Una técnica simple para producir nanocables de óxido directamente a partir de materiales a granel podría reducir drásticamente el costo de producción de nanoestructuras unidimensionales (1D). Eso podría abrir la puerta a una amplia gama de usos en compuestos estructurales ligeros, sensores avanzados, dispositivos electrónicos y membranas de batería resistentes y térmicamente estables capaces de soportar temperaturas de más de 1, 000 grados centígrados.

La técnica utiliza una reacción de disolvente con una aleación bimetálica, en la que uno de los metales es reactivo, para formar haces de nanocables (nanofibras) tras la disolución del metal reactivo. El proceso se realiza a temperatura y presión ambiente sin el uso de catalizadores, productos químicos tóxicos o procesos costosos como la deposición de vapor químico. Los nanocables producidos se pueden utilizar para mejorar la electricidad, propiedades térmicas y mecánicas de materiales funcionales y compuestos.

La investigación, que está programado para ser informado esta semana en la revista Ciencias , contó con el apoyo de la National Science Foundation y Sila Nanotechnologies, con sede en California. Se cree que el proceso es el primero en convertir polvos a granel en nanocables en condiciones ambientales.

"Esta técnica podría abrir la puerta a una variedad de oportunidades de síntesis para producir nanomateriales 1D de bajo costo en grandes cantidades, "dijo Gleb Yushin, profesor de la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales del Instituto de Tecnología de Georgia. "Básicamente, puedes poner los materiales a granel en un balde, llénelo con un disolvente adecuado y recoja los nanocables después de unas horas, que es mucho más simple que cuántas de estas estructuras se producen hoy ".

El equipo de investigación de Yushin, que incluía a los ex estudiantes de posgrado Danni Lei y James Benson, ha producido nanocables de óxido a partir de aleaciones de litio-magnesio y litio-aluminio utilizando una variedad de disolventes, incluidos los alcoholes simples. La producción de nanocables a partir de otros materiales es parte de una investigación en curso que no se informó en el documento.

Las dimensiones de las estructuras de nanocables se pueden controlar variando el disolvente y las condiciones de procesamiento. Las estructuras se pueden producir en diámetros que van desde decenas de nanómetros hasta micrones.

"La minimización de la energía interfacial en el límite del frente de reacción química nos permite formar pequeños núcleos y luego retener su diámetro a medida que avanza la reacción, formando así nanocables, "Yushin explicó." Al controlar los cambios de volumen, energía superficial, reactividad y solubilidad de los productos de reacción, junto con la temperatura y la presión, podemos ajustar las condiciones para producir nanocables de las dimensiones que queremos ".

Una de las aplicaciones atractivas puede ser membranas separadoras para baterías de iones de litio, cuya alta densidad de potencia los ha hecho atractivos para alimentar todo, desde productos electrónicos de consumo hasta aviones y vehículos de motor. Sin embargo, las membranas de separación de polímeros utilizadas en estas baterías no pueden soportar las altas temperaturas generadas por ciertos escenarios de falla. Como resultado, las baterías comerciales pueden provocar incendios y explosiones, si no se diseña con mucho cuidado y es extremadamente difícil evitar defectos y errores de manera constante en decenas de millones de dispositivos.

El uso de membranas similares al papel de bajo costo hechas de nanocables de cerámica podría ayudar a abordar esas preocupaciones porque las estructuras son fuertes y térmicamente estables. al mismo tiempo que es flexible, a diferencia de muchas cerámicas a granel. El material también es polar, lo que significa que se mojaría más a fondo con varias soluciones de electrolitos de batería.

"En general, esta es una mejor tecnología para baterías, pero hasta ahora Los nanocables de cerámica han sido demasiado caros para considerarlos seriamente, "Yushin dijo." En el futuro, podemos mejorar aún más las propiedades mecánicas y ampliar la síntesis, haciendo que la tecnología de separadores cerámicos de bajo costo sea muy atractiva para los diseñadores de baterías ".

La fabricación de los nanocables comienza con la formación de aleaciones compuestas por un metal reactivo y otro no reactivo, tales como litio y aluminio (o magnesio y litio). A continuación, la aleación se coloca en un disolvente adecuado, que podría incluir una variedad de alcoholes, como el etanol. El metal reactivo (litio) se disuelve de la superficie en el solvente, inicialmente productores de núcleos (nanopartículas) que comprenden aluminio.

Aunque el aluminio a granel no es reactivo con el alcohol debido a la formación de la capa de pasivación, la disolución continua del litio evita la pasivación y permite la formación gradual de nanocables de alcóxido de aluminio, que crecen perpendiculares a la superficie de las partículas partiendo de los núcleos hasta que las partículas se convierten por completo. Los nanocables de alcóxido se pueden calentar al aire libre para formar nanocables de óxido de aluminio y se pueden formar en láminas similares al papel.

El litio disuelto se puede recuperar y reutilizar. El proceso de disolución genera gas hidrógeno, que podría capturarse y usarse para ayudar a alimentar el paso de calentamiento.

Aunque el proceso se estudió primero para fabricar nanocables de óxido de aluminio y magnesio, Yushin cree que tiene un gran potencial para fabricar otros materiales. El trabajo futuro explorará la síntesis de nuevos materiales y sus aplicaciones, y desarrollar una mejor comprensión fundamental del proceso y modelos predictivos para agilizar el trabajo experimental.

Los investigadores han producido hasta ahora cantidades de laboratorio de los nanocables, pero Yushin cree que el proceso podría ampliarse para producir cantidades industriales. Aunque el costo final dependerá de muchas variables, he expects to see fabrication costs cut by several orders of magnitude over existing techniques.

"With this technique, you could potentially produce nanowires for a cost not much more than that of the raw materials, " he said. Beyond battery membranes, the nanowires could be useful in energy harvesting, soportes de catalizador, sensores, flexible electronic devices, lightweight structural composites, materiales de construcción, electrical and thermal insulation and cutting tools.

The new technique was discovered accidentally while Yushin's students were attempting to create a new porous membrane material. Instead of the membrane they had hoped to fabricate, the process generated powders composed of elongated particles.

"Though the experiment didn't produce what we were looking for, I wanted to see if we could learn something from it anyway, " said Yushin. Efforts to understand what had happened ultimately led to the new synthesis technique.

In addition to those already named, the research included Alexandre Magaskinski of Georgia Tech and Gene Berdichevsky of Sila Nanotechnologies.