Investigadores de la Universidad de Brown han descubierto un nuevo método para fabricar láminas ultrafinas de óxido de metal que contienen intrincados patrones de arrugas y deformaciones. En un estudio publicado en la revista ACS Nano , Los investigadores muestran que las películas texturizadas de óxido metálico tienen un mejor rendimiento cuando se utilizan como fotocatalizadores y electrodos de batería.

Los nuevos hallazgos se basan en trabajos anteriores realizados por el mismo grupo de investigación en el que desarrollaron un método para introducir arrugas y texturas arrugadas finamente ajustadas en láminas del nanomaterial óxido de grafeno. El estudio mostró que el proceso mejoró algunas de las propiedades del grafeno. Las texturas hicieron que el grafeno fuera más capaz de repeler el agua, que sería útil para hacer revestimientos resistentes al agua, y la capacidad mejorada del grafeno para conducir electricidad.

Los investigadores pensaron que estructuras similares podrían mejorar las propiedades de otros materiales, específicamente los óxidos metálicos, pero hay un problema. Para introducir arrugas y arrugas en el grafeno, el equipo comprimió las hojas varias veces en múltiples orientaciones. Ese proceso no funcionará para los óxidos metálicos.

"Los óxidos metálicos son demasiado rígidos, "dijo Po-Yen Chen, un investigador postdoctoral Hibbitt en la Escuela de Ingeniería de Brown que dirigió el trabajo. "Si intentas comprimirlos, se agrietan ".

Entonces Chen, trabajando con los laboratorios de Robert Hurt e Ian Y. Wong, ambos profesores de ingeniería en Brown, desarrolló un método para utilizar las láminas de grafeno arrugadas como plantillas para hacer películas de óxido de metal arrugadas.

"Demostramos que podemos transferir esas características de la superficie del grafeno a los óxidos metálicos, "Dijo Chen.

El equipo comenzó haciendo pilas de hojas de grafeno arrugadas utilizando el método que habían desarrollado anteriormente. Depositaron el grafeno sobre un sustrato de polímero que se encoge cuando se calienta. A medida que el sustrato se contrae, comprime el grafeno que se encuentra encima, creando arrugas o arrugas. Luego se retira el sustrato, dejando atrás hojas sueltas de grafeno arrugado. El proceso de compresión se puede realizar varias veces, creando estructuras cada vez más complejas. El proceso también permite controlar qué tipos de texturas se forman. Sujetar la película retráctil en lados opuestos y encogerla en una sola dirección crea arrugas periódicas. El encogimiento en todas direcciones crea arrugas. Estos encogimientos se pueden realizar varias veces en múltiples configuraciones para crear una amplia variedad de texturas.

Para transferir esos patrones a óxidos metálicos, Chen colocó las pilas de láminas de grafeno arrugadas en una solución a base de agua que contenía iones metálicos cargados positivamente. El grafeno cargado negativamente empujó esos iones hacia los espacios entre las hojas. Las partículas unidas entre sí dentro del espacio entre capas, creando láminas delgadas de metal que siguieron los patrones de arrugas del grafeno. Luego, el grafeno se oxidó, dejando las láminas arrugadas de óxido de metal. Chen demostró que el proceso funciona con una variedad de óxidos metálicos:zinc, aluminio, óxidos de manganeso y cobre.

Una vez que hubieron hecho los materiales, los investigadores luego los probaron para ver si, como fue el caso del grafeno, las superficies texturizadas mejoraron las propiedades de los óxidos metálicos.

Mostraron que el óxido de manganeso arrugado, cuando se usa como electrodo de batería, tenía una capacidad de carga cuatro veces mayor que una hoja plana. Probablemente se deba a que las crestas de las arrugas les dan a los electrones un camino definido a seguir, permitir que el material lleve más de ellos a la vez, dicen los investigadores.

El equipo también probó la capacidad del óxido de zinc arrugado para realizar una reacción fotocatalítica, reduciendo un tinte disuelto en agua bajo luz ultravioleta. El experimento mostró que la película de óxido de zinc arrugada era cuatro veces más reactiva que una película plana. Probablemente se deba a que las películas arrugadas tienen una mayor superficie, que dan al material sitios más reactivos, Chen dijo.

Además de mejorar las propiedades de los metales, Chen señala que el proceso también representa una forma de hacer películas delgadas con materiales que normalmente no se prestan a configuraciones ultrafinas.

"Utilizando el confinamiento de grafeno, podemos orientar el montaje y síntesis de materiales en dos dimensiones, ", dijo." Según lo que aprendimos al hacer las películas de óxido de metal, podemos empezar a pensar en usar este método para hacer nuevos materiales 2D que de otra manera serían inestables en una solución a granel. Pero con nuestro método de confinamiento, creemos que es posible ".