Uniwersytet w Nagoi badacze opracowali pionierską metodę tworzenia amorficznych nanoarkuszów opartą na środkach powierzchniowo czynnych, umożliwiającą produkcję z wcześniej niedostępnych materiałów, takich jak tlenki glinu i rodu.
Naukowcy z Uniwersytetu Nagoya w Japonii zajęli się poważnym wyzwaniem związanym z technologią nanoarkuszów. Ich innowacyjne podejście wykorzystuje środki powierzchniowo czynne do produkcji amorficznych nanoarkuszów z różnych materiałów, w tym trudnych do syntezy ultracienkich amorficznych tlenków metali, takich jak aluminium i rod. Ten przełom, opublikowany w Komunikacja przyrodniczaprzygotowuje grunt pod przyszłe postępy w zastosowaniu tych nanocząstek, takich jak te stosowane w ogniwach paliwowych.
Nadchodząca generacja nanotechnologii wymaga komponentów o grubości zaledwie kilku nanometrów (jedna miliardowa metra). Te ultracienkie warstwy, które są niezbędne do poprawy funkcjonalności, nazywane są nanoarkuszami.
Jednak ich mały rozmiar stwarza trudności w reakcjach katalitycznych. Wiele z tych arkuszy zachowuje regularny kształt z minimalnymi defektami. Ale kataliza generalnie opiera się na tych defektach w swoich reakcjach.
Co więcej, ich produkcja jest trudna ze względu na brak warstw, co sprawia, że tradycyjne techniki złuszczania polegające na nakładaniu warstw są nieskuteczne. To ograniczenie ograniczyło ich produkcję do typowych materiałów, takich jak węgiel i krzemionka, zamiast tlenków i tlenowodorotlenków metali przy użyciu materiałów takich jak rod, które są przydatne w technologii.
Nowatorskie rozwiązanie: synteza wspomagana środkami powierzchniowo czynnymi
Aby wypełnić tę lukę, grupa badawcza kierowana przez adiunkta Eisuke Yamamoto i profesora Minoru Osada z Instytutu Badań Materiałowych i Systemów (IMaSS) na Uniwersytecie w Nagoya opracowała adaptowalną metodę syntezy.
Proces rozpoczyna się od środka powierzchniowo czynnego w stanie stałym, który pomaga w uporządkowaniu jonów metali w jego strukturze, szczególnie w obszarach pomiędzy jego warstwami, zwanych przestrzenią międzywarstwową. Ponieważ amorficzne nanoarkusze nie mają warstw, warstwy środka powierzchniowo czynnego służą jako substytut.
Osada jest entuzjastycznie nastawiony do piękna tego procesu. „Faktycznie zsyntetyzowane kryształy środka powierzchniowo czynnego są piękne pod mikroskopem optycznym” – zachwyca się. „Możliwe jest zamknięcie różnych jonów metali w kryształach środka powierzchniowo czynnego i utworzenie różnorodnych kryształów”.
Następnie dodaje się wodę, która oddziałuje z jonami metali ułożonymi w warstwach środka powierzchniowo czynnego. Wywołuje reakcję zwaną hydrolizą, która prowadzi do częściowego rozkładu tych jonów i powstania małych, izolowanych klastrów.
Klastry można ułożyć w zorganizowaną strukturę za pomocą rozpuszczalnika, w szczególności substancji chemicznej zwanej formamidem. Organizacja ta jest kierowana przez początkowe kształty kryształów środka powierzchniowo czynnego w procesie znanym jako szablonowanie, w którym klastry metali tworzą arkusze odwzorowujące kształt kryształów środka powierzchniowo czynnego.
Osiągnięcia i potencjalne zastosowania
Metodą tą utworzono amorficzne nanoarkusze o grubości około 1,5 nm przy użyciu jonów galu. Bazując na tym sukcesie, Yamamoto i Osada zastosowali tę technikę do syntezy innych z trudnych tlenków i tlenowodorotlenków metali, takich jak aluminium i rod.
„Amorficzne nanocząstki w tej skali powinny charakteryzować się doskonałą aktywnością katalityczną, co przypisuje się licznym defektom wynikającym z ich nieuporządkowanej struktury” – wyjaśnia profesor Osada. „Te defekty są doskonałymi miejscami aktywnymi reakcji katalitycznych. Te amorficzne arkusze oferują zupełnie inną funkcjonalność w porównaniu z tradycyjnymi nanoarkuszami.”
Ta innowacyjna metoda nie tylko pozwala na syntezę różnorodnych nanocząstek z różnymi metalami gatunek ale także umożliwia łączenie wielu rodzajów metali w jednym arkuszu, otwierając drzwi do nowych materiałów i właściwości.
„Oczekuje się, że nowe klasy materiałów syntetyzowanych tą techniką przyczynią się do postępu w dziedzinie materiałów dwuwymiarowych i amorficznych, potencjalnie prowadząc do nowych właściwości fizycznych i zastosowań” – powiedział Osada.
Ponieważ reakcje katalityczne są ważne w ogniwach paliwowych, badacze są podekscytowani perspektywą wykorzystania ich badań do wytwarzania energii nowej generacji przyjaznej dla środowiska.
Odniesienie: „Solid-state surfaktant szablonowanie do kontrolowanej syntezy amorficznych 2D tlenków/oksywodorotlenków nanosheets” autorstwa Eisuke Yamamoto, Daiki Kurimoto, Kentaro Ito, Kohei Hayashi, Makoto Kobayashi i Minoru Osada, 4 sierpnia 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-51040-2
