美開發(fā)出高度控制金屬納米結(jié)構(gòu)的方法

為了獲得燃料電池中的催化劑和普通電池中的電極，工程師希望能制成多孔的金屬薄膜，爭取更大的表面面積以進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，并保有較高的導(dǎo)電性。而后者一直是一項(xiàng)令人沮喪的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)在，美國康奈爾大學(xué)開發(fā)出了一種新方法，可使多孔金屬薄膜的導(dǎo)電性提高000倍。這一技術(shù)同時為制成多種可應(yīng)用于工程和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的金屬納米結(jié)構(gòu)開啟了大門。相關(guān)研究報告發(fā)表在近期出版的《自然·材料》雜志網(wǎng)絡(luò)版上。

康奈爾大學(xué)材料科學(xué)和工程系教授烏利希·威斯納說，他們已經(jīng)借助混合加熱方法，實(shí)現(xiàn)了對于所產(chǎn)生材料的構(gòu)成成分、納米結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電性等功能的高水平控制。新方法基于學(xué)界所熟悉的溶膠凝膠法，將一定的硅化合物和溶劑混合，可自組裝出含納米級蜂窩孔洞的二氧化硅結(jié)構(gòu)。研究人員所面臨的挑戰(zhàn)就是添加金屬，以創(chuàng)造出導(dǎo)電的多孔結(jié)構(gòu)。

論文*作者、現(xiàn)任美國西北大學(xué)研究員的斯科特·沃倫解釋說，在此前的實(shí)驗(yàn)中，他們發(fā)現(xiàn)添加少量金屬將破壞溶液形成凝膠的過程。而由于氨基酸分子的一端對硅具有吸引力，另一端對金屬具有吸引力，科研人員萌生了利用氨基酸將金屬原子和硅原子相連的想法，這可避免由相位分離引發(fā)的金屬薄膜自組裝過程中斷。

基于上述途徑能制造出更多的金屬、硅碳納米結(jié)構(gòu)，并大幅提高其導(dǎo)電性。硅和碳可被移除，只留下金屬多孔結(jié)構(gòu)。但硅—金屬結(jié)構(gòu)即使在高溫下也能保持自己的形態(tài)，這對于制造燃料電池十分有益。沃倫同時表示，僅移除硅留下碳—金屬絡(luò)合物則提供了其他可能性，包括可形成較大的孔洞等。

實(shí)驗(yàn)報告顯示，新方法能被用于制造對構(gòu)成成分和結(jié)構(gòu)具高度控制水平的多種材料?？蒲袌F(tuán)隊(duì)幾乎為元素周期表中的每種金屬都制造出了一種結(jié)構(gòu)，配合其他化學(xué)過程，孔洞的尺寸可達(dá)到0納米至500納米。他們同樣制造了填充金屬的硅納米粒子，小到可被人類所攝入和吸收，這有望應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。此外，威斯納的團(tuán)隊(duì)還以制造出“康奈爾點(diǎn)”而聞名，其可將染料封裝在硅納米粒子中，因此溶膠凝膠工藝或也可應(yīng)用于構(gòu)建包含光敏染料的太陽能電池中。