Исследователи университета Брауна обнаружили новый метод производства ультратонких оксидно-металлических листов со сложной смятой поверхностью. В статье, опубликованной ACS Nano, исследователи демонстрируют, что компоновка узоров оксидно-металлических плёнок этим способом усиливает их производительность как фотокатализаторов и гальванических электродов.

На основе указанных исследований той же группой ученых были проведены новые исследований, в которых они разработали метод для внедрения тщательно-регулируемых морщинистых текстур в листы нано материала - оксида графена, и установили, что такое внедрение усиливает некоторые свойства графена. Они позволили графену лучше отталкивать воду и усилили его способность к электропроводимости.

Исследователи предположили, что похожие текстуры могли бы усилить свойства других материалов, особенно оксидов металлов, но существует небольшая проблема: для того, чтобы продемонстрировать смятие структур графена, команда сжимала листы много раз в разных направлениях. К сожалению, данный процесс не будет работать для оксидов металлов.

«Оксиды металлов слишком жесткие, - поясняет По Ен Чен, исследователь, который занимался данной работой после докторской диссертации в Брауновской школе инженерии. - Если вы попытаетесь их сжать, то они разрушатся».

Поэтому Чен, в сотрудничестве с лабораториями Роберта Хёрта и Иана Вонга, профессорами в университете Брауна, разработали метод, в котором смятые листы графена используются как лекала для производства оксидно-металлических плёнок со сложной поверхностью. «Мы показали, что мы можем передать форму поверхности от графена оксидам металлов» - сказал Чен.

Команда начала с производства большого количества смятых листов графена, используя метод, разработанный ранее. За этим они разместили графен на полимерном субстрате, который изменяет свои размеры при термическом воздействии. По мере того, как субстрат уменьшается, он сжимает графен, производя смятые структуры. Полимерный субстрат далее удаляется, оставляя чистые листы графена. Процесс сжатия может быть воспроизведён много раз, создавая еще более сложные структуры.

Этот процесс также позволяет контролировать типы текстур для формовки. Закрепление плёнки с обоих сторон с последующим процессом растяжения в одном направлении приводит к появлению периодических смятий; растяжение во всех направлениях производит комки. Эти растяжки могут воспроизводиться много раз во многих конфигурациях для производства широкого спектра текстур.

Для передачи полученных моделей на оксиды металлов, Чен поместил пачку смятых листов графена в водную среду, содержащую положительные ионы металла. Негативные ионы графена затягивают ионы металла в промежутки между листами, где они скрепляются и образуют тонкие листы металла, которые повторяют форму соответствующих лекал смятого графена. В конце концов, графен обогащается кислородом, оставляя смятые оксидно-металлические листы. Чен продемонстрировал, что данный процесс работает с широким спектром металлических окисей, включая цинковую, алюминиевую, марганцевую и медную окись.

Как только ученые произвели материалы, были проведены тесты для проверки количественных улучшений свойств металлических окисей, которых позволили достичь данная технология. Они узнали, что смятая окись марганца при использовании в качестве электрода батареи обладала емкостью в четыре раза больше, чем плоский лист. Это, вероятно, потому, что верхушки складок дают электронам определенное направление следования, позволяя материалу пропускать большее их количество в единицу времени.

Группа также протестировала способность смятой окиси цинка осуществлять фотокаталитическую реакцию – сокращали количество красителя в водной среде под действием ультрафиолетового излучения. Результаты показали, что плёнка окиси смятого цинка была более химически активной чем плоская плёнка. Согласно данным исследователей это вероятно благодаря тому, что смятые плёнки обладают большей поверхностной площадью, преподнося материалу более активные площади.

В дополнение к улучшению свойств металлов, Чен указывает, что процесс также демонстрирует способ производства тонких плёнок из материалов, из которых изначально нельзя получать тонкие пленки.

«Используя свойства графена по сдерживанию вещества между слоями, мы могли бы начать сборку и синтез 2D материалов, - сказал он. - Базирующееся на том, что мы узнали от производства оксидно-металлических плёнок. Мы можем начинать думать об использовании этого метода для производства новых 2D материалов, которые нестабильны в обычных условиях. Но с нашим методом удержания вещества между слоями графена мы полагаем, что это реально».