Siliconen nanodraden zelf assembleren in macroscopische netwerken voor geavanceerde materialen

Onderzoekers van het IMDEA Materials Institute hebben een baanbrekende methode ontwikkeld om siliciumnanodraden samen te stellen in geordende, macroscopische netwerken: een belangrijke stap in de richting van uitbreiding van hun industriële toepassingen.

Silicium nanodraden bieden uitzonderlijke energieopslagcapaciteit, elektrische geleidbaarheid en mechanische sterkte, waardoor ze ideaal zijn voor batterijen van de volgende generatie, elektronica en geavanceerde functionele materialen.

Individuele siliciumnanodraden zijn echter slechts 10-50 nanometer in diameter, ongeveer 1000 keer dunner dan een streng menselijk haar. Als zodanig vereisen veel van hun meest veelbelovende huidige en potentiële toepassingen de mogelijkheid om ze te verwerken en in grotere bundels te assembleren.

Het schalen van dit assemblageproces naar industrieel niveau is doorgaans moeilijk gebleken, omdat het nauwkeurige controle vereist over de afstemming en dichtheid van de gebundelde nanodraden, cruciaal voor hun prestaties in toepassingen zoals batterijen en sensoren.

“Eendimensionale nanomaterialen verlaten de reactor meestal als willekeurig geaggregeerde poeders”, legt onderzoeker Dr. David Tilve uit. “In deze ongeordende staat zijn hun eigenschappen en potentiële toepassingen ernstig beperkt. Een belangrijke uitdaging is om deze nanodraden zelf te assembleren in geordende, nanostructureerde materialen om hun volledige potentieel te ontgrendelen.”

“Door deze nanodraden succesvol te verwerken tot zeer uitgelijnde bundels, kunnen we het contactoppervlak tussen individuele nanodraden aanzienlijk vergroten, een kenmerk dat niet is waargenomen in willekeurig georiënteerde netwerken.”

“Dit niveau van structurele volgorde is niet eenvoudig te bereiken en markeert een opmerkelijke vooruitgang in nanodraadassemblagetechnieken,” voegt hij eraan toe.

De methode is uiteengezet in de recente publicatie “geordende silicium nanodraadbundelnetwerken van waterige dispersies” door Imdea Materials-onderzoekers Dr. Tilve, Felipe Lozano-Steinmetz, Dr. Isabel Gómez en Dr. Juan José Vilatela. Het onderzoek is gepubliceerd in het dagboek Nanotechnologie.

Ze ontdekten dat het ophangen van de nanodraden in water-een proces dat bekend staat als waterige suspensie-en vervolgens langzaam de vloeistof filterden via vacuümfiltratie, ervoor zorgde dat de draden in strak ingepakte bundels lijnen, die vervolgens aan elkaar linken om papierachtige netwerken te vormen.

“De bevinding van spontane uitlijning in oplossing, met name, zal leiden tot vooruitgang in vloeibare kristalapparaten, fotonische vezels en halfgeleidend textiel, onder andere,” zegt Dr. Tilve.

In het bijzonder bevatte elke bundel die werd geanalyseerd door onderzoekers ongeveer 15 individuele zelf-geassembleerde nanodraden met een scheiding tussen hen van slechts 0,4 nm, slechts iets groter dan de breedte van een enkel atoom.

Dit strakke bindingsproces resulteerde in macroscopische vellen met geordende arrays en een gecontroleerde dichtheid, die zeer geordend en robuust bleken te zijn. Dit opent de deur naar betere batterijen, snellere elektronica en geavanceerde materialen met nieuwe optische of mechanische eigenschappen.

Dit onderzoek is met name relevant, gezien recente ontwikkelingen in grootschalige silicium nanodraadproductie.

Dit werk maakt deel uit van het project van IMDEA om de nano- en macroschalen te overbruggen door de fabricage van papierachtige netwerkmaterialen gemaakt van nanodraden en om de eigenschappen van deze materialen te bestuderen voor mogelijke optische toepassingen of als elektroden voor energieopslag.