Forskere udvikler ny metode til at programmere organisering af nanopartikler i tynde polymerfilm

Styring af organiseringen af ​​nanopartikler i mønstre i ultratynde polymerfilm kan opnås med entropi i stedet for kemi, ifølge en opdagelse af Dr. Alamgir Karim, UA's Goodyear Tire and Rubber Company professor i polymerteknik, og hans elev Dr. Ren Zhang. Polymer tynde film bruges i en række forskellige teknologiske anvendelser, for eksempel maling, smøremidler, og klæbemidler. Karim og Zhang har udviklet en original metode - blød indeslutning mønster-induceret nanopartikel segregation (SCPINS) - til at fremstille polymer nanokomposit tynde film med velkontrolleret nanopartikel organisation på en submikron skala. Denne nye metode styrer unikt organiseringen af ​​enhver form for nanopartikler i mønstre i disse film, hvilket kan være nyttigt til applikationer, der involverer sensorer, nanotrådskredsløb eller diffraktionsgitre, med korrekte efterfølgende behandlingstrin som termisk eller UV-sintring, der sandsynligvis er påkrævet, men selvorganiseringen i rettede mønstre.

Dette arbejde, "Entropi-drevet adskillelse af polymerpodede nanopartikler under indespærring, " er blevet offentliggjort i februar 2017-udgaven af Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ).

Intuitivt, entropi er forbundet med uorden i et system. Imidlertid, for kolloidt stof, det har vist sig, at et system kan opleve overgange, som øger både entropi og synlig orden. Inspireret af denne observation, Karim og Zhang undersøgte entropiens rolle i rettet organisering af polymerpodede nanopartikler (PGNP'er) i tynde polymerfilm. Ved blot at præge blandingsfilmene i mønstrede mesa-trench-områder, nanopartikler beriges spontant i mesas, danner mønstrede mikrodomænestrukturer, som falder sammen med det topografiske mønster. Denne selektive adskillelse af PGNP'er induceres af entropisk straf på grund af ændringen af ​​den podede kædekonformation, når den er indespærret i ultratynde skyttegravsområder.

For første gang, den ønskede rumlige organisering af nanopartikler opnås ved topografisk mønster-induceret entropisk indeslutningseffekt, uden at tune entalpiske interaktioner gennem kemi. Denne lette metode, SCPINS, er anvendelig til alsidige partikelsammensætninger og mønstergeometrier. Dette arbejde kan udvides til multikomponent partikelsystemer, som har potentielle anvendelser inden for nanomateriale-baserede teknologier såsom nanoelektronik og plasmonik.

"Processen er meget effektiv, da den kan inkorporere alle nanopartiklerne uden spild i den resterende matrixfilm ved mønsterdannelse - 100% af nanopartiklerne er mønstrede, " forklarer Karim. "Resterende matrix kan skylles på en måde uden tab af dyre nanopartikler."