Técnica versátil para producir un diseño jerárquico en oro nanoporoso

A menudo vistas en la naturaleza, las arquitecturas porosas jerárquicas han sido imitadas a nanoescala para alterar las características físicas de los materiales para mejorar el rendimiento¹. Los elementos estructurales interconectados de varias escalas de longitud son una característica de la arquitectura jerárquica de materiales porosos². Los metales nanoporosos desaleados suelen tener distribuciones de tamaño de poro unimodales; Por lo tanto, se han ideado múltiples técnicas para producir estructuras porosas jerárquicamente bimodales con dos rangos de tamaño de poro separados³. Los dos objetivos fundamentales del enfoque de diseño de materiales, a saber, la gran superficie específica para la funcionalización y las vías de transporte rápido, que son distintas e inherentemente en conflicto entre sí, se cumplen con materiales funcionales que poseen jerarquía estructural ^4,5.

El rendimiento del sensor electroquímico está determinado por la morfología del electrodo, ya que el tamaño de poro de la nanomatriz es crucial para el transporte molecular y la captura. Se ha descubierto que los poros pequeños ayudan en la identificación del objetivo en muestras complicadas, mientras que los poros más grandes mejoran la accesibilidad de la molécula objetivo, aumentando el rango de detección del sensor⁶. La fabricación basada en plantillas, galvanoplastia, química sintética ascendente, deposición de pulverización catódica de película delgada⁷, matrices flexibles complejas basadas en soporte de polidimetilsiloxano⁸, aleación de varios metales seguida de grabado selectivo del metal menos noble y electrodeposición son algunos de los métodos que se utilizan con frecuencia para introducir nanoestructuras en el electrodo. Uno de los mejores métodos para crear estructuras porosas es el procedimiento de desaleación. Debido a la disparidad en las tasas de disolución, el metal de sacrificio, que es el metal menos noble, influye significativamente en la morfología final del electrodo. Una red interconectada de poros y ligamentos resulta del proceso efectivo de creación de estructuras de oro nanoporoso (NPG), en las que el componente menos noble se disuelve selectivamente de la aleación inicial, y los átomos restantes se reorganizan y consolidan⁹.

El método de desaleación / recubrimiento / realeación utilizado por Ding y Erlebacher para hacer estas nanoestructuras implicó primero someter la aleación precursora compuesta de oro y plata a la desaleación química utilizando ácido nítrico, seguido de calentamiento a una temperatura más alta con una sola distribución de tamaño de poro para crear el nivel jerárquico superior, y eliminar la plata restante usando una segunda desaleación para producir el nivel jerárquico inferior. Este método era aplicable a películas delgadas¹⁰. El uso de aleaciones ternarias, que se componen de dos metales nobles comparativamente más reactivos que se erosionan uno a la vez, fue aconsejado por Biener et al; Cu y Ag se eliminaron inicialmente del material Cu-Ag-Au, dejando muestras de NPG bimodalmente estructuradas y de baja densidad¹¹. Las estructuras ordenadas de largo alcance no se producen mediante los procedimientos descritos utilizando aleaciones ternarias. Los poros más grandes se produjeron extrayendo una de las fases de la aleación maestra de Al-Au empleada por Zhang et al., que produjo la estructura bimodal con un grado mínimo de orden¹². Según los informes, se ha creado una estructura jerárquica ordenada mediante el control de varias escalas de longitud, mediante el uso de vías de procesamiento que incluyen el desmontaje de materiales a granel y la unión de componentes básicos en estructuras más grandes. En este caso, una estructura NPG jerárquica se hizo a través de escritura directa de tinta (DIW), aleación y desaleación¹³.

Aquí, se presenta un método de desaleación de dos pasos para fabricar una estructura jerárquica bimodal de oro nanoporoso (hb-NPG) empleando varias composiciones de aleación Au-Ag. La cantidad de elemento reactivo por debajo de la cual se detiene la desaleación es, en teoría, el límite de separación. La cinética de difusión superficial se ve ligeramente afectada por el límite de separación o umbral de desaleación, que generalmente está entre 50 y 60 por ciento atómico para la disolución electrolítica del componente más reactivo de una aleación binaria. Una gran fracción atómica de Ag en la aleación Au:Ag es necesaria para la síntesis exitosa de hb-NPG, ya que los procesos de desaleación electroquímica y química no pueden completarse con éxito a bajas concentraciones cerca del límite de separación¹⁴.

El beneficio de este método es que la estructura y el tamaño de los poros se pueden controlar estrictamente. Cada paso en el protocolo es crucial para ajustar la escala de longitud de porosidad típica y la distancia típica entre ligamentos¹⁵. Para regular la velocidad de difusión y disolución interfacial de iones, el voltaje aplicado se calibra cuidadosamente. Para evitar el agrietamiento durante la desaleación, se controla la velocidad de disolución de Ag.