Nanostrukturerede siloxan-baserede materialer til nye plastik og mikroelektronik

Selvorganiseringen af ​​molekylære komponenter i hierarkisk ordnede nanostrukturer er en væsentlig del af udviklingen af ​​nye materialer i nye nanoteknologier og bæredygtig plast. Brigitte Lamers undersøgte det komplekse samspil mellem molekylære drivkræfter for bulksamling for at finde struktur-egenskabsforhold i det område, der fusionerer blokcopolymerer og flydende krystaller. Hun forsvarede sin ph.d. den 23. juni.

Funktionen og makroskopiske egenskaber af de fleste materialer, der omgiver os, er stærkt relateret til dets mikro- eller nanostruktur, som er dannet af gunstige eller ugunstige interaktioner mellem de molekyler, den er sammensat af. Eksempler er plastik, sammensat af polymerer, hvor pakningen mellem polymerstrengene bestemmes af vekselvirkningen mellem strengene, som samlet set, bestemmer materialernes makroskopiske egenskaber.

Polymerer kan også bruges i nye nanoteknologier, hvor top-down litografi og bottom-up samling kombineres for at opnå meget organiserede linje- eller stiplede mønstre, som kan bruges til udvikling af elektroniske chips. Heri, interaktionerne, der styrer selvsamlingen af ​​blokcopolymererne, bestemmer den endelige nanostrukturerede morfologi.

Derfor, en forståelse af sammenhængen mellem molekylær struktur, nanostruktur og makroskopiske egenskaber er altafgørende for at skabe nye materialer til en bæredygtig fremtid, hvor vi kan gemme mængden af ​​data, der produceres i dag og holde vores oceaner rene med ny plast, der er let genanvendelig.

Spredningseffekter

For at forstå sammenhængen mellem struktur og egenskab, det er nøglen at bruge diskrete molekyler til at udelukke spredningseffekterne, kendt i polymerer. Disse spredningseffekter hæmmer dannelsen af ​​en meget ordnet nanostruktur af blokcopolymerer og forårsager en usikkerhed til at bestemme, hvor materialets egenskaber kommer fra, da hver polymerstreng har sin egen makroskopiske egenskab. Derfor, Brigitte Lamers brugte diskrete blok co-oligomerer til at studere deres selvsamling i hierarkisk organiserede nanostrukturer.

Lamers undersøgte struktur til egenskabsforhold af diskrete blok co-oligomerer, hvoraf en af ​​de to blokke er sammensat af diskret længde oligodimethylsiloxan. Siloxanen er meget uforenelig med mange andre oligomerer eller molekyler, som vi binder til oligomeren. Den ugunstige interaktion forårsager fasesegregation, som vi udnytter til den begrænsede selvsamling af blokco-oligomererne.

Inden for den faseadskilte tilstand, molekylet eller oligomeren, der er kovalent bundet til siloxanen, kan samles til endimensionelle (1D) eller todimensionelle (2D) nanostrukturer ved ikke-kovalente, supramolekylære interaktioner eller krystallisation, henholdsvis. Den indelukkede samling resulterer i højt organiserede nanostrukturer med ekstremt skarpe grænser mellem faserne, vigtig til litografiformål. I øvrigt, faseovergange er ekstremt skarpe, hvilket giver mulighed for udvikling af termoresponsive sensorer.

Makroskopiske egenskaber

I modsætning, krystallisationen eller selvsamlingen af ​​det molekyle, der er knyttet til siloxanen, kan også konkurrere med den faseadskillelse, som siloxanen inducerer. Dette forårsager defekter i den nanostrukturerede morfologi, som kan stamme fra en ubalance i diffusions- og krystallisationskinetik eller destabilisering af 3D-krystalstrukturen.

Vejudvælgelsen i dette komplekse samspil af interaktioner er meget følsom og kan ændres af små variationer i molekylær struktur. Lamers fandt ud af, at sådanne ændringer kan introducere en makroskopisk ændring af materialeegenskaberne. Hun ændrede også blokcooligomer-arkitekturen, hvilket gav slående forskelle i nanostrukturel rækkefølge. Selvom begge materialer var sammensat af de samme komponenter, hun fik en skør, krystallinsk materiale og en sej plast.

I øvrigt, hun har vist, at tilslutningen af ​​endeblokkene i et multikomponentmateriale har betydning for rækkefølgen i sammontagen. De retningsbestemte interaktioner i multikomponentenheden forårsager dannelsen af ​​den ordnede nanostruktur, som gjorde materialet anvendeligt til blød nanoelektronik. Disse eksempler understreger indflydelsen af ​​den molekylære struktur og nanostruktur på materialernes egenskaber.

Endelig, hun har brugt den opnåede viden om supramolekylære interaktioner i diskrete siloxan-baserede materialer til at opnå polydimethylsiloxan-baseret genanvendelig plast, hvori vi ændrede interaktionsstyrken af ​​det supramolekylære motiv for at opnå tre forskellige plaster med sprøde, viskøse eller termoplastiske elastiske egenskaber.