Selvsamlende materialer kan danne mønstre, der kan være nyttige i optiske enheder

Selvsamlende materialer kaldet blokcopolymerer, som er kendt for at danne en række forudsigelige, regelmæssige mønstre, kan nu laves om til meget mere komplekse mønstre, der kan åbne op for nye områder inden for materialedesign, siger et hold af MIT-forskere.

De nye resultater vises i journalen Naturkommunikation , i et papir af postdoc Yi Ding, professorer i materialevidenskab og teknik Alfredo Alexander-Katz og Caroline Ross, og tre andre.

"Dette er en opdagelse, der på en eller anden måde var tilfældig, " siger Alexander-Katz. "Alle troede, at det ikke var muligt, " han siger, beskriver holdets opdagelse af et fænomen, der gør det muligt for polymererne at samle sig selv i mønstre, der afviger fra almindelige symmetriske arrays.

Selvsamlende blokcopolymerer er materialer, hvis kædelignende molekyler, som oprindeligt er uorden, vil spontant indrette sig i periodiske strukturer. Forskere havde fundet ud af, at hvis der var et gentaget mønster af linjer eller søjler skabt på et underlag, og derefter blev der dannet en tynd film af blokcopolymeren på den overflade, mønstrene fra substratet ville blive duplikeret i det selvsamlede materiale. Men denne metode kunne kun producere simple mønstre såsom gitter af prikker eller linjer.

I den nye metode, der er to forskellige, uoverensstemmende mønstre. Den ene er fra et sæt stolper eller linjer ætset på et substratmateriale, og den anden er et iboende mønster, der er skabt af den selvsamlende copolymer. For eksempel, der kan være et rektangulært mønster på underlaget og et sekskantet gitter, som copolymeren danner af sig selv. Man ville forvente, at det resulterende blokcopolymerarrangement var dårligt ordnet, men det var ikke, hvad holdet fandt. I stedet, "det dannede noget meget mere uventet og kompliceret, " siger Ross.

Der viste sig at være en subtil, men kompleks slags orden - sammenlåste områder, der dannede lidt forskellige, men regelmæssige mønstre, af en type, der ligner kvasikrystaller, som ikke helt gentager, som normale krystaller gør. I dette tilfælde, mønstrene gentager sig, men over længere afstande end i almindelige krystaller. "Vi udnytter molekylære processer til at skabe disse mønstre på overfladen" med blokcopolymermaterialet, siger Ross.

Dette åbner potentielt døren til nye måder at lave enheder med skræddersyede karakteristika til optiske systemer eller for "plasmoniske enheder", hvor elektromagnetisk stråling resonerer med elektroner på præcist afstemte måder, siger forskerne. Sådanne enheder kræver meget nøjagtig positionering og symmetri af mønstre med nanoskala dimensioner, noget denne nye metode kan opnå.

Katherine Mizrahi Rodriguez, der arbejdede på projektet som bachelor, forklarer, at holdet forberedte mange af disse blokcopolymerprøver og studerede dem under et scanningselektronmikroskop. Yi Ding, der arbejdede på dette til sin doktorafhandling, "begyndte at kigge igen og igen for at se, om der dukkede nogle interessante mønstre op, " siger hun. "Det var da alle disse nye resultater på en måde udviklede sig."

De resulterende ulige mønstre er "et resultat af frustrationen mellem det mønster, polymeren gerne vil danne, og skabelonen, " forklarer Alexander-Katz. Den frustration fører til et brud på de oprindelige symmetrier og skabelsen af ​​nye underregioner med forskellige slags symmetrier indeni dem, han siger. "Det er den løsning, naturen kommer med. Forsøger at passe ind i forholdet mellem disse to mønstre, den kommer med en tredje ting, der bryder mønstrene for dem begge." De beskriver de nye mønstre som et "supergitter."

Efter at have skabt disse nye strukturer, holdet fortsatte med at udvikle modeller til at forklare processen. Medforfatter Karim Gadelrab Ph.D. '19, siger, "Modelleringsarbejdet viste, at de nye mønstre faktisk er termodynamisk stabile, og afslørede betingelserne, under hvilke de nye mønstre ville dannes."

Ding siger "Vi forstår systemet fuldt ud med hensyn til termodynamikken, " og selvsamlende processen "giver os mulighed for at skabe fine mønstre og få adgang til nogle nye symmetrier, som ellers er svære at fremstille."

Han siger, at dette fjerner nogle eksisterende begrænsninger i designet af optiske og plasmoniske materialer, og dermed "skaber en ny vej" for materialedesign.

Indtil nu, det arbejde, holdet har udført, har været begrænset til todimensionelle overflader, men i det igangværende arbejde håber de at udvide processen til den tredje dimension, siger Ross. "Tredimensionel fremstilling ville være en game changer, " siger hun. Nuværende fremstillingsteknikker til mikroenheder bygger dem op et lag ad gangen, hun siger, men "hvis du kan bygge hele objekter op i 3D på én gang, "Det ville potentielt gøre processen meget mere effektiv.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.