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Scientific Reports volume 12, numero articolo: 16537 (2022) Citare questo articolo

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Questo è un breve rapporto sulla fabbricazione di tappeti metallici concentrici multi-elemento attraverso una procedura di elettroingegneria bipolare rotazionale a vaso unico. Un pezzo sospeso di schiuma di nichel come elettrodo bipolare (BPE) viene fatto ruotare in una soluzione acquosa contenente una miscela ternaria di ioni metallici quando viene applicato un potenziale CC sufficiente agli elettrodi di guida. Gli strumenti personalizzabili di quest'arte sono il gradiente potenziale, la rotazione e la concentrazione/polarizzazione cinetica. La creazione del gradiente radiale multi-elemento viene generalmente testata in una galvanica artistica di gioielli a un vaso.

L'elettrodeposizione one-pot (galvanica) è un approccio semplice per la deposizione di specie ioniche elettroattive disciolte, in particolare ioni metallici, su substrati conduttivi per la fabbricazione di vari tipi di rivestimenti di materiali bi/tridimensionali1,2,3. Uno dei limiti della galvanica è l'impossibilità di creare gradienti di materiali (zone di materiale isolato) perpendicolari al campo applicato, che deriva dall'uniformità del potenziale applicato attraverso l'elettrodo di lavoro nell'elettrochimica convenzionale.

L'elettrochimica bipolare (BE) offre un gradiente potenziale attraverso gli elettrodi bipolari (BPE) immersi in elettroliti senza connessione elettrica diretta. La differenza di potenziale interfacciale applicata guida le reazioni redox sulle estremità (poli) del BPE. Le forme migliorate di questa capacità nell'elettrolita contenente ioni metallici elettroattivi con un conduttore fluttuante stazionario saranno utili nella galvanica wireless4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14. Dopo aver implementato un potenziale CC sufficiente per gli elettrodi di guida, a causa della creazione di una caduta di potenziale attraverso gli elettrodi di guida, viene generata una differenza di potenziale linearmente decrescente tra le estremità dell'oggetto sospeso che guida reazioni redox opposte su entrambi i lati di BPE15,16, 17,18.

Lo svantaggio principale negli studi di elettroplaccatura già bipolari19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31 è l'impossibilità del cambiamento intermittente della posizione bipolare del catodo/anodo, quindi dell'elettrodeposizione si verifica solo su un polo del BPE. A tal fine, è possibile ottenere un cambiamento di polarità spaziotemporale dei poli anodo/catodo32,33,34 tramite un'alimentazione CA per implementare un potenziale alternato agli elettrodi di guida. Nell’ultimo decennio, alcuni lavori di ricerca hanno esplorato il movimento di controllo di oggetti conduttori wireless per consentire diversi tipi di autopropulsione35,36,37,38,39. Un approccio più esaustivo e personalizzabile che consente di applicare il potenziale del gradiente interfacciale all'intero margine BPE di 360° è la rotazione del BPE utilizzando un controller del motore e un alimentatore CC. Consente di applicare un gradiente potenziale uniforme, successivo e coerente in tutto il BPE. Il composito elettrolitico preparato con questo metodo fornisce una composizione multielemento concentrica delle leghe metalliche isolate40.

In questo lavoro, la regolazione del potenziale di gradiente bipolare in funzione del potenziale DC applicato, la velocità di rotazione del BPE, la polarizzazione cinetica intrinseca degli ioni metallici (potenziali di riduzione standard) e la polarizzazione della concentrazione (concentrazione di precursori) generano un potenziale di gradiente combinatorio rilevato dal BPE ruotato, dotando una lega isolata concentrica attraverso il centro-bordo dei BPE. Abbiamo sfruttato questa metodologia in un'elettroingegneria artistica a vaso unico di due tipiche miscele ternarie di Cu-Ni-Mn e Cu-Co-Mn su schiuma di nichel (NF) come elettrodo bipolare.

Zone metalliche concentriche isolate simili a tappeti bidimensionali di Cu-Ni-Mn vengono tipicamente preparate mediante elettroplaccatura bipolare CC rotazionale. Un potenziale DC costante (da 4 a 12 V) è stato applicato tra una coppia di elettrodi di guida in acciaio inossidabile con una distanza di separazione di ca. 2,5 cm, come la lunghezza della cellula bipolare. Un pezzo di NF (10 × 12 mm) come un tipico BPE è stato collegato all'albero di un controller del motore, immerso al centro della cella BP contenente una particolare soluzione di ioni metallici, ed è stato fatto ruotare a una velocità costante di 100 rpm (ulteriori informazioni sulla sezione sperimentale si trovano in SI). La figura S1 mostra il punto di attacco del BPE alla punta dei rotatori che è rimasto invariato (il lato superiore è indicato in figura S1). Poiché i gradienti concentrici formati su entrambi i lati del BPE sono simmetrici, questo problema può essere risolto scambiando il punto di attacco da un lato all'altro del BPE a metà tempo della galvanica. Considerando l'esistenza di un gradiente potenziale dal bordo al centro del BPE, la selezione di concentrazioni variabili degli ioni metallici elettroattivi con diversi potenziali di riduzione standard consente il controllo delle polarizzazioni cinetiche e di concentrazione per controllare il gradiente concentrico di dissolvenza fabbricato attraverso il BPE. Inoltre, la polarità cambia attraverso la rotazione consentendo l'elettroingegneria a vaso unico del tappeto metallico. Prima di tutto, abbiamo voluto esplorare il ruolo effettivo dei poli anodici e catodici del BPE sulla galvanica e sull'elettrodissoluzione degli strati metallici. A tal fine, è stata realizzata una facile elettrodeposizione statica bipolare per distinguere il ruolo dell'anodo e del catodo del BPE nella formazione dei tappeti metallici. Il gradiente metallico lineare si era appena formato sul lato catodico, come mostrato in Fig. S2. La possibile dissoluzione anodica degli strati depositati sugli strati catodici è stata studiata anche mediante elettrodeposizione statica (a 8 V) di ioni metallici separatamente su tre distinte schiume di nichel (Fig. S3). Dopo la galvanica catodica, la posizione dei poli bipolari è stata scambiata mediante rotazione di 180° del BPE per considerare la possibile dissoluzione degli strati galvanici. Per lo strato di Cu, dopo la rotazione, lo strato primario depositato sul bordo del BPE si è dissolto al potenziale anodico (vedi Fig. S3). Nel caso del Ni la dissoluzione è stata inferiore, mentre per il Mn lo strato catodico depositato non è cambiato, confermando un trend di graduale diminuzione di Cu > Ni > > Mn. Questa tendenza relativa è determinante lungo la elettrodeposizione rotazionale di Cu, Ni e Mn.