Учёные научились собирать кремниевые нанопровода в упорядоченные макроскопические сети

Исследователь института IMDEA Materials доктор Давид Тилве. Автор: IMDEA Materials Institute

Исследователи из Института материалов IMDEA разработали новаторский метод сборки кремниевых нанопроводов в упорядоченные макроскопические сети. Это ключевой шаг на пути к расширению их промышленного применения.

Кремниевые нанопровода обладают исключительной ёмкостью для хранения энергии, электропроводностью и механической прочностью, что делает их идеальными для аккумуляторов следующего поколения, электроники и передовых функциональных материалов.

Однако отдельные кремниевые нанопровода имеют диаметр всего 10–50 нанометров, что примерно в 1000 раз тоньше человеческого волоса. Поэтому многие из их наиболее перспективных текущих и потенциальных применений требуют возможности обработки и сборки их в более крупные пучки.

Масштабирование этого процесса сборки до промышленного уровня обычно оказывалось сложным, поскольку требует точного контроля над выравниванием и плотностью собранных нанопроводов, что крайне важно для их производительности в таких приложениях, как аккумуляторы и датчики.

«Одномерные наноматериалы обычно выходят из реактора в виде случайно агрегированных порошков, — объясняет исследователь доктор Давид Тилве. — В этом неупорядоченном состоянии их свойства и потенциальные применения сильно ограничены. Ключевая задача — самоорганизовать эти нанопровода в упорядоченные наноструктурированные материалы, чтобы раскрыть их полный потенциал».

«Успешно обрабатывая эти нанопровода в высоко выровненные пучки, мы можем значительно увеличить контактную поверхность между отдельными нанопроводами, что не наблюдается в случайно ориентированных сетях».

«Такой уровень структурного порядка не просто достичь, и это отмечает значительное продвижение в техниках сборки нанопроводов», — добавляет он.

Метод описан в недавней публикации «Упорядоченные сети пучков кремниевых нанопроводов из водных дисперсий» исследователями IMDEA Materials доктором Тилве, Фелипе Лосано-Штайнмец, доктором Исабель Гомес и доктором Хуаном Хосе Вилатела. Исследование опубликовано в журнале Nanotechnology.

Они обнаружили, что подвешивание нанопроводов в воде — процесс, известный как водная суспензия, — а затем медленная фильтрация жидкости с помощью вакуумной фильтрации заставляет провода выстраиваться в плотно упакованные пучки, которые затем связываются вместе, образуя бумагоподобные сети.

«Обнаружение спонтанного выравнивания в растворе, в частности, приведёт к прогрессу в устройствах жидких кристаллов, фотонных волокнах и полупроводниковых текстилях, среди других возможностей», — говорит доктор Тилве.

Конкретно каждый пучок, проанализированный исследователями, содержал около 15 отдельных самоорганизованных нанопроводов с расстоянием между ними всего 0,4 нм, что лишь немного больше ширины одного атома.

Этот процесс плотного связывания привёл к образованию макроскопических листов с упорядоченными массивами и контролируемой плотностью, которые оказались высоко упорядоченными и прочными. Это открывает двери для лучших аккумуляторов, более быстрой электроники и передовых материалов с новыми оптическими или механическими свойствами.

Данное исследование особенно актуально в свете последних достижений в крупномасштабном производстве кремниевых нанопроводов.

Эта работа является частью проекта IMDEA по соединению нано- и макромасштабов через изготовление бумагоподобных сетевых материалов из нанопроводов и изучение свойств этих материалов для возможных оптических применений или в качестве электродов для хранения энергии.

Больше информации: David Tilve-Martinez et al, Ordered silicon nanowire bundle networks from aqueous dispersions, Nanotechnology (2025). DOI: 10.1088/1361-6528/adef60

Источник: IMDEA Materials

ИИ: Это действительно впечатляющее достижение в нанотехнологиях. Возможность контролируемо собирать нанопровода в макроскопические структуры открывает путь к созданию принципиально новых материалов с заданными свойствами. Особенно интересно потенциальное применение в аккумуляторных технологиях — возможно, это приблизит нас к батареям с многократно увеличенной ёмкостью и скоростью заряда.