Una técnica simple para producir nanocables de óxido directamente a partir de materiales a granel podría reducir drásticamente el costo de producir nanoestructuras unidimensionales 1D. Eso podría abrir la puerta a una amplia gama de usos en compuestos estructurales livianos, sensores avanzados, dispositivos electrónicos- y membranas de batería térmicamente estables y fuertes capaces de soportar temperaturas de más de 1,000 grados Celsius.
La técnica utiliza una reacción solvente con una aleación bimetálica, en la que uno de los metales es reactivo, para formar haces de nanocables nanofibras tras la disolución reactiva del metal. El proceso se lleva a cabo a temperatura y presión ambiente sin el uso decatalizadores, productos químicos tóxicos o procesos costosos como la deposición química de vapor. Los nanocables producidos se pueden utilizar para mejorar las propiedades eléctricas, térmicas y mecánicas de materiales funcionales y compuestos.
La investigación, que se informará esta semana en la revista ciencia , fue apoyado por la National Science Foundation y Sila Nanotechnologies, con sede en California. Se cree que el proceso es el primero en convertir polvos a granel en nanocables en condiciones ambientales.
"Esta técnica podría abrir la puerta a una variedad de oportunidades de síntesis para producir nanomateriales 1D de bajo costo en grandes cantidades", dijo Gleb Yushin, profesor de la Facultad de Ciencia e Ingeniería de Materiales del Instituto de Tecnología de Georgia. "Ustedesencialmente puede poner los materiales a granel en un balde, llenarlo con un solvente adecuado y recoger nanocables después de unas pocas horas, lo cual es mucho más simple que cuántas de estas estructuras se producen hoy en día ".
El equipo de investigación de Yushin, que incluyó a los antiguos estudiantes de posgrado Danni Lei y James Benson, ha producido nanocables de óxido de litio-magnesio y aleaciones de litio-aluminio utilizando una variedad de solventes, incluidos alcoholes simples. La producción de nanocables de otros materiales es parte de un proceso continuoinvestigación que no se informó en el documento.
Las dimensiones de las estructuras de nanocables se pueden controlar variando el disolvente y las condiciones de procesamiento. Las estructuras se pueden producir en diámetros que van desde decenas de nanómetros hasta micras.
"La minimización de la energía interfacial en el límite del frente de reacción química nos permite formar pequeños núcleos y luego retener su diámetro a medida que avanza la reacción, formando así nanocables", explicó Yushin. "Al controlar los cambios de volumen, la energía superficial,reactividad y solubilidad de los productos de reacción, junto con la temperatura y la presión, podemos ajustar las condiciones para producir nanocables de las dimensiones que queramos ".
Una de las aplicaciones atractivas pueden ser las membranas separadoras para baterías de iones de litio, cuya alta densidad de potencia las ha hecho atractivas para alimentar todo, desde productos electrónicos de consumo hasta aviones y vehículos de motor. Sin embargo, las membranas de separación de polímeros utilizadas en estas baterías no pueden soportar elaltas temperaturas generadas por ciertos escenarios de falla. Como resultado, las baterías comerciales pueden provocar incendios y explosiones, si no se diseñan con mucho cuidado y es extremadamente difícil evitar defectos y errores consistentemente en decenas de millones de dispositivos.
El uso de membranas de papel de bajo costo hechas de nanocables de cerámica podría ayudar a abordar esas preocupaciones porque las estructuras son fuertes y térmicamente estables, a la vez que flexibles, a diferencia de muchas cerámicas a granel. El material también es polar, lo que significa que sería más completohumedecido por varias soluciones de electrolitos de batería.
"En general, esta es una mejor tecnología para baterías, pero hasta ahora, los nanocables de cerámica han sido demasiado caros para considerarlos seriamente", dijo Yushin. "En el futuro, podemos mejorar aún más las propiedades mecánicas y ampliar la síntesis, reduciendo el consumotecnología de separador de cerámica de alto costo muy atractiva para los diseñadores de baterías "
La fabricación de los nanocables comienza con la formación de aleaciones compuestas de un metal reactivo y uno no reactivo, como litio y aluminio o magnesio y litio. La aleación se coloca en un solvente adecuado, que podría incluir un rango dealcoholes, como el etanol. El metal reactivo litio se disuelve desde la superficie en el solvente, produciendo inicialmente núcleos nanopartículas que comprenden aluminio.
Aunque el aluminio a granel no es reactivo con el alcohol debido a la formación de la capa de pasivación, la disolución continua de litio previene la pasivación y permite la formación gradual de nanocables de alcóxido de aluminio, que crecen perpendiculares a la superficie de las partículas desde los núcleos hastalas partículas se convierten por completo. Los nanocables de alcóxido se pueden calentar al aire libre para formar nanocables de óxido de aluminio y se pueden formar en hojas de papel.
El litio disuelto puede recuperarse y reutilizarse. El proceso de disolución genera gas hidrógeno, que podría capturarse y usarse para ayudar a alimentar el paso de calentamiento.
Aunque el proceso se estudió primero para fabricar nanocables de óxido de magnesio y aluminio, Yushin cree que tiene un amplio potencial para fabricar otros materiales. El trabajo futuro explorará la síntesis de nuevos materiales y sus aplicaciones, y desarrollará una mejor comprensión fundamental del proceso y predictivomodelos para racionalizar el trabajo experimental.
Los investigadores han producido hasta ahora cantidades de nanocables de laboratorio, pero Yushin cree que el proceso podría ampliarse para producir cantidades industriales. Aunque el costo final dependerá de muchas variables, espera ver que los costos de fabricación se reduzcan en varios pedidos demagnitud sobre las técnicas existentes.
"Con esta técnica, podría producir nanocables por un costo no mucho mayor que el de las materias primas", dijo. Más allá de las membranas de la batería, los nanocables podrían ser útiles en la recolección de energía, soportes de catalizadores, sensores, dispositivos electrónicos flexibles, compuestos estructurales ligeros, materiales de construcción, aislamiento eléctrico y térmico y herramientas de corte.
La nueva técnica se descubrió accidentalmente mientras los estudiantes de Yushin intentaban crear un nuevo material de membrana porosa. En lugar de la membrana que esperaban fabricar, el proceso generó polvos compuestos de partículas alargadas.
"Aunque el experimento no produjo lo que estábamos buscando, quería ver si podríamos aprender algo de él de todos modos", dijo Yushin. Los esfuerzos por comprender lo que sucedió finalmente condujeron a la nueva técnica de síntesis.
Además de los ya mencionados, la investigación incluyó a Alexandre Magaskinski de Georgia Tech y Gene Berdichevsky de Sila Nanotechnologies.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Georgia . Original escrito por John Toon. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :