Mindskelse af straffen for at skabe blokcopolymer nanostrukturer

Hvordan laver man et materiale, der har elasticiteten som et gummibånd og varmeisoleringen af ​​en Styrofoam kop? Forbind to forskellige polymerkæder - poly(isopren) og poly(styren) - ende mod ende som en serie af byggeklodser til børn. Resultatet er en passende navngivet "blok copolymer", der kan prale af egenskaberne af begge materialer og er almindeligt anvendt i dæk til biler og såler af sportssko.

Men det mest imponerende træk ved en blokcopolymer er dens evne til selv at samle. Forestille, for eksempel, at tabe en blanding af poly(isopren) og poly(styren) på gulvet. De to inkompatible blokke vil 'faseadskilles' som olie og vand. Imidlertid, forbinder enderne af de to polymerer sammen, og materialet kan normalt samles til et veldefineret materiale med nanoskala struktur.

Den naturlige samling er ekstremt værdifuld til nye applikationer i nanoskala, herunder materialer til brændselsceller, lithium-ion batterier, og organisk solcelle.

Blokcopolymerer kan skabe veldefinerede nanostrukturer uden traditionel nanoskalabehandling, sagde University of Delaware-forsker Thomas Epps. Brugen af ​​blokcopolymerer kan hjælpe med at forstærke eller erstatte litografiske og andre teknikker, hvilket betyder, at man kan lave nanoskala materialer uden de dyre værktøjer.

For at drage fuld fordel af en blokcopolymers molekylære arkitektur, forskere leder efter måder at kontrollere interaktionerne mellem polymerblokke ved hjælp af midler som høje temperaturer og selektive opløsningsmidler.

"Når jeg laver en copolymer af en bestemt sammensætning og molekylvægt, Jeg har typisk låst mig fast i en behandlingstemperatur baseret på de kemiske faktorer, " sagde Epps. "Vi ønsker at finde en måde at tune disse materialer på, så uanset hvilke blokke der kombineres, vi kan kontrollere behandlingsforholdene."

At gøre dette, Epps og andre University of Delaware-forskere Nripen Singh og Maeva Tureau udforsker tuning med tapering, hvilket øger polymerens kompatibilitet ved at udjævne den kemiske grænseflade mellem de to blokke.

Tapering konceptualiseret:tænk på en blok af lilla perler, der er knyttet til en blok af blå perler. En almindelig blokcopolymer vil have en skarp grænseflade, der adskiller de to typer perler. I en tilspidset blokcopolymer, et område mellem de to blokke er blevet indsat, således at antallet af lilla perler langsomt vil falde, efterhånden som antallet af blå perler stiger. I en omvendt tilspidset blokcopolymer, det modsatte sker (se figur).

Tapering af grænsefladen menes at reducere "straffen" ved at blande de to meget forskellige blokke. Resultatet er en lavere forarbejdningstemperatur, som er nemmere og billigere at opnå, og større kemisk kompatibilitet.

For at teste denne idé, forskerne syntetiserede en række koniske poly(isopren-b-styren) blokcopolymerprøver ved University of Delaware:prøver med forskellige koniske længder (fra 15-35 procent tilspidset materiale) med enten normal eller omvendt tilspidsning.

Prøverne blev derefter opvarmet og afkølet, mens forskere observerede ændringerne i materialet med småvinklet røntgenspredning ved NSLS (beamline X27C) og Argonnes Advanced Photon Source, og transmissionselektronmikroskopi og dynamisk mekanisk analyse ved University of Delaware.

Deres resultater, som udkom i december 7, 2009 udgave af Blødt stof , bevist, at forskere kan justere kompatibiliteten af ​​blokcopolymerer (via tapering) uden at skade materialets rækkefølge eller mekaniske egenskaber. Forskningen afslørede også, at omvendt tapering giver den største stigning i kompatibilitet.

"Den omvendte tilspidsning fremtvinger mere ugunstige interaktioner i den syntetiserede copolymer, så straffen for at skabe flere interaktioner gennem selvsamling eller blanding er mindre, " sagde Epps.