Forskere konstruerer nye veje til selvsamlede nanostrukturer

En måde, hvorpå forskere kontrollerer strukturen af ​​materialer på nanoskalaen-hvor funktionerne er et par til flere hundrede nanometer (nm)-er ved at bruge "selvsamling, "hvor molekyler er designet sådan, at de spontant kommer sammen for at danne en ønsket struktur eller mønster. Selvsamling er en kraftfuld tilgang til at kontrollere orden på nanoskalaen og er en måde, hvorpå forskere kan designe bestemte egenskaber til et materiale til specifikke applikationer, såsom konvertering og lagring af solenergi.

Selvmontering drives hovedsageligt af systemets ønske om at minimere sin energi og opnå ligevægt, men kinetiske effekter - de naturlige kræfter, der flytter atomer og molekyler rundt - kan også spille en stærk rolle. Typisk, disse virkninger ses som komplikationer, der skal overvindes, men et samarbejde mellem forskere fra US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory, Yale University, og universitetet i Warszawa (Polen) har for nylig vist, at disse effekter kan udnyttes til at konstruere en nanostruktur i en polymertynd film. Deres resultater offentliggøres den 6. december, 2017 online udgave af tidsskriftet Nanoskala .

Gruppen arbejdede med en type polymer kendt som en blokcopolymer. Blokcopolymerer er en velstuderet og alsidig klasse af selvsamlende materialer karakteriseret ved kemisk adskilte polymerblokke, der er kovalent bundet. Det er denne molekylære arkitektur, der får dem til spontant at danne nanoskala -mønstre. I blokcopolymerer, de kovalente bindinger frustrerer hver enkelt polymer naturlige tendens til at forblive adskilte (generelt forskellige polymerer, kan ikke lide at blande), så materialet samles i stedet til et nanomønster.

I Brookhavens Center for Functional Nanomaterials (CFN) - et DOE Office of Science User Facility - startede forskerne med en uordnet blokcopolymerfilm blandet sammen med polymerkæder. Konventionelt, disse film opvarmes derefter, så kæderne kan bevæge sig og samles til et ordnet mønster med nanoskala -funktionstørrelser. Denne traditionelle selvmonteringsmetode genererer præcise nano-objekter, der desværre ikke er velorganiseret i veldefinerede gitter over brede områder.

I denne undersøgelse brugte teamet nye behandlingsmetoder udviklet på CFN, tager blokcopolymerfilmen gennem en meget specifik sekvens, der gav selvsamlede mønstre, der er betydeligt bedre ordnet. Disse mønstre blev undersøgt ved Brookhaven's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), også en DOE Office of Science User Facility. Denne flertrinsbehandlingsmetode tillod også gruppen at kontrollere blokcopolymerens mønsterorientering i forhold til substratet, afhængigt af sekvensen af ​​behandlingstrin - et nyt koncept, som forskerne har betegnet "pathway engineering".

"Anvendelse af de passende behandlingsbetingelser for at opnå en bestemt slags ordre kan ses som at vælge en bestemt vej gennem selvmonteret energilandskab, "sagde Kevin Yager, gruppeleder for elektroniske nanomaterialer på CFN og en af ​​papirets tilsvarende forfattere. "Pathway engineering giver os mulighed for at omgå problematiske energibarrierer og få adgang til tidligere umulige strukturer."

Den første teknik, Yager og hans gruppe anvendte, kaldes fototermisk klipning, hvor en fokuseret laserstråle først fejes gennem filmen for at generere en lokal varm zone, der annealer filmen og initierer mønsterets selvsamling, ledsaget af et "forskydningsfelt" i kølvandet på den varme zone, der tvinger mønsteret til at orientere sig i en bestemt retning. Et andet trin er konventionel højtemperaturglødning, som omorienterer det selvsamlede mønster, samtidig med at den tidligere retningsjustering bevares af forskydningen.

"De behandlingstrin, vi anvender, kan virke underlige ved første øjekast. Vi bestiller først materialet i en retning, som vi i sidste ende ikke ønsker. Men tricket er, at vi kan bruge denne højtordnede mellemliggende tilstand til at skabelonere det mønster, vi i sidste ende ønsker , "sagde første forfatter Youngwoo Choo, en ph.d. studerende i Yales afdeling for kemi og miljøteknik. "Vi identificerer et sæt stater, der vil bevæge os mod den ultimative tilstand, vi ønsker, og vælg derefter en sekvens af behandlingsprotokoller for at gå fra en tilstand til den næste. "

Tilsvarende kun brug af klipningstrinnet giver ikke de ønskede resultater. Choos rådgiver, medforfatter Chinedum Osuji, en materialeforsker i samme afdeling på Yale, forklaret, "Selvom tynde film med justerede vandrette cylindre kan opnås via klipning, det er ikke muligt at anvende forskydning alene til at producere lodrette lodrette cylindre, der er sekskantet pakket. "

Gruppen viste, at processen med vejteknik giver selvmonterede mønstre med nanoskala-orden, selv på tværs af substrater så store som en centimeter. De verificerede dette ved hjælp af en røntgenteknik kaldet lillevinklet røntgenspredning, udført på NSLS-II's Complex Materials Scattering (CMS) beamline. Nye teknikker som denne, der bygger bro mellem nanoskala og makroskala, give nyttige værktøjer til syntese af avancerede materialer med skræddersyede egenskaber.