya familiar para los químicos. Ciertos compuestos de silicio mezclados con solventes se autoensamblarán en una estructura de dióxido de silicio (es decir, vidrio) en forma de panal con poros a escala nanométrica. El desafío al que se enfrentaron los investigadores fue agregar metal para crear una estructura porosa que conduzca la electricidad.
Hace unos 10 años, Grupo de investigación de Wiesner, colaborando con el Cornell Fuel Cell Institute, Intenté usar el proceso sol-gel con los catalizadores que extraen protones de las moléculas de combustible para generar electricidad. Necesitaban materiales que pasaran alta corriente, pero agregar más de una pequeña cantidad de metal interrumpió el proceso sol-gel, explicó Scott Warren, primer autor del Materiales de la naturaleza papel.
Casi cualquier metal de la tabla periódica completa (que se muestra en rojo y azul) se puede utilizar en el nuevo proceso. Los etiquetados en azul se pueden comprar directamente en las tiendas de suministros químicos en la forma adecuada. Crédito:Wiesner Lab
Madriguera, quien entonces era un Ph.D. estudiante en el grupo de Wiesner y ahora es investigadora en la Universidad Northwestern, se le ocurrió la idea de usar un aminoácido para unir átomos de metal a moléculas de sílice, porque se había dado cuenta de que un extremo de la molécula de aminoácido tiene afinidad por la sílice y el otro extremo por los metales.
"Si hubiera una forma de unir directamente el metal al precursor de sol-gel de sílice, evitaríamos esta separación de fases que estaba interrumpiendo el proceso de autoensamblaje". " él explicó.
El resultado inmediato es una nanoestructura de metal, sílice y carbono, con mucho más metal del que había sido posible antes, conductividad en gran medida. La sílice y el carbono se pueden eliminar, dejando metal poroso. Pero una estructura de metal de sílice mantendría su forma a las altas temperaturas que se encuentran en algunas celdas de combustible, Warren señaló, y eliminar solo la sílice para dejar un complejo de carbono-metal ofrece otras posibilidades, incluyendo poros más grandes.
Los investigadores informan sobre una amplia gama de experimentos que muestran que su proceso se puede utilizar para crear "una biblioteca de materiales con un alto grado de control sobre la composición y la estructura". Han construido estructuras de casi todos los metales de la tabla periódica, y con química adicional puede "ajustar" las dimensiones de los poros en un rango de 10 a 500 nanómetros. También han hecho nanopartículas de sílice rellenas de metal lo suficientemente pequeñas como para ser ingeridas y secretadas por humanos. con posibles aplicaciones biomédicas. El grupo de Wiesner también es conocido por crear "puntos de Cornell, "que encapsulan tintes en nanopartículas de sílice, por lo que una posible aplicación futura del proceso sol-gel podría ser la construcción de células solares Graetzel, que contienen tintes sensibles a la luz. Michael Graetzel de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne e innovador de la celda Graetzel es coautor del nuevo artículo. La medición de la conductividad eléctrica que establece un récord se realizó en su laboratorio.
La investigación ha sido apoyada por el Departamento de Energía y, a través de varios canales, la Fundación Nacional de Ciencias.
