Amostras de filmes contendo metal auto-montados feitos pelo novo processo sol-gel. Os filmes são essencialmente de vidro em que átomos de metal estão suspensos, que transmite a cor., As linhas de grade têm 5 mm de distância. Crédito:Wiesner Lab
(PhysOrg.com) - Para catalisadores em células de combustível e eletrodos em baterias, engenheiros gostariam de fabricar filmes de metal porosos, para disponibilizar mais área de superfície para reações químicas, e altamente condutivo, para levar a eletricidade. Este último foi um desafio frustrante.
Mas os químicos da Cornell desenvolveram agora uma maneira de fazer filmes de metal poroso com até 1, 000 vezes a condutividade elétrica oferecida pelos métodos anteriores. Sua técnica também abre a porta para a criação de uma ampla variedade de nanoestruturas de metal para aplicações de engenharia e biomédicas, disseram os pesquisadores.
Os resultados de vários anos de experimentação são descritos na edição online de 18 de março da revista. Materiais da Natureza .
"Alcançamos níveis de controle sem precedentes sobre a composição, nanoestrutura e funcionalidade - por exemplo, condutividade - dos materiais resultantes, tudo com uma abordagem simples de mistura e aquecimento de 'uma panela', "disse o autor sênior Ulrich Wiesner, o professor de engenharia Spencer T. Olin.
Como parece para um químico:3-isocianatopropiltrietoxissilano (ICPTS), liga-se a um aminoácido que, por sua vez, agarra um íon metálico ("M" representa qualquer metal escolhido) de um acetato de metal, deixando o ácido acético para trás. Ter essas estruturas em mente levou ao Aha! momento para o pesquisador Scott Warren.
O novo método baseia-se no "processo sol-gel, "já familiar para os químicos. Certos compostos de silício misturados com solventes irão se automontar em uma estrutura de dióxido de silício (isto é, vidro) em forma de favo de mel com poros em escala nanométrica. O desafio enfrentado pelos pesquisadores era adicionar metal para criar uma estrutura porosa que conduz eletricidade.
Cerca de 10 anos atrás, Grupo de pesquisa de Wiesner, colaborando com o Cornell Fuel Cell Institute, tentei usar o processo sol-gel com os catalisadores que puxam os prótons das moléculas de combustível para gerar eletricidade. Eles precisavam de materiais que passassem alta corrente, mas adicionar mais do que uma pequena quantidade de metal interrompeu o processo sol-gel, explicou Scott Warren, primeiro autor do Materiais da Natureza papel.
Praticamente qualquer metal em toda a tabela periódica (mostrado em vermelho e azul) pode ser usado no novo processo. Aqueles marcados em azul podem ser comprados na prateleira de lojas de suprimentos de produtos químicos no formulário apropriado. Crédito:Wiesner Lab
Warren, que era então um Ph.D. estudante do grupo de Wiesner e agora pesquisador da Northwestern University, teve a ideia de usar um aminoácido para ligar átomos de metal a moléculas de sílica, porque ele percebeu que uma extremidade da molécula de aminoácido tem afinidade pela sílica e a outra extremidade pelos metais.
"Se houvesse uma maneira de anexar diretamente o metal ao precursor de sílica sol-gel, evitaríamos essa separação de fase que estava interrompendo o processo de automontagem, " ele explicou.
O resultado imediato é uma nanoestrutura de metal, sílica e carbono, com muito mais metal do que era possível antes, aumentando muito a condutividade. A sílica e o carbono podem ser removidos, deixando metal poroso. Mas uma estrutura de metal de sílica manteria sua forma nas altas temperaturas encontradas em algumas células de combustível, Warren observou, e remover apenas a sílica para deixar um complexo carbono-metal oferece outras possibilidades, incluindo poros maiores.
Os pesquisadores relatam uma ampla gama de experimentos mostrando que seu processo pode ser usado para fazer "uma biblioteca de materiais com um alto grau de controle sobre a composição e estrutura". Eles construíram estruturas de quase todos os metais da tabela periódica, e com química adicional pode "ajustar" as dimensões dos poros em uma faixa de 10 a 500 nanômetros. Eles também fizeram nanopartículas de sílica preenchidas com metal pequenas o suficiente para serem ingeridas e secretadas por humanos, com possíveis aplicações biomédicas. O grupo de Wiesner também é conhecido por criar "pontos Cornell, "que encapsulam corantes em nanopartículas de sílica, portanto, uma possível aplicação futura do processo sol-gel pode ser a construção de células solares Graetzel, que contêm corantes sensíveis à luz. Michael Graetzel da École Polytechnique Fédérale de Lausanne e inovador da célula Graetzel é co-autor do novo artigo. A medição da condutividade elétrica recorde foi realizada em seu laboratório.
A pesquisa foi apoiada pelo Departamento de Energia e, através de vários canais, a National Science Foundation.
