Para crear catalizadores más eficientes, membrana de detección y separación, y dispositivos de almacenamiento de energía, los científicos a menudo comienzan con partículas que contienen pequeños canales de poros. Los defectos entre las partículas pueden obstaculizar el rendimiento. En el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico, un equipo creó un método de un solo recipiente que produce complejos, pirámides microscópicas bien estructuradas. Este enfoque ofrece control sobre el crecimiento de material tridimensional similar al visto en la naturaleza, un punto de referencia vital para la síntesis de materiales.

"Es relativamente fácil cultivar capas delgadas de material, "dijo la Dra. Maria Sushko, un científico de materiales de PNNL que trabajó en el estudio. "Ahora, podemos cultivar cristales tridimensionales soportados que también tienen una estructura ordenada más grande en el interior:un cristal dentro de un cristal ".

Los materiales de almacenamiento de energía que son más eficientes podrían ser la forma en que usamos la energía renovable. Catalizadores más eficientes, sensores, y los separadores que duran más y trabajan más duro podrían reducir la demanda de energía y el desperdicio de las plantas de fabricación y refinerías. Estas tecnologías requieren materiales innovadores, y la técnica del equipo ofrece una nueva forma de crearlos. Ahora, los científicos pueden desarrollar estructuras tridimensionales bien definidas en una superficie en un solo paso. Cultivar un material directamente en la superficie elimina pasos en la prueba de nuevas ideas para electrodos o catalizadores.

En los términos más simples, El enfoque del equipo aprovecha una relación entre el orden atómico de un sustrato de silicio, estructura de la plantilla orgánica, y estructura atómica del silicato de sodio. Cuando las moléculas orgánicas y un precursor de silicato de sodio se combinan en las proporciones correctas y la solución se calienta en presencia de la superficie de silicio, el sustrato de silicio dirige el autoensamblaje de la plantilla a lo largo de una dirección cristalográfica específica. La plantilla dirige la formación de silicato de sodio a lo largo de la misma dirección cristalográfica del sustrato, asegurando una combinación de celosía casi perfecta entre el silicio y el silicato de sodio.

Después de una serie de transformaciones, la plantilla orgánica forma una serie de micelas esféricas bien definidas de varios nanómetros de diámetro. Las micelas se disponen en una red cúbica y se encapsulan en silicato de sodio. El resultado es una matriz de pirámides porosas ordenadas orientadas con una red cúbica de poros bien definida, confirmado por microscopios electrónicos en el EMSL del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), una instalación de usuario científico.

En naturaleza, las proteínas dirigen el crecimiento de estructuras complejas, como conchas, esmalte de huesos y dientes. El enfoque novedoso del equipo proporciona un control preciso sobre la arquitectura de materiales similar al que se ve en la naturaleza. Los científicos pueden variar la estructura y el tamaño de las partículas. Su sistema hace diferentes estructuras, con diferentes tamaños y composiciones, según sea necesario. Este nivel de control en el laboratorio es un punto de referencia significativo para la síntesis de materiales.

La técnica del equipo es una adición importante a los métodos de sintetizar estructuras tridimensionales soportadas. El equipo está explorando formas de expandir esta técnica más allá del silicato de sodio a otros materiales.