Frugtkagestruktur observeret i organiske polymerer

Forskere har analyseret egenskaberne af en organisk polymer med potentielle anvendelser i fleksibel elektronik og afdækket variationer i hårdhed på nanoskala, første gang en så fin struktur er blevet observeret i denne type materiale.

Området for organisk elektronik har nydt godt af opdagelsen af ​​nye halvledende polymerer med molekylære rygrader, der er modstandsdygtige over for drejninger og bøjninger, hvilket betyder, at de kan transportere ladning, selvom de bøjes til forskellige former.

Det var blevet antaget, at disse materialer ligner en plade af spaghetti på molekylær skala, uden nogen lang rækkefølge. Men et internationalt hold af forskere fandt ud af, at for mindst ét ​​sådant materiale er der små lommer af orden indeni. Disse ordnede lommer, kun et par ti milliarder af en meter i diameter, er stivere end resten af ​​materialet, hvilket giver det en "frugtkage"-struktur med hårdere og blødere områder.

Arbejdet blev ledet af University of Cambridge og Park Systems UK Limited, med KTH Stockholm i Sverige, Universiteterne i Namur og Mons i Belgien og Wake Forest University i USA. Deres resultater, rapporteret i tidsskriftet Nature Communications , kunne bruges i udviklingen af ​​næste generation af mikroelektroniske og bioelektroniske enheder.

At studere og forstå de mekaniske egenskaber af disse materialer på nanoskala – et felt kendt som nanomekanik – kan hjælpe videnskabsmænd med at finjustere disse egenskaber og gøre materialerne egnede til en bredere vifte af anvendelser.

"Vi ved, at naturens struktur på nanoskalaen ikke er ensartet, men at finde ensartethed og orden, hvor vi ikke forventede at se det, var en overraskelse," sagde Dr. Deepak Venkateshvaran fra Cambridges Cavendish Laboratory, der ledede forskningen.

Forskerne brugte en billeddannelsesteknik kaldet højere egentilstandsbilleddannelse til at tage billeder i nanoskala af ordensregionerne i en halvledende polymer kaldet indacenodithiophene-co-benzothiadiazol (C16-IDTBT). Disse billeder viste tydeligt, hvordan individuelle polymerkæder stiller op ved siden af ​​hinanden i nogle områder af polymerfilmen. Disse ordensområder er mellem 10 og 20 nanometer på tværs.

"Følsomheden af ​​disse detektionsmetoder gjorde det muligt for os at kortlægge polymerers selvorganisering ned til de individuelle molekylære strenge," sagde medforfatter Dr. Leszek Spalek, også fra Cavendish Laboratory. "Højere egentilstandsbilleddannelse er en værdifuld metode til at karakterisere nanomekaniske egenskaber af materialer, givet den relativt nemme prøveforberedelse, der kræves."

Yderligere målinger af materialets stivhed på nanoskalaen viste, at de områder, hvor polymererne selvorganiserede sig i ordnede områder, var hårdere, mens de uordnede områder af materialet var blødere. Eksperimenterne blev udført under omgivende forhold i modsætning til et ultrahøjt vakuum, som havde været et krav i tidligere undersøgelser.

"Organiske polymerer studeres normalt for deres anvendelser i store områder, centimeterskala, fleksibel elektronik," sagde Venkateshvaran. "Nanomekanik kan udvide disse undersøgelser ved at udvikle en forståelse af deres mekaniske egenskaber i ultra-små skalaer med hidtil usete opløsninger.

"Tilsammen kan den grundlæggende viden opnået fra begge typer undersøgelser inspirere til en ny generation af bløde mikroelektroniske og bioelektroniske enheder. Disse futuristiske enheder vil kombinere fordelene ved centimeterskala fleksibilitet, mikrometerskalahomogenitet og nanometerskala elektrisk styret mekanisk bevægelse af polymerkæder med overlegen biokompatibilitet." + Udforsk yderligere

Forbedring af den elektromekaniske opførsel af en fleksibel polymer