Nanodestičky vrstevnatých hydroxidů – ultratenké stavební kameny

Nanodestičky jsou objekty, které mají jeden rozměr (tloušťku) řádově nanometr, zatímco zbylé dva rozměry mnohonásobně větší, až v řádu mikrometrů. Právě tato rozměrová nesourodost neboli tvarová anizotropie je odpovědná za jejich zajímavé vlastnosti.

Díky minimální tloušťce se většina atomů nanodestičky nachází na jejím povrchu, a proto jsou tyto atomy dobře přístupné vnějšímu prostředí. Další důležitou vlastností související s tvarem nanodestiček je jejich schopnost se samovolně uspořádat. Zjednodušeně to lze popsat tak, že se nanodestičky pokládají na nějaký povrch nebo samy na sebe vždy plochou stranou, podobně jako když se rozsype balíček karet na stůl. Uspořádáním nanodestiček na vhodném povrchu lze připravit velmi tenké (i několik nanometrů), ploché a průhledné filmy, využívané v moderních optických a elektronických zařízeních. Nanodestičky lze syntetizovat takzvaně „odspodu“ (bottom-up postup) přímo z molekul či iontů rozpuštěných v roztoku. Mnohem častěji se však připravují „shora-dolů“ (top-down postup) z vrstevnatého materiálu jeho řízeným rozpadem na jednotlivé samostatné vrstvy, procesem zvaným delaminace. Svými vlastnostmi jsou nanodestičky předurčeny stát se stavebními kameny pro přípravu pokročilých nanomateriálů.

Jak název napovídá, vrstevnatý materiál se skládá z vrstev paralelně poskládaných na sebe. Zatímco chemické vazby v rámci jedné vrstvy jsou pevné a vrstva je stabilní, vazby mezi sousedními vrstvami jsou slabé. Z tohoto důvodu je možné posouvat jednotlivé vrstvy po sobě, vmezeřovat neboli interkalovat mezi ně ionty či molekuly, popř. lze vrstvy od sebe úplně oddělit a tak izolovat jednotlivé nanodestičky. Jedním z nejznámějších vrstevnatých materiálů je grafit, složený z vrstev atomů uhlíku uspořádaných do šestiúhelníkové sítě. Delaminací grafitu se připravuje grafen, známý materiál s výjimečnými fyzikálními a chemickými vlastnostmi, například s výbornou elektrickou vodivostí a pevností. Dále se v běžném životě setkáváme s jílovými minerály, které za svou plasticitu vděčí interkalaci molekul vody a kationtů mezi vrstvy. V tomto článku popisujeme vlastnosti nových materiálů připravených z nanodestiček vrstevnatých hydroxidů.

Vrstevnaté hydroxidy jsou přírodní i syntetické materiály složené z kladně nabitých vrstev, které obsahují hydroxidové skupiny a ionty kovů, jako jsou hořčík, hliník, nikl nebo zinek (obr. 1). V prostoru mezi kladnými vrstvami jsou záporně nabité částice – anionty, které kompenzují jejich náboj. Výsledný materiál je „slepený“ elekrostatickými přitažlivými silami mezi kladně nabitými vrstvami a anionty, které mohou mít nejrůznější podobu od jednoduchých anorganických (např. uhličitanů) po velmi složité organické (aminokyseliny, DNA). Charakter aniontů je velmi důležitý, protože ovlivňuje vlastnosti a případné použití vrstevnatého hydroxidu. Vrstevnaté hydroxidy se často používají jako aditiva zlepšující vlastnosti polymerů, v katalýze nebo jako nosiče léčiv. V závislosti na kovu tvořícím vrstvy je lze využít i pro konstrukci baterií nebo pro přípravu nových magnetických a optických materiálů.

Vrstevnaté hydroxidy lze delaminovat podobně jako ostatní vrstevnaté materiály, přičemž jejich schopnost delaminace závisí na typu interkalovaného aniontu. Anionty s vyšším nábojem delaminaci znesnadňují, protože pevněji spojují kladně nabité vrstvy. Velké anionty s malým nábojem mohou naopak delaminaci usnadňovat, protože oddalují vrstvy od sebe a snižují přitažlivé síly držící materiál pohromadě. Další, neméně důležitou podmínkou úspěšné delaminace je volba vhodného rozpouštědla. Mícháním nebotřepáním pevného vrstevnatého hydroxidu v tomto rozpouštědle pak dochází k postupnému oddělení jednotlivých vrstev a vzniku disperze volných nanodestiček (obr. 2).

Metody přípravy, vlastnosti nanodestiček a možnost jejich uspořádání vedoucí k vzniku filmů vrstevnatých hydroxidů i v nanometrové tloušťce se intenzivně studují v posledních deseti letech. Takto se fyzikální a chemické vlastnosti daného vrstevnatého hydroxidu kombinují s vlastnostmi plynoucími z tvarové anizotropie nanodestiček, jako je jejich nanometrová tloušťka a velký aktivní povrch. V naší laboratoři jsme jako první připravili nanodestičky hydroxidů niklu a kobaltu ve vodě a studovali jejich vlastnosti. Tyto nanodestičky jsme připravili delaminací příslušných hydroxidů. Běžné hydroxidy niklu a kobaltu však delaminovat nelze, protože jsou jejich vrstvy vázány pevně k sobě. Proto jsme připravili tyto vrstevnaté hydroxidy s obsahem aniontů kyseliny mléčné mezi hydroxidovými vrstvami. Přítomnost kyseliny mléčné usnadňuje přístup molekul vody do prostoru mezi vrstvami, což vede k jejich úplnému oddělení (obr. 2). Naším výsledným produktem je disperze nanodestiček ve vodě, které při vysoké koncentraci tvoří gel (obr. 2). Po nanesení disperze na podložku dojde k samovolnému uspořádání nanodestiček do tenké vrstvy o tloušťce přibližně 2 a více nm. Pro představu, tloušťka 2 nm odpovídá maximálně třem hydroxidovým nanodestičkám uloženým na sobě.

Nanodestičky hydroxidů niklu a kobaltu jsou vhodnými materiály například pro konstrukci elektrod v bateriích. Rychlost nabíjení a vybíjení baterií také závisí na rychlosti difuze kompenzujících iontů v materiálu elektrod. Díky nanometrové tloušťce elektrod je difuze extrémně rychlá, a tak může nabíjení probíhat mnohem rychleji než u běžných baterií.