Uma técnica simples para produzir nanofios de óxido diretamente de materiais a granel pode reduzir drasticamente o custo de produção de nanoestruturas unidimensionais (1D). Isso poderia abrir a porta para uma ampla gama de usos em compósitos estruturais leves, sensores avançados, dispositivos eletrônicos - e membranas de bateria termicamente estáveis ​​e fortes, capazes de suportar temperaturas de mais de 1, 000 graus Celsius.

A técnica usa uma reação de solvente com uma liga bimetálica - na qual um dos metais é reativo - para formar feixes de nanofios (nanofibras) após a dissolução do metal reativo. O processo é conduzido à temperatura e pressão ambiente sem o uso de catalisadores, produtos químicos tóxicos ou processos caros, como deposição de vapor químico. Os nanofios produzidos podem ser usados ​​para melhorar a parte elétrica, propriedades térmicas e mecânicas de materiais funcionais e compostos.

A pesquisa, que está programado para ser relatado esta semana no jornal Ciência , foi apoiado pela National Science Foundation e Sila Nanotechnologies, sediada na Califórnia. Acredita-se que o processo seja o primeiro a converter pós a granel em nanofios em condições ambientais.

"Esta técnica pode abrir a porta para uma série de oportunidades de síntese para produzir nanomateriais 1D de baixo custo em grandes quantidades, "disse Gleb Yushin, professor da Escola de Ciência e Engenharia de Materiais do Instituto de Tecnologia da Geórgia. "Você pode basicamente colocar os materiais a granel em um balde, encha-o com um solvente adequado e colete os nanofios após algumas horas, que é muito mais simples do que quantas dessas estruturas são produzidas hoje. "

A equipe de pesquisa de Yushin, que incluiu ex-alunos de graduação Danni Lei e James Benson, produziu nanofios de óxido de ligas de lítio-magnésio e lítio-alumínio usando uma variedade de solventes, incluindo álcoois simples. A produção de nanofios a partir de outros materiais faz parte de uma pesquisa em andamento que não foi relatada no artigo.

As dimensões das estruturas de nanofios podem ser controladas variando o solvente e as condições de processamento. As estruturas podem ser produzidas em diâmetros que variam de dezenas de nanômetros a mícrons.

"A minimização da energia interfacial no limite da frente da reação química nos permite formar pequenos núcleos e, em seguida, reter seu diâmetro à medida que a reação prossegue, formando assim nanofios, "Yushin explicou." Ao controlar as mudanças de volume, energia de superfície, reatividade e solubilidade dos produtos de reação, junto com a temperatura e pressão, podemos ajustar as condições para produzir nanofios com as dimensões que desejamos. "

Uma das aplicações atraentes pode ser membranas separadoras para baterias de íon-lítio, cuja alta densidade de potência os tornou atraentes para alimentar tudo, desde produtos eletrônicos de consumo a aeronaves e veículos motorizados. Contudo, as membranas de separação de polímero usadas nessas baterias não podem suportar as altas temperaturas geradas por certos cenários de falha. Como resultado, baterias comerciais podem induzir incêndios e explosões, se não for projetado com muito cuidado e é extremamente difícil evitar defeitos e erros de forma consistente em dezenas de milhões de dispositivos.

O uso de membranas semelhantes a papel de baixo custo feitas de nanofios de cerâmica pode ajudar a resolver essas preocupações porque as estruturas são fortes e termicamente estáveis, além de ser flexível - ao contrário de muitas cerâmicas a granel. O material também é polar, o que significa que seria mais completamente umedecido por várias soluções de eletrólitos de bateria.

"Geral, esta é uma tecnologia melhor para baterias, mas até agora, os nanofios de cerâmica são muito caros para serem considerados seriamente, "Yushin disse." No futuro, podemos melhorar ainda mais as propriedades mecânicas e aumentar a síntese, tornando a tecnologia do separador de cerâmica de baixo custo muito atraente para os projetistas de baterias. "

A fabricação dos nanofios começa com a formação de ligas compostas por um metal reativo e um não reativo, como lítio e alumínio (ou magnésio e lítio). A liga é então colocada em um solvente adequado, que pode incluir uma variedade de álcoois, como o etanol. O metal reativo (lítio) se dissolve da superfície no solvente, inicialmente produzindo núcleos (nanopartículas) compreendendo alumínio.

Embora o alumínio a granel não seja reativo com o álcool devido à formação da camada de passivação, a dissolução contínua de lítio evita a passivação e permite a formação gradual de nanofios de alcóxido de alumínio, que crescem perpendiculares à superfície das partículas a partir dos núcleos até que as partículas sejam completamente convertidas. Os nanofios de alcóxido podem então ser aquecidos ao ar livre para formar nanofios de óxido de alumínio e podem ser formados em folhas semelhantes a papel.

O lítio dissolvido pode ser recuperado e reutilizado. O processo de dissolução gera gás hidrogênio, que poderia ser capturado e usado para ajudar a abastecer a etapa de aquecimento.

Embora o processo tenha sido estudado primeiro para fazer nanofios de óxido de magnésio e alumínio, Yushin acredita que tem um amplo potencial para fazer outros materiais. Trabalhos futuros irão explorar a síntese de novos materiais e suas aplicações, e desenvolver uma melhor compreensão dos fundamentos do processo e modelos preditivos para agilizar o trabalho experimental.

Os pesquisadores produziram até agora quantidades de nanofios em laboratório, mas Yushin acredita que o processo poderia ser ampliado para produzir quantidades industriais. Embora o custo final dependa de muitas variáveis, 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, catalyst supports, sensores, flexible electronic devices, lightweight structural composites, building materials, 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.