טכניקה רב-תכליתית לייצור עיצוב היררכי בזהב ננו-נקבובי

לעתים קרובות נראה בטבע, ארכיטקטורות נקבוביות היררכיות חיקו בקנה מידה ננומטרי כדי לשנות את המאפיינים הפיזיים של חומרים לשיפור הביצועים¹. אלמנטים מבניים מחוברים זה לזה בקני מידה שונים של אורך הם מאפיין של הארכיטקטורה ההיררכית של חומרים נקבוביים². למתכות ננו-נקבוביות מסגסוגות יש בדרך כלל התפלגות גודל נקבוביות חד-מודאלית; לפיכך, פותחו טכניקות רבות ליצירת מבנים נקבוביים בימודאליים היררכיים עם שני טווחי גודל נפרדים של נקבוביות³. שתי המטרות הבסיסיות של גישת תכנון החומרים, כלומר שטח הפנים הספציפי הגדול לפונקציונליזציה ונתיבי הובלה מהירים, שהם מובחנים ומטבעם סותרים זה את זה, ממומשות על ידי חומרים פונקציונליים בעלי היררכיה מבנית ^4,5.

ביצועי החיישן האלקטרוכימי נקבעים על ידי המורפולוגיה של האלקטרודה, שכן גודל הנקבוביות של הננומטריצה חיוני להובלה מולקולרית ולכידה. נקבוביות קטנות נמצאו כמסייעות בזיהוי המטרה בדגימות מורכבות, בעוד נקבוביות גדולות יותר משפרות את נגישות מולקולת המטרה, ומגדילות את טווח הזיהוי של החיישן⁶. ייצור מבוסס תבנית, ציפוי אלקטרוליטי, כימיה סינתטית מלמטה למעלה, תצהיר מקרטע דק⁷, מטריצות גמישות מורכבות המבוססות על תמיכה פולידימתילסילוקסאן⁸, סגסוגת של מתכות שונות ואחריה חריטה סלקטיבית של המתכת הפחות אצילה, ואלקטרודפוזיציה הן חלק מהשיטות המשמשות לעתים קרובות להחדרת ננו-מבנים לאלקטרודה. אחת השיטות הטובות ביותר ליצירת מבנים נקבוביים היא הליך dealloying. בשל הפער בשיעורי ההתמוססות, מתכת ההקרבה, שהיא המתכת הפחות אצילה, משפיעה באופן משמעותי על המורפולוגיה הסופית של האלקטרודה. רשת מקושרת של נקבוביות ורצועות נובעת מתהליך יעיל של יצירת מבני זהב ננו-נקבוביים (NPG), שבו הרכיב הפחות אצילי מתמוסס באופן סלקטיבי מתוך סגסוגת ההתחלה, והאטומים הנותרים מתארגנים מחדש ומתאחדים⁹.

השיטה של dealloying/ציפוי/dealloying מחדש בשימוש על ידי דינג וארלבאכר כדי ליצור ננו-מבנים אלה כללה תחילה חשיפת סגסוגת קודמן המורכבת זהב וכסף לסגסוגת כימית באמצעות חומצה חנקתית, ולאחר מכן חימום בטמפרטורה גבוהה יותר עם התפלגות גודל נקבוביות אחת כדי ליצור את הרמה ההיררכית העליונה, והסרת הכסף שנותר באמצעות סגסוגת שנייה כדי לייצר את הרמה ההיררכית הנמוכה יותר. שיטה זו הייתה ישימה לסרטים דקים¹⁰. שימוש בסגסוגות טרינריות, המורכבות משתי מתכות אצילות תגובתיות יותר באופן יחסי, שנשחקות בזו אחר זו, הומלץ על ידי Biener ואחרים; Cu ו-Ag הוסרו בתחילה מהחומר Cu-Ag-Au, והותירו אחריהם דגימות NPG בעלות מבנה דו-מודאלי וצפיפות נמוכה¹¹. מבנים מסודרים לטווח ארוך אינם מיוצרים על ידי ההליכים המתוארים באמצעות סגסוגות טרינריות. נקבוביות גדולות יותר נוצרו על ידי חילוץ אחד השלבים של סגסוגת האב של אל-או שהועסק על ידי Zhang et al., אשר ייצר את המבנה הבימודאלי עם מידה מינימלית של סדר¹². על פי הדיווחים, מבנה היררכי מסודר נוצר על ידי שליטה בכמה סקאלות אורך, באמצעות שימוש במסלולי עיבוד הכוללים פירוק חומרים בתפזורת וחיבור רכיבים בסיסיים למבנים גדולים יותר. במקרה זה, מבנה NPG היררכי נוצר באמצעות כתיבת דיו ישירה (DIW), סגסוגת וסגסוגת¹³.

כאן מוצגת שיטת סגסוגת דו-שלבית לייצור מבנה היררכי של זהב ננו-נקבובי בימודאלי (hb-NPG) תוך שימוש בהרכבי סגסוגת Au-Ag שונים. כמות האלמנט הריאקטיבי שמתחתיו נעצרת הסגסוגת היא, בתיאוריה, גבול הפרידה. קינטיקה של דיפוזיית פני השטח מושפעת מעט מגבול הפרידה או סף הסגסוגת, שהוא בדרך כלל בין 50 ל -60 אחוז אטומי לפירוק אלקטרוליטי של הרכיב הריאקטיבי יותר מסגסוגת בינארית. חלק אטומי גדול של Ag בסגסוגת Au:Ag הכרחי לסינתזה מוצלחת של hb-NPG, מכיוון שלא ניתן להשלים בהצלחה את תהליכי הסגסוגת האלקטרוכימית והכימית בריכוזים נמוכים הקרובים לגבול הפרידה¹⁴.

היתרון של שיטה זו הוא שניתן לשלוט היטב במבנה ובגודל הנקבוביות. כל שלב בפרוטוקול חיוני לכוונון עדין של סולם אורך הנקבוביות האופייני והמרחק האופייני בין רצועות¹⁵. כדי לווסת את קצב הדיפוזיה וההמסה של יונים, המתח המופעל מכויל בקפידה. כדי למנוע סדקים במהלך dealloying, קצב המסת Ag נשלט.