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(Foco Nanowerk) Los óxidos metálicos mesoporosos (MMO), materiales con poros diminutos interconectados, son buscados para su integración en la electrónica flexible. Su gran superficie proporciona beneficios para todo, desde dispositivos de almacenamiento de energía hasta sensores químicos. Sin embargo, sintetizar MMO de forma fiable ha demostrado ser un gran desafío. Estas complicadas nanoestructuras suelen requerir temperaturas de producción superiores a 350 °C, lo que es incompatible con los sustratos plásticos. Y los intentos de crear MMO a temperaturas más bajas tuvieron un éxito limitado, lo que a menudo resultó en estructuras de poros colapsadas que eran inutilizables para dispositivos avanzados.
En particular, el método de alta temperatura tiene dos desventajas decisivas:
- Los óxidos metálicos con rápido crecimiento cristalino a altas temperaturas son difíciles de sintetizar en una estructura mesoporosa, lo que da como resultado una baja universalidad de la síntesis de varios óxidos metálicos mesoporosos.
- La síntesis directa sobre un sustrato de polímero flexible, necesaria para los materiales flexibles de almacenamiento de energía, no es posible.
Ahora, científicos dirigidos por el profesor Jin Kon Kim de POSTECH en Corea del Sur han demostrado una nueva técnica versátil que finalmente podría hacer posible producir MMO directamente a bajas temperaturas sobre plásticos sensibles al calor. Su enfoque combina un calentamiento suave con plasma de oxígeno para impulsar la formación de poros y la eliminación de la plantilla a sólo 150-200 °C.
El equipo desarrolló un enfoque innovador que permite simultáneamente la eliminación de plantillas y la formación de óxidos metálicos MO a bajas temperaturas. Este método utiliza los efectos sinérgicos de la activación térmica y el plasma de oxígeno. Mediante análisis sistemáticos, los investigadores han dilucidado el papel del calor y el plasma a la hora de facilitar la eliminación de la plantilla y la formación de MO. Esto les permitió producir con éxito varios MMO y sintetizarlos directamente sobre un sustrato flexible, una hazaña que antes no era posible utilizando métodos convencionales de síntesis a alta temperatura.
Publicación de sus resultados en Materiales avanzados (“Ruta sintética universal a baja temperatura para óxidos metálicos mesoporosos mediante la explotación del efecto sinérgico de la activación térmica y el plasma”), los investigadores demuestran un control notable en la síntesis de una variedad de óxidos metálicos porosos.
«El nuevo método de activación térmica y plasma (TAP) abre las puertas a la integración de MMO en electrónica flexible», explica Kim a Nanowerk. Debido a las altas temperaturas de producción anteriores, estos materiales se limitaron a dispositivos rígidos. La tecnología TAP abre nuevas posibilidades para integrar MMO en dispositivos electrónicos flexibles y portátiles. Hasta ahora, estos materiales se han limitado a dispositivos rígidos”.
La versatilidad del nuevo enfoque proviene del uso de plantillas de copolímeros en bloque autoensamblables (BCP). Al ajustar la química de BCP, los investigadores pueden determinar la estructura a nanoescala de las síntesis de MMO resultantes en todas las clases de materiales. Los BCP forman plantillas de mesoescala que controlan la condensación de los precursores.
Sin embargo, la eliminación de BCP según la dirección estructural ha sido un obstáculo persistente para la fabricación de MMO a bajas temperaturas.
Según Kim, el método TAP aborda este compromiso de larga data. El bombardeo de iones transfiere energía cinética al grabado de la plantilla, mientras que los radicales impulsan la cristalización del óxido en películas enteras.
«Nos dimos cuenta de que el efecto sinérgico de la activación térmica y el plasma podrían desempeñar funciones complementarias para permitir la síntesis de MMO por debajo de 200 °C», dice Kim. «Esto abrió la puerta a la integración directa en sustratos de polímeros flexibles».
Para demostrar sus capacidades, los investigadores utilizaron TAP para producir pentóxido de vanadio mesoporoso (MVO) de alta superficie, un candidato arquetípico de MMO para el almacenamiento de energía. Este material se sintetizó directamente sobre poliimida flexible recubierta de óxido de indio y estaño para construir un microsupercondensador interdigitado.
Lo que es notable es que el MVO producido por TAP superó significativamente a su contraparte procesada convencionalmente. Con una retención de capacidad de más del 90 % después de 10 000 ciclos, el MSC criogénico flexible demostró capacidades de almacenamiento de energía a la par de los modernos supercondensadores rígidos de pentóxido de vanadio.
«Las actuaciones son muy competitivas, lo que demuestra nuestro éxito en la síntesis de MMO y al mismo tiempo eliminamos prácticamente las compensaciones», enfatiza Kim. “La capacidad de sintetizar MMO directamente sobre sustratos plásticos es inherente a una durabilidad mecánica excepcional.
De cara al futuro, Kim espera que TAP se convierta pronto en una estrategia de fabricación de MMO convencional, especialmente para dispositivos flexibles. Las temperaturas de síntesis ultrabajas abren vías de integración a través de sustratos termosensibles que son prometedoras para dispositivos portátiles y electrónica flexible.
Pero la versatilidad de la tecnología también abre oportunidades para mejorar las aplicaciones MMO existentes mediante el control arquitectónico. Desde membranas filtrantes hasta vidrio fotocromático, las mesoestructuras adaptadas directamente podrían generar mejoras en la eficiencia y la multifuncionalidad.
«Realmente, dondequiera que los óxidos metálicos altamente porosos sean útiles, espero que los materiales compatibles con TAP superen a las soluciones actuales», sugiere Kim. «La tecnología finalmente abre las posibilidades de síntesis directa a baja temperatura que la gente ha deseado durante años».
La primera adquisición del sector confirma el optimismo de Kim. El investigador afirma que su grupo ya ha recibido numerosas solicitudes de colaboración de empresas activas en baterías, condensadores, catalizadores y sensores.
A pesar de todo el entusiasmo, Kim admite que quedan cuestiones fundamentales en lo que respecta a la escalabilidad. Si bien la ciencia puede permitir flexibilidad en la integración de MMO, las aplicaciones prácticas dependerán en última instancia de la preparación de la fabricación.
Mientras tanto, a Kim le gustaría ampliar la gama de materiales para TAP de baja temperatura y al mismo tiempo optimizar aún más las morfologías de los poros.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
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