En overfladeaktivt skabelon styrer selvsamlingen af funktionelle polymerstrukturer i en vandig opløsning. Kredit:Oak Ridge National Laboratory, US Department of Energy; billede af Youngkyu Han og Renee Manning.
Effektiviteten af solceller afhænger af præcis konstruktion af polymerer, der samles til film 1, 000 gange tyndere end et menneskehår.
I dag, dannelse af denne polymersamling kræver opløsningsmidler, der kan skade miljøet, men forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har fundet en "grønnere" måde at kontrollere samlingen af fotovoltaiske polymerer i vand ved hjælp af et overfladeaktivt middel - et vaskemiddellignende molekyle - som skabelon. Deres resultater er rapporteret i Nanoskala .
"Selvsamling af polymerer ved hjælp af overfladeaktive stoffer giver et stort potentiale i fremstilling af nanostrukturer med molekylær kontrol, " sagde seniorforfatter Changwoo Do, en forsker ved ORNL's Spallation Neutron Source (SNS).
Forskerne brugte tre DOE Office of Science User Facilities - Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS) og SNS ved ORNL og Advanced Photon Source (APS) ved Argonne National Laboratory - til at syntetisere og karakterisere polymererne.
"Spredning af neutroner og røntgenstråler er en perfekt metode til at undersøge disse strukturer, " sagde Do.
Undersøgelsen viser værdien af at spore molekylær dynamik med både neutroner og optiske sonder.
"Vi vil gerne skabe meget specifik polymerstabling i opløsning og omsætte det til tynde film, hvor fejlfrie, defektfri polymerenheder ville muliggøre hurtig transport af elektriske ladninger til fotovoltaiske applikationer, " sagde Ilia Ivanov, en forsker ved CNMS og en tilsvarende forfatter med Do. "Vi demonstrerede, at dette kan opnås gennem forståelse af kinetiske og termodynamiske mekanismer, der styrer polymeraggregationen."
ORNL's in situ multimodale testkammer sporer molekylær dynamik i såvel opløsninger som faste stoffer. Kredit:Oak Ridge National Laboratory, US Department of Energy; fotograf Ilia Ivanov
Præstationen skaber molekylære byggesten til design af optoelektroniske og sensoriske materialer. Det indebar design af en halvledende polymer med en hydrofob ("vand-frygtende") rygrad og hydrofile ("vand-elskende") sidekæder. De vandopløselige sidekæder kunne tillade "grøn" forarbejdning, hvis indsatsen producerede en polymer, der kunne samle sig selv til et organisk fotovoltaisk materiale. Forskerne tilføjede polymeren til en vandig opløsning indeholdende et overfladeaktivt molekyle, der også har hydrofobe og hydrofile ender. Afhængig af temperatur og koncentration, det overfladeaktive stof samler sig selv i forskellige skabeloner, der guider polymeren til at pakkes i forskellige nanoskalaformer - sekskanter, sfæriske miceller og ark.
I den halvledende polymer, atomer er organiseret til nemt at dele elektroner. Værket giver indsigt i de forskellige strukturelle faser af polymersystemet og væksten af samlinger af gentagne former for at danne funktionelle krystaller. Disse krystaller danner grundlaget for de fotovoltaiske tynde film, der giver strøm i miljøer så krævende som ørkener og det ydre rum.
"Rationel kodning af molekylære interaktioner for at bestemme den molekylære geometri og den intermolekylære pakningsrækkefølge i en opløsning af konjugerede polymerer er længe ønsket i optoelektronik og nanoteknologi, "sagde avisens første forfatter, postdoc Jiahua Zhu. "Udviklingen er i det væsentlige hæmmet af vanskeligheden ved in situ karakterisering."
In situ, eller "på stedet, " målinger tages, mens et fænomen (såsom en ændring i molekylær morfologi) forekommer. De står i kontrast til målinger, der er taget efter isolering af materialet fra systemet, hvor fænomenet blev set, eller ændring af testbetingelserne, hvorunder fænomenet først blev observeret. teamet udviklede et testkammer, der giver dem mulighed for at bruge optiske sonder, mens der sker ændringer.
Neutroner kan sondre strukturer i løsninger
Ekspertise og udstyr hos SNS, som giver de mest intense pulserende neutronstråler i verden, gjort det muligt at opdage, at en funktionel fotovoltaisk polymer kunne samle sig selv i et miljøvenligt opløsningsmiddel. Effektiviteten af neutronspredningen blev forbedret, på tur, ved en teknik kaldet selektiv deuteration, hvor specifikke brintatomer i polymererne erstattes af tungere atomer af deuterium - hvilket har den effekt at øge kontrasterne i strukturen. CNMS har et speciale i sidstnævnte teknik.
"Vi havde brug for at kunne se, hvad der sker med disse molekyler, efterhånden som de udvikler sig med tiden fra en løsningstilstand til en fast tilstand, " sagde forfatter Bobby Sumpter fra CNMS. "Dette er meget svært at gøre, men for molekyler som polymerer og biomolekyler, neutroner er nogle af de bedste sonder, du kan forestille dig." De oplysninger, de giver, vejleder design af avancerede materialer.
Ved at kombinere ekspertise inden for emner, herunder neutronspredning, high-throughput dataanalyse, teori, modellering og simulering, forskerne udviklede et testkammer til overvågning af faseovergange, efterhånden som de skete. Det sporer molekyler under forhold med skiftende temperatur, tryk, fugtighed, lys, opløsningsmiddelsammensætning og lignende, giver forskere mulighed for at vurdere, hvordan arbejdsmaterialer ændrer sig over tid, og hjælper med at forbedre deres ydeevne.
Forskere placerer en prøve i kammeret og transporterer den til forskellige instrumenter til målinger. Kammeret har en gennemsigtig flade for at tillade indgang af laserstråler til sondematerialer. Sondetilstande – inklusive fotoner, elektrisk ladning, magnetisk spin og beregninger hjulpet af højtydende databehandling - kan fungere samtidigt for at karakterisere stof under en bred vifte af forhold. Kammeret er designet til at gøre det muligt, i fremtiden, at bruge neutroner og røntgenstråler som yderligere og komplementære sonder.
"Inkorporering af in situ teknikker bringer information om kinetiske og termodynamiske aspekter af materialetransformationer i løsninger og tynde film, hvor struktur måles samtidigt med deres skiftende optoelektroniske funktionalitet, "Ivanov sagde." Det åbner også en mulighed for at studere færdigmonterede fotovoltaiske celler såvel som metastabile strukturer, hvilket kan føre til unikke egenskaber ved fremtidige funktionelle materialer."
Mens den nuværende undersøgelse undersøgte faseovergange (dvs. metastabile tilstande og kemiske reaktioner) ved stigende temperaturer, den næste in situ -diagnostik vil karakterisere dem ved højt tryk. I øvrigt, forskerne vil implementere neurale netværk til at analysere komplekse ikke-lineære processer med flere feedbacks.
Titlen på papiret i nanoskala er "Kontrol af molekylær bestilling i opløsningstilstandskonjugerede polymerer."