Nye muligheder for solenergi med molekylære stencils

Forskere ved det amerikanske energiministeriums Argonne National Laboratory er begyndt at bruge molekylære "stencils" for at bane vejen for nye materialer, der potentielt kan finde vej til fremtidige generationer af solceller, katalysatorer og fotoniske krystaller.

Forskere ved Argonne's Center for Nanoscale Materials and Energy Systems Division har udviklet en teknik kendt som sekventiel infiltrationssyntese (SIS), som er afhængig af skabelsen af ​​selvsamlede kemiske domæner i nanoskala, hvori andre materialer kan dyrkes. I denne teknik, en film sammensat af store molekyler kaldet blokcopolymerer fungerer som skabelon til skabelsen af ​​et meget afstembart mønstret materiale.

Denne nye metode repræsenterer en udvidelse af atomlagsdeposition (ALD), en populær teknik til materialesyntese, der rutinemæssigt bruges af Argonne-forskere. I stedet for blot at lægge todimensionelle film af forskellige nanomaterialer oven på hinanden, imidlertid, SIS giver forskere mulighed for at konstruere materialer, der har meget mere komplekse geometrier.

"Denne nye teknik giver os mulighed for at skabe materialer, der bare ikke var mulige med ALD eller blokcopolymerer alene, " sagde Seth Darling, en Argonne nanoforsker, der hjalp med at udvikle SIS i samarbejde med Argonne-kemikeren Jeff Elam. "At have evnen til at kontrollere geometrien af ​​det materiale, vi laver, samt dets kemiske sammensætning åbner døren til et helt univers af nye materialer."

Ifølge Darling, teknikkens succes afhænger af den unikke kemi af blokcopolymerer. Hver blokcopolymer er sammensat af to kemisk adskilte underenheder; for eksempel, en underenhed kan have en affinitet til vand, mens den anden kan afvise vand. I et sådant tilfælde, gerne ville opsøge som, skabe en heterogen matrix af indskudte homogene regioner.

"Du kan tænke på en blokcopolymer som et par molekylære siamesiske tvillinger, hvor man kan lide at tale og man kan lide at læse stille, " sagde Darling. "Hvis du sætter en flok af disse tvillinger sammen i et værelse, de snakkesalige vil forsøge at være i nærheden af ​​de snakkesalige, og læserne vil forsøge at være i nærheden af ​​læserne, men de kan ikke bare alle adskille sig til hver side af rummet, og det er denne handling, der giver os de geometrier, vi leder efter."

Afhængigt af det oprindelige substrat, blokcopolymererne, og den behandling, som materialeforskere bruger, regioner kan dannes, der har mange forskellige former, fra sfærisk til cylindrisk til plan. Mens der er mange typer blokcopolymerer, generelt kan de ikke tjene en så bred vifte af formål som uorganiske materialer. Udfordringen, ifølge Darling, er at bringe selvsamlingen af ​​blokcopolymerer sammen med funktionaliteten af ​​uorganiske materialer.

De fysiske og kemiske egenskaber af et materiale genereret ved hjælp af SIS afhænger af, hvordan blokcopolymerkemi og morfologi interagerer med kemien i ALD-teknikker. "Vi kan skræddersy vores materialesynteseindsats på en meget mere præcis måde, end vi nogensinde kunne før, " sagde Darling.

Darling og Elam har brugt det meste af deres karriere hos Argonne med fokus på udvikling af nye typer materialer, herunder udvikling af solceller, der kombinerer organiske og uorganiske komponenter. De mener, at de typer materialer, som SIS kan generere, vil drive grundlæggende solenergiteknologier til større effektivitet og lavere omkostninger.

"Vores solenergifremtid har ikke en ensartet løsning, " sagde Elam. "Vi er nødt til at undersøge problemet fra mange forskellige vinkler med mange forskellige materialer, og SIS vil give forskere som os mange nye angrebsveje."