p (Phys.org) —Nanoionics é um subcampo da nanotecnologia que se preocupa com fenômenos em nanoescala envolvendo a migração de íons em materiais sólidos. Até agora, Contudo, o confinamento de correntes iônicas a caminhos predefinidos de uma maneira semelhante ao movimento de elétrons em fios de condutores eletrônicos não foi explorado. p Para esse fim, Jonathan Berson, Doron Burshtain, Assaf Zeira, Alexander Yoffe, Rivka Maoz, e Jacob Sagiv do Departamento de Materiais e Interfaces do Instituto Weizmann de Ciência em Israel desenvolveram uma abordagem de prova de conceito para fazer padrões de superfície condutores de íons personalizados usando litografia construtiva e monocamadas auto-montadas de organossilano, aplicável a vários íons metálicos. Seu trabalho é relatado em Materiais da Natureza .

p A litografia construtiva envolve uma reação oxidativa eletroquímica entre a ponta de um microscópio de força atômica condutiva (AFM) e as moléculas ligadas a uma pastilha de silício, normalmente como monocamadas. Isso permite um nível de precisão em que se pode selecionar quais moléculas sofrerão a reação e quais não. Neste estudo, monocamadas de oganosilano compostas por Si-Cl ₃ âncoras, uma estrutura de carbono alifática, e um metil (-CH ₃ ) grupo terminal são seletivamente oxidados usando litografia construtiva. O grupo terminal de metila é oxidado a um grupo terminal de ácido carboxílico (-COOH), sem alterar o backbone e a âncora.

p A litografia construtiva permite a criação de pontos de limite nítidos. Essas fronteiras estão entre as regiões de superfície povoadas por moléculas terminadas em metil e aquelas povoadas por moléculas terminadas em ácido carboxílico. Eletrodos de um determinado metal podem ser colocados nas regiões de superfície terminadas em ácido carboxílico em tais locais de fronteira, estabelecendo assim uma via carboxílica para os íons viajarem.

p Para o sistema de modelo inicial nesta pesquisa, Berson e Burshtain, et al. colocado eletrodos de prata (Ag) em locais de limite, e, em seguida, executou DC voltagem através dos eletrodos, produzindo assim íons de prata móveis. Seu objetivo era ver se o Ag ⁺ íons coordenariam com os ácidos carboxílicos desprotonados, essencialmente atravessando o comprimento do caminho especificado do ânodo ao cátodo sem o uso de um eletrólito adicionado.

p A espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) verificou que o terminal -CH ₃ grupos convertidos em –COOH sem perturbar os outros segmentos da monocamada. Além disso, As leituras de FTIR foram feitas ao longo de um período de tempo enquanto uma corrente contínua. tensão de 1 mV a 100 mV foi aplicada. Isso confirmou que –COOH perdeu seu próton formando o sal de carboxilato de prata. O XPS confirmou que os íons de prata seguiram a via do carboxilato localizada entre os dois eletrodos e não interagiram com as moléculas terminadas em metil. Os estudos de resistência elucidaram o transporte de íons através de canais de comprimentos e larguras variados.

p O mesmo procedimento foi seguido com eletrodos de titânio em vez de eletrodos de prata. Berson e Burshtain et al. olhou para um sistema com eletrodos de titânio servindo como ânodo e cátodo, e um sistema de combinação com eletrodos de prata e titânio. FTIR confirmou a presença de Ti ⁴⁺ na superfície do sistema com eletrodos de titânio. O sistema de eletrodos mistos mostrou evidências de que um cátion pode substituir o outro na superfície de carboxilato enquanto competia por –COO disponível ^- sites.

p Os gráficos de Arrhenius do sistema de prata e titânio indicam que um mecanismo de condução semelhante ocorre no sistema de metal misto em comparação com o sistema de metal único. Há uma diferença entre a energia de ativação do titânio em comparação com a prata, que os autores acreditam ser provavelmente devido ao Ti ⁴⁺ coordenando para quatro –COO ^- moléculas em comparação com Ag ⁺ coordenando para um. Além disso, Ti ⁴⁺ ligação assume um caráter um pouco mais covalente do que Ag ⁺ .

p Embora os estudos acima mencionados tenham sido feitos em macroescala, a próxima etapa foi ver se o sistema modelo funcionaria com configurações de nanocanais. Os autores construíram um sistema com dois macrocanais separados por um nanocanal com eletrodos de prata residindo nos macrocanais e outro sistema no qual os eletrodos de prata estavam em cada lado de um nanocanal.

p Cálculos de resistência e imagens AFM indicaram que o sistema com dois macrocanais separados por um nanocanal se comportou de maneira semelhante aos macrocanais. Contudo, quando os eletrodos foram colocados nos limites do nanocanal, uma fina película de prata acumulada ao longo do canal em vez de no cátodo, provavelmente devido à maior densidade de fluxo de íons no sistema e, portanto, mais oportunidade para nucleação e subsequente crescimento do filamento de prata ao longo da via do nanocanal.

p Esta pesquisa demonstra a capacidade de adaptar canais condutores de íons usando litografia construtiva em monocamadas de alquil silano. Esta técnica é versátil na medida em que os canais condutores podem acomodar diferentes íons móveis produzidos pelo uso de diferentes metais podem ser usados ​​para os eletrodos.

p De acordo com o Dr. Sagiv, "Esta pesquisa demonstra a possível realização de um tipo conceitualmente novo de material iônico sólido genérico que pode ser moldado em canais condutores de íons com comprimentos predefinidos, larguras, e trajetórias, adequado para o transporte planejado de diferentes cátions selecionados ao longo de distâncias abrangendo dimensões de nano a macroescala. "Além disso, ele diz que as implicações mais amplas desta pesquisa "devem permitir a fabricação de circuitos iônicos projetados para tarefas e comutadores iônicos rápidos aplicáveis ​​em dispositivos futuros baseados em novos modos de processamento e armazenamento de informações." p © 2015 Phys.org