美国开发出高度控制金属纳米结构的方法

据物理学家组织网报道，为了获得燃料电池中的催化剂和普通电池中的电极，工程师希望能制成多孔的金属薄膜，争取更大的表面面积以进行化学反应，并保有较高的导电性。而后者一直是一项令人沮丧的挑战。现在，美国康奈尔大学开发出了一种新方法，可使多孔金属薄膜的导电性提高1000倍。这一技术同时为制成多种可应用于工程和医学领域的金属纳米结构开启了大门。相关研究报告发表在近期出版的《自然·材料》杂志网络版上。

康奈尔大学材料科学和工程系教授乌利希·威斯纳说，他们已经借助混合加热方法，实现了对于所产生材料的构成成分、纳米结构和导电性等功能的高水平控制。新方法基于学界所熟悉的溶胶凝胶法，将一定的硅化合物和溶剂混合，可自组装出含纳米级蜂窝孔洞的二氧化硅结构。研究人员所面临的挑战就是添加金属，以创造出导电的多孔结构。

论文第一作者、现任美国西北大学研究员的斯科特·沃伦解释说，在此前的实验中，他们发现添加少量金属将破坏溶液形成凝胶的过程。而由于氨基酸分子的一端对硅具有吸引力，另一端对金属具有吸引力，科研人员萌生了利用氨基酸将金属原子和硅原子相连的想法，这可避免由相位分离引发的金属薄膜自组装过程中断。

基于上述途径能制造出更多的金属、硅碳纳米结构，并大幅提高其导电性。硅和碳可被移除，只留下金属多孔结构。但硅—金属结构即使在高温下也能保持自己的形态，这对于制造燃料电池十分有益。沃伦同时表示，仅移除硅留下碳—金属络合物则提供了其他可能性，包括可形成较大的孔洞等。

实验报告显示，新方法能被用于制造对构成成分和结构具高度控制水平的多种材料。科研团队几乎为元素周期表中的每种金属都制造出了一种结构，配合其他化学过程，孔洞的尺寸可达到10纳米至500纳米。他们同样制造了填充金属的硅纳米粒子，小到可被人类所摄入和吸收，这有望应用于生物医学领域。此外，威斯纳的团队还以制造出“康奈尔点”而闻名，其可将染料封装在硅纳米粒子中，因此溶胶凝胶工艺或也可应用于构建包含光敏染料的太阳能电池中。