Representación esquemática (no a escala) del transporte iónico impulsado por sesgo propuesto en las diferentes configuraciones de patrones de conducción de iones investigadas en este estudio. Crédito:(c) Materiales de la naturaleza , doi:10.1038 / nmat4254
(Phys.org) —La nanoiónica es un subcampo de la nanotecnología que se ocupa de los fenómenos a nanoescala que implican la migración de iones en materias sólidas. Hasta ahora, sin embargo, no se ha explorado el confinamiento de las corrientes iónicas a trayectorias predefinidas de una manera que se asemeje al movimiento de los electrones en los cables de los conductores electrónicos.
Con ese fin, Jonathan Berson, Doron Burshtain, Assaf Zeira, Alexander Yoffe, Rivka Maoz, y Jacob Sagiv del Departamento de Materiales e Interfaces del Instituto de Ciencias Weizmann en Israel han desarrollado un enfoque de prueba de concepto para hacer patrones de superficie conductores de iones diseñados a medida utilizando litografía constructiva y monocapas autoensambladas de organosilano, aplicable a varios iones metálicos. Su trabajo se informa en Materiales de la naturaleza .
La litografía constructiva implica una reacción oxidativa electroquímica entre la punta de un microscopio conductor de fuerza atómica (AFM) y las moléculas unidas a una oblea de silicio. típicamente como monocapas. Esto permite un nivel de precisión en el que se puede seleccionar qué moléculas se someterán a la reacción y cuáles no. En este estudio, monocapas de oganosilano compuestas de Si-Cl 3 anclas, una columna vertebral de carbono alifático, y un metilo (-CH 3 ) grupo terminal se oxidan selectivamente usando litografía constructiva. El grupo metil terminal se oxida a un grupo terminal de ácido carboxílico (-COOH), sin cambiar la columna vertebral y el ancla.
La litografía constructiva permite la creación de límites nítidos. Estos límites se encuentran entre las regiones de superficie pobladas por moléculas terminadas en metilo y aquellas pobladas por moléculas terminadas en ácido carboxílico. Los electrodos de un metal dado se pueden colocar en las regiones de la superficie terminadas en ácido carboxílico en dichos sitios límite, estableciendo así una vía carboxílica para que viajen los iones.
Para el sistema de modelo inicial en esta investigación, Berson y Burshtain, et al. colocó electrodos de plata (Ag) en los sitios límite, y luego ejecutó d.c. voltaje a través de los electrodos, produciendo así iones de plata móviles. Su objetivo era ver si el Ag + los iones se coordinarían con los ácidos carboxílicos desprotonados, esencialmente atravesando la longitud de la ruta especificada desde el ánodo al cátodo sin el uso de un electrolito añadido.
La espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) verificó que el terminal objetivo –CH 3 grupos convertidos en –COOH sin alterar los otros segmentos de la monocapa. Es más, Las lecturas de FTIR se tomaron durante un período de tiempo mientras una corriente continua. Se aplicó un voltaje de 1 mV a 100 mV. Esto confirmó que –COOH perdió su protón formando la sal carboxilato de plata. XPS confirmó que los iones de plata siguieron la ruta del carboxilato ubicada entre los dos electrodos y no interactuaron con las moléculas terminadas en metilo. Los estudios de resistencia aclararon el transporte de iones a través de canales de diferentes longitudes y anchos.
Se siguió el mismo procedimiento con electrodos de titanio en lugar de electrodos de plata. Berson y Burshtain et al. miró un sistema con electrodos de titanio que sirven como ánodo y cátodo, y un sistema combinado con electrodos de plata y titanio. FTIR confirmó la presencia de Ti 4+ en la superficie del sistema con electrodos de titanio. El sistema de electrodos mixtos mostró evidencia de que un catión puede reemplazar al otro en la superficie del carboxilato mientras compite por el –COO disponible - sitios.
Los gráficos de Arrhenius del sistema de plata y titanio indican que se produce un mecanismo de conducción similar en el sistema de metal mixto en comparación con el sistema de un solo metal. Existe una diferencia entre la energía de activación del titanio en comparación con la plata, que los autores creen que probablemente se deba a Ti 4+ coordinando a cuatro –COO - moléculas en comparación con Ag + coordinando a uno. Es más, Ti 4+ la vinculación adquiere un carácter ligeramente más covalente que Ag + .
Si bien los estudios mencionados anteriormente se realizaron a macroescala, el siguiente paso fue ver si el sistema modelo funcionaría con configuraciones de nanocanales. Los autores construyeron un sistema con dos macrocanales que estaban separados por un nanocanal con electrodos de plata que residían en los macrocanales y otro sistema en el que los electrodos de plata estaban a cada lado de un nanocanal.
Los cálculos de resistencia y las imágenes AFM indicaron que el sistema con dos macrocanales separados por un nanocanal se comportaba de manera similar a los macrocanales. Sin embargo, cuando los electrodos se colocaron en los límites del nanocanal, una fina película de plata acumulada a lo largo del canal en lugar de en el cátodo, probablemente debido a una mayor densidad de flujo de iones en el sistema y, por lo tanto, más oportunidades para la nucleación y el subsiguiente crecimiento del filamento de plata a lo largo de la ruta del nanocanal.
Esta investigación demuestra la capacidad de adaptar canales conductores conductores de iones mediante litografía constructiva en monocapas de alquilsilano. Esta técnica es versátil porque los canales conductores pueden acomodar diferentes iones móviles producidos mediante el uso de diferentes metales que pueden usarse para los electrodos.
Según el Dr. Sagiv, "Esta investigación demuestra la posible realización de un tipo conceptualmente nuevo de material iónico sólido genérico que puede tener forma de canales iónicos conductores de iones con longitudes predefinidas, anchos, y trayectorias, adecuado para el transporte planificado de diferentes cationes seleccionados a distancias que abarcan dimensiones de nanoescala a macroescala ". dice que las implicaciones más amplias de esta investigación "se espera que permitan la fabricación de circuitos iónicos diseñados por tareas e interruptores iónicos rápidos aplicables en dispositivos futuros basados en modos novedosos de procesamiento y almacenamiento de información".
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