根據一項新研究，油在水面上的自發大面積擴散激發了為未來的傳感器/能源設備製作導電納米結構的便捷的節能途徑。油和水不能混合，但在油和水相遇的地方會發生什麼？或者空氣與液體相遇的地方？在這些界面上會發生獨特的反應，一個位於日本的研究小組利用這些反應首次成功構建了下一代傳感器和能源生產技術所需的均勻的導電納米片。
來自大阪府立大學、日本同步輻射研究所和東京大學的科學家們於今天（10月28日）在《ACS應用材料與界面》上發表了他們的研究成果。
“我們早就知道油在水的表面形成了一個大而均勻的薄膜–理解和利用這一熟悉的現象可以帶來節能的過程，”通訊作者，大阪府立大學材料科學系副教授Rie Makiura說。“通過利用類似界面的原材料組合，我們成功地創造了具有先進的三維納米結構的導電功能材料。”
這些材料是金屬-有機框架材料(MOFs)，它們是微孔的，由金屬離子和有機連接物組成，具有高度的組織性。據Makiura說，MOFs從納米技術到生命科學都有無數的潛在應用，但是一個未實現的特性使它們無法實現使用–大多數製造的MOFs不能很好地導電。
Makiura說：“為了在傳感器和能源設備等應用中利用導電MOFs的卓越特性，製造和整合具有確定孔徑、良好控制的生長方向和薄膜厚度的超薄薄膜是必要的，並且一直在積極尋求。”
以前的大多數MOF薄膜開發涉及從較大的晶體中剝離薄膜層並將其置於基底上。然而，根據Makiura的說法，這個過程很複雜，而且往往導致厚而不均勻的薄膜，導電性不高。為了開發超薄和均勻的導電納米片，她和她的團隊決定改變這種方法。
他們開始在金屬離子的水溶液上塗抹含有有機連接劑的溶液。一旦接觸，這些物質開始以六邊形排列組裝它們的組件。在一個小時內，這種排列繼續進行，因為在液體和空氣相遇的地方形成了納米片。在完成納米片的形成后，研究人員使用兩個屏障將納米片壓縮成更密集和連續的狀態。
Makiura說，這是一種簡化的方法，可以生產出具有高度組織化晶體結構的令人難以置信的薄納米片。研究人員通過顯微鏡和X射線晶體學分析證實了這種均勻的結構。可視化的緊密有序的晶體也表明了該材料的電性能，因為晶體在每個片中都是均勻接觸的，這也有利於片之間的緊密接觸。研究人員通過將納米片轉移到硅襯底上，加入金電極並測量導電性來測試這一點。
研究第一作者Takashi Ohata說：“儘管評估超薄薄膜並不容易，但當我們能夠證明它具有三維納米結構和高導電性時，我們感到很高興。”
研究人員現在正在研究各種參數如何影響納米片的形態，目的是開發一種可控制和可調整的方法，以創建具有目標電子特性的高質量納米片。
Makiura說：“我們在空氣/液體界面自下而上地將合適的分子構件組裝成一個擴展架構，實現了完美定向、導電的晶體納米片的創建。這項新發現進一步增強了空氣/液體界面合成的潛力，可以創造出各種各樣的納米片，真正用於許多潛在的應用，包括用於能源創造裝置和催化劑。”