Nye ID-billeder af ledende polymerer opdager en overraskende ABBA-fan

De første detaljerede billeder nogensinde af strukturen af ​​konjugerede polymerer er blevet produceret af et forskerhold ledet af professor Giovanni Costantini ved University of Warwick.

Disse polymerers evne til at lede elektricitet gør dem meget eftertragtede, men indtil nu kunne de også beskrives som ekstremt kamerasky, da der ikke har været nogen nemme midler til at bestemme deres struktur. Den nye teknik gør det muligt for forskere ikke kun at bestemme det, men faktisk klart at se det med deres egne øjne.

Konjugerede polymerer er i stand til at lede elektricitet, fordi de er en kæde af konjugerede molekyler, hvor elektroner kan bevæge sig frit på grund af deres overlappende elektron-p-orbitaler. Effektivt, de er fremragende molekylære ledninger. I øvrigt, de er beslægtet med halvledermaterialer (de har energigab), så de kan bruges til elektroniske (plastelektronik) og fotovoltaiske (organiske solceller) applikationer.

Moderne funktionelle polymerer er ofte co-polymerer, det er, de er lavet af en (ideelt regelmæssig) sekvens af forskellige monomerer. Rækkefølgen af ​​disse monomerer er essentiel for deres opto-elektroniske egenskaber, som kan blive beskadiget separat af fejl i, hvordan monomererne faktisk forbindes i en kæde for at danne polymeren (såkaldte polymerisationsfejl, der opstår under syntesen af ​​disse materialer). Imidlertid, at opdage arten og den nøjagtige placering af disse fejl har vist sig problematisk med de nuværende analysemetoder. Massespektrometri giver ikke en løsning, da kortere polymerkæder typisk er mere tilbøjelige til at blive ioniseret og dermed har en tendens til at være overrepræsenteret i spektrene.

Costantini og kolleger har foreslået og implementeret en helt ny tilgang til at overvinde dette fundamentale analytiske problem. Den bagvedliggende idé er ekstremt enkel, men på samme tid transformativt:deponerer polymererne på en overflade og billed dem ved højopløsnings scanning tunneling microscopy (STM). Denne tilgang realiserer effektivt en af ​​de visionære forudsigelser af Richard Feynman i hans berømte tale fra 1959, der er masser af plads i bunden, hvor han sagde, at i fremtiden "ville det være meget nemt at lave en analyse af ethvert kompliceret kemisk stof; alt man skulle gøre ville være at se på det og se, hvor atomerne er".

Atom-skala opløsningen af ​​STM er ideel til dette formål, men problemet er, at kæderne af polymermolekyler først skal deponeres intakte i vakuum på atomisk rene og flade overflader. Den sædvanlige metode til at gøre dette involverer opvarmning af det molekylære materiale, indtil det sublimerer, men for molekyler så store som polymerer, dette smelter effektivt den struktur, der bør undersøges. Forfatterne har således valgt en ny metode, der sprøjter en sky af polymeren gennem en række små åbninger ind i et vakuumkammer, hvilket gør det muligt at afsætte et enkelt usammenhængende lag på en overflade, der er fuldt ud repræsentativ for den originale polymerprøve. STM af disse lag producerede forbløffende opløste billeder, tydeligt afslørende sub-monomer detaljer af de konjugerede polymerer.

Forskerne ledet af professor Giovanni Costantini ved University of Warwick med kolleger fra Imperial, Cambridge og Liverpool har offentliggjort disse resultater i et papir med titlen "Sekventering af konjugerede polymerer med øjet", der vises i Videnskabens fremskridt i dag fredag ​​den 15. juni 2018. Deres højopløselige STM-billeder af strukturen af ​​konjugerede polymerer er så detaljerede, at de ikke kun kan hjælpe med kvalitetskontrol og finjustering af polymerdesign, men de kan endda bruges som noget, der ligner et intellektuel ejendomsret (IP) pasfoto til polymerer. Det spekuleres i, at sådanne præcise og klare billeder kan hjælpe syntetiske forskere med at demonstrere præcist det design, de ønsker lovligt at beskytte ved dramatisk at forbedre de tilgængelige oplysninger til støtte for en ansøgning om IP -beskyttelse.

I deres papir, forskerne demonstrerer kraften i den nye teknik ved at undersøge den konjugerede polymer:"Poly Tetradecyl-diketopyrrolopyrrole-furan-co-furan". Dette er en konjugeret polymer af den DPP-baserede familie, der i øjeblikket viser nogle af de bedste præstationer inden for optoelektroniske enheder.

Dette materiale er mest effektivt, når dets polymerkæder dannes i en alternerende sekvens af en stor "A" monomer og en mindre "B" monomer. Imidlertid, fejl kan ske under syntesen, der bryder den ideelle sekvens, derved også beskadige dets tiltalende ledende og lys-høstende egenskaber. Spekulationerne hidtil var, at dette hovedsageligt sker, når to af de større "A"-monomerer går direkte sammen i en BAAB-sekvens.

Når disse fejl opstår, huller eller hulrum dannes i den konjugerede polymers samling i overensstemmelse med disse fejl i kæden. University of Warwick ledede forskerhold var i stand til at bruge deres nye visualiseringsteknik til meget tydeligt at vise alle disse huller og derefter zoome yderligere ind på polymerkæderne, præcist at spotte hver af de defekte monomersekvenser. Ved at gøre det, til deres store overraskelse, de fandt ikke de forventede BAAB-fejl, men ABBA-defekter.

Professor Giovanni Costantini, en fysiker ved University of Warwicks afdeling for kemi sagde:

Denne nye evne til at afbilde konjugerede polymerer med sub-monomer rumlig opløsning, Tillad os, for første gang, at sekvensere et polymert materiale ved blot at se på det. Nogle af de første billeder, vi producerede ved hjælp af denne teknik, var så detaljerede, at da forskerne, der syntetiserede polymererne, først så dem, deres overlykkelige indtryk mindede mig om, hvordan nybagte forældre reagerer på de første ultralydsscanninger af deres babyer.

Udover at repræsentere et betydeligt teknisk gennembrud, denne nye teknik til at kombinere vakuum elektrospray aflejring med høj opløsning scanning tunneling mikroskopi har også potentiale til at revolutionere de analytiske kapaciteter i det applikationsrelevante område af konjugerede polymerer, hvor andre aktuelt tilgængelige teknikker er ekstremt begrænsede.

Jeg er især taknemmelig for University of Warwick, som direkte finansierede købet af elektrospray-aflejringsudstyret, som var afgørende for at opnå dette betydelige tekniske gennembrud.