Banebrydende kemi tilgang kunne føre til mere robust blød elektronik

En ny tilgang til at studere konjugerede polymerer har gjort det muligt for et hærfinansieret forskerhold at måle, for første gang, de enkelte molekylers mekaniske og kinetiske egenskaber under polymerisationsreaktionen. Den opnåede indsigt kan føre til mere fleksible og robuste bløde elektroniske materialer, såsom sundhedsmonitorer og blød robotik.

Konjugerede polymerer er i det væsentlige klynger af molekyler spændt langs en rygrad, der kan lede elektroner og absorbere lys. Dette gør dem perfekt til at skabe blød optoelektronik, såsom bærbare elektroniske enheder; imidlertid, så fleksible som de er, disse polymerer er svære at undersøge i løs vægt, fordi de aggregerer og falder ud af opløsningen.

"Konjugerede polymerer er en fascinerende klasse af materialer på grund af deres iboende optiske og elektroniske egenskaber, der dikteres af deres polymerstruktur, sagde doktor Dawanne Poree, programleder, US Army Combat Capabilities Development Command, kendt som DEVCOM, Army Research Laboratory. "Disse materialer er yderst relevante for en række anvendelser af interesse for hær og DoD, herunder bærbar elektronik, bærbare enheder, sensorer, og optiske kommunikationssystemer. Til dato, desværre, det har været svært at udvikle konjugerede polymerer til målrettede applikationer på grund af mangel på levedygtige værktøjer til at studere og korrelere deres struktur-ejendomsforhold. "

Med hærens finansiering, forskere ved Cornell University anvendte en tilgang, de var banebrydende inden for andre syntetiske polymerer, kaldet magnetiske pincet, der tillod dem at strække og vride individuelle molekyler af den konjugerede polymerpolyacetylen. Forskningen blev offentliggjort i tidsskriftet Chem .

"Gennem brug af nye enkeltmolekyle manipulation og billeddannelsesmetoder, dette arbejde gav de første observationer af enkeltkædede adfærd i konjugerede polymerer, som lægger grundlaget for rationelt design og behandling af disse materialer for at muliggøre udbredt anvendelse, "Sagde Poree.

Tidligere bestræbelser på at løse opløseligheden af ​​konjugerede polymerer har ofte påberåbt sig kemisk derivatisering, hvor strukturerne modificeres med funktionelle grupper af atomer. Imidlertid, denne tilgang kan påvirke polymerens medfødte egenskaber.

"Den konjugerede polymer er virkelig en prototype, "sagde Dr. Peng Chen, Peter J.W. Debye professor i kemi og kemisk biologi ved Cornell. "Du ændrer det altid for at skræddersy det til applikationer. Vi håber alt, hvad vi målte - de grundlæggende egenskaber ved syntesekinetik, den mekaniske egenskab - blive benchmark -tal for folk at tænke på andre polymerer af samme kategori. "

I 2017, Chens gruppe var den første til at bruge den magnetiske pincettemålingsteknik til at studere levende polymerisering, visualisere det på enkeltmolekylniveau. Teknikken var allerede blevet brugt inden for biofysik til undersøgelse af DNA og proteiner, men ingen havde med succes udvidet det til området for syntetiske polymerer.

Processen fungerer ved at fæstne den ene ende af en polymerstreng til et glasdækglas og den anden ende til en lille magnetisk partikel. Forskerne bruger derefter et magnetfelt til at manipulere den konjugerede polymer, strækker eller vrider det, og måling af responsen af ​​en enkelt polymerkæde, der vokser.

Beløbene er så små, de forbliver opløselige i opløsning, den måde bulkbeløb normalt ikke ville.

Holdet målte, hvor lange kæder af konjugerede polymerer, som består af hundredtusinder af monomerenheder, vokse i realtid. De opdagede, at disse polymerer tilføjer en ny monomer i sekundet, en meget hurtigere vækst end deres ikke -konjugerede analoger.

"Vi fandt ud af, at mens vi voksede i realtid, denne polymer danner konformationelle sammenfiltringer, "Sagde Chen." Alle polymerer, vi har undersøgt, danner konformationsforviklinger, men for denne konjugerede polymer er denne konformationelle sammenfiltring løsere, lad det vokse hurtigere. "

Ved at trække og strække individuelle konjugerede polymerer, såkaldte kraftforlængelsesmålinger, forskerne var i stand til at vurdere deres stivhed og bedre forstå, hvordan de kan bøje i forskellige retninger, mens de forbliver konjugeret og bevarer elektronledningsevne.

De opdagede også, at polymererne viste forskellig mekanisk adfærd fra en individuel kæde til den næste adfærd, der var blevet forudsagt af teori, men aldrig blev observeret eksperimentelt.

Resultaterne fremhæver både det unikke ved konjugerede polymerer til en række applikationer samt styrken ved at bruge en enkeltmolekyle manipulation og billeddannelsesteknik på syntetiske materialer.

"Nu har vi en ny måde at undersøge, hvordan disse konjugerede polymerer fremstilles kemisk, og hvad der er den grundlæggende mekaniske egenskab ved denne type materiale, "Sagde Chen." Vi kan undersøge, hvordan disse grundlæggende egenskaber ændres, når du begynder at skræddersy dem til applikationsformål. Måske kan du gøre det mere mekanisk fleksibelt og gøre polymeren længere, eller juster syntesetilstanden for enten at syntetisere polymeren på en hurtigere eller langsommere måde. "