Zelf-assemblerende materialen genaamd blokcopolymeren, waarvan bekend is dat ze een verscheidenheid aan voorspelbare, regelmatige patronen, kunnen nu worden gemaakt in veel complexere patronen die nieuwe gebieden van materiaalontwerp kunnen openen, zegt een team van MIT-onderzoekers.

De nieuwe bevindingen verschijnen in het tijdschrift Natuurcommunicatie , in een paper van postdoc Yi Ding, hoogleraren materiaalkunde en techniek Alfredo Alexander-Katz en Caroline Ross, en drie anderen.

"Dit is een ontdekking die in zekere zin toevallig was, " zegt Alexander-Katz. "Iedereen dacht dat dit niet mogelijk was, " hij zegt, beschrijft de ontdekking door het team van een fenomeen waardoor de polymeren zichzelf kunnen assembleren in patronen die afwijken van reguliere symmetrische arrays.

Zelfassemblerende blokcopolymeren zijn materialen waarvan de ketenachtige moleculen, die aanvankelijk ongeordend zijn, zullen zich spontaan in periodieke structuren rangschikken. Onderzoekers hadden ontdekt dat als er een herhalend patroon van lijnen of pilaren op een substraat was, en toen werd op dat oppervlak een dunne film van het blokcopolymeer gevormd, de patronen van het substraat zouden worden gedupliceerd in het zelf-geassembleerde materiaal. Maar deze methode kon alleen eenvoudige patronen produceren, zoals rasters van stippen of lijnen.

Bij de nieuwe methode er zijn twee verschillende, niet-passende patronen. De ene is van een reeks palen of lijnen die op een substraatmateriaal zijn geëtst, en de andere is een inherent patroon dat wordt gecreëerd door het zelfassemblerende copolymeer. Bijvoorbeeld, er kan een rechthoekig patroon op het substraat zijn en een hexagonaal rooster dat het copolymeer vanzelf vormt. Je zou verwachten dat de resulterende blokcopolymeerrangschikking slecht geordend is, maar dat is niet wat het team vond. In plaats daarvan, "het vormde iets veel onverwachts en gecompliceerder, ' zegt Roos.

Er bleek een subtiel maar complex soort orde te zijn:in elkaar grijpende gebieden die enigszins verschillende maar regelmatige patronen vormden, van een soort vergelijkbaar met quasikristallen, die niet helemaal herhalen zoals normale kristallen dat doen. In dit geval, de patronen herhalen zich, maar over langere afstanden dan in gewone kristallen. "We maken gebruik van moleculaire processen om deze patronen op het oppervlak te creëren" met het blokcopolymeermateriaal, zegt Roos.

Dit opent mogelijk de deur naar nieuwe manieren om apparaten te maken met op maat gemaakte kenmerken voor optische systemen of voor "plasmonische apparaten" waarin elektromagnetische straling op nauwkeurig afgestemde manieren resoneert met elektronen, zeggen de onderzoekers. Dergelijke apparaten vereisen een zeer exacte positionering en symmetrie van patronen met afmetingen op nanoschaal, iets wat deze nieuwe methode kan bereiken.

Katherine Mizrahi Rodriguez, die als student aan het project werkte, legt uit dat het team veel van deze blokcopolymeermonsters heeft voorbereid en onder een scanning-elektronenmicroscoop heeft bestudeerd. Yi Ding, die hieraan meewerkte voor zijn proefschrift, "begon steeds opnieuw te kijken om te zien of er interessante patronen naar boven kwamen, " zegt ze. "Toen zijn al deze nieuwe bevindingen een beetje geëvolueerd."

De resulterende vreemde patronen zijn "een resultaat van de frustratie tussen het patroon dat het polymeer zou willen vormen, en het sjabloon, " legt Alexander-Katz uit. Die frustratie leidt tot het doorbreken van de oorspronkelijke symmetrieën en het creëren van nieuwe subregio's met verschillende soorten symmetrieën erin, hij zegt. "Dat is de oplossing die de natuur bedenkt. Proberen te passen in de relatie tussen deze twee patronen, het komt met een derde ding dat de patronen van beiden doorbreekt." Ze beschrijven de nieuwe patronen als een "superrooster".

Na het creëren van deze nieuwe structuren, het team ging verder met het ontwikkelen van modellen om het proces uit te leggen. Co-auteur Karim Gadelrab Ph.D. '19, zegt, "Het modelleringswerk toonde aan dat de opkomende patronen in feite thermodynamisch stabiel zijn, en onthulde de omstandigheden waaronder de nieuwe patronen zich zouden vormen."

Ding zegt:"We begrijpen het systeem volledig in termen van de thermodynamica, " en het zelfassemblageproces "stelt ons in staat om fijne patronen te creëren en toegang te krijgen tot nieuwe symmetrieën die anders moeilijk te fabriceren zijn."

Hij zegt dat dit enkele bestaande beperkingen in het ontwerp van optische en plasmonische materialen wegneemt, en zo "creëert een nieuwe weg" voor materiaalontwerp.

Tot dusver, het werk dat het team heeft gedaan is beperkt tot tweedimensionale oppervlakken, maar in het lopende werk hopen ze het proces uit te breiden naar de derde dimensie, zegt Roos. "Driedimensionale fabricage zou een game changer zijn, " zegt ze. De huidige fabricagetechnieken voor microdevices bouwen ze laag voor laag op, ze zegt, maar "als je in één keer hele objecten in 3D kunt opbouwen, " dat zou het proces mogelijk veel efficiënter kunnen maken.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.