Blending is een krachtige strategie voor het verbeteren van de prestaties van elektronica, coatings, scheidingsmembranen, en andere functionele materialen. Bijvoorbeeld, hoogrenderende zonnecellen en lichtemitterende diodes zijn geproduceerd door het optimaliseren van mengsels van organische en anorganische componenten.

Echter, het vinden van de optimale mengselsamenstelling om de gewenste eigenschappen te produceren is van oudsher een tijdrovend en inconsistent proces. Wetenschappers synthetiseren en karakteriseren een groot aantal individuele monsters met verschillende samenstellingen één voor één, uiteindelijk genoeg gegevens verzamelen om een ​​compositorische 'bibliotheek' te creëren. Een alternatieve benadering is het synthetiseren van een enkel monster met een compositiegradiënt, zodat alle mogelijke composities tegelijk kunnen worden onderzocht. Bestaande combinatorische methoden voor het snel onderzoeken van composities zijn beperkt in termen van de soorten compatibele materialen, de grootte van compositorische stappen, of aantal mengbare componenten (vaak slechts twee).

Om deze beperkingen te overwinnen, een team van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), Yale universiteit, en University of Pennsylvania hebben onlangs een eerste in zijn soort geautomatiseerd hulpmiddel gebouwd voor het afzetten van films met fijn gecontroleerde mengselsamenstellingen gemaakt van maximaal drie componenten op afzonderlijke monsters. Oplossingen van elk onderdeel worden in spuitpompen geladen, gemengd volgens een programmeerbaar "recept, " en als kleine elektrisch geladen druppeltjes op het oppervlak van een verwarmd basismateriaal, een substraat genaamd, gespoten. Door de stroomsnelheden van de pompen te programmeren als een platform onder het substraat verandert van positie, gebruikers kunnen continue gradiënten in compositie verkrijgen.

Nutsvoorzieningen, het team heeft dit elektrospraydepositie-instrument gecombineerd met de structurele karakteriseringstechniek van röntgenverstrooiing. Samen, deze mogelijkheden vormen een platform om te onderzoeken hoe de materiaalstructuur verandert in een hele compositieruimte. De wetenschappers demonstreerden dit platform voor een dunnefilmmix van drie polymeren - ketens gemaakt van moleculaire bouwstenen die aan elkaar zijn verbonden door chemische bindingen - ontworpen om spontaan te rangschikken, of "zelf samenstellen, " in patronen op nanometerschaal (miljardsten van een meter). Hun platform en demonstratie worden beschreven in een artikel dat vandaag is gepubliceerd in RSC Advances, een tijdschrift van de Royal Society of Chemistry (RSC).

"Ons platform vermindert de tijd om complexe samenstellingsafhankelijkheden van gemengde materiaalsystemen te onderzoeken van maanden of weken tot een paar dagen, " zei corresponderend auteur Gregory Doerk, een stafwetenschapper in de Electronic Nanomaterials Group bij Brookhaven Lab's Centre for Functional Nanomaterials (CFN).

"We hebben een morfologiediagram gemaakt met meer dan 200 metingen op een enkel monster, dat is als het maken van 200 samples op de conventionele manier, " zei eerste auteur Kristof Toth, een doctoraat student aan de afdeling Chemische en Milieutechniek aan de Yale University. "Onze aanpak vermindert niet alleen de monstervoorbereidingstijd, maar ook de monster-tot-monster-fout."

Dit diagram bracht in kaart hoe de morfologieën, of vormen, van het gemengde polymeersysteem veranderde langs een samenstellingsgradiënt van 0 tot 100 procent. In dit geval, het systeem bevatte een veel bestudeerd zelfassemblerend polymeer gemaakt van twee verschillende blokken (PS-b-PMMA) en de afzonderlijke blokbestanddelen van dit blokcopolymeer, of homopolymeren (PS en PMMA). De wetenschappers programmeerden de elektrospray-afzettingstool om achtereenvolgens eendimensionale gradiënt "strips" te maken met alle blokcopolymeer aan het ene uiteinde en alle homopolymeermengsels aan het andere uiteinde.

Om de structuur te karakteriseren, het team voerde grazings-incidentie kleine hoek röntgenverstrooiingsexperimenten uit op de Complex Materials Scattering (CMS) bundellijn, die wordt geëxploiteerd bij Brookhaven's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) in samenwerking met de CFN. Bij deze techniek, een röntgenbundel met hoge intensiteit wordt onder een zeer lage hoek naar het oppervlak van een monster gericht. De bundel reflecteert op het monster in een karakteristiek patroon, het leveren van snapshots van nanoschaalstructuren met verschillende composities langs elke vijf millimeter lange strook. Van deze afbeeldingen, de vorm, maat, en de volgorde van deze structuren kan worden bepaald.

"De hoge intensiteit röntgenstralen van de synchrotron stellen ons in staat om binnen enkele seconden snapshots te maken van elke compositie, het verminderen van de totale tijd om het morfologiediagram in kaart te brengen, " zei co-auteur Kevin Yager, leider van de CFN Electronic Nanomaterials Group.

De röntgenverstrooiingsgegevens onthulden de opkomst van sterk geordende morfologieën van verschillende soorten naarmate de samenstelling van het mengsel veranderde. Normaal gesproken, de blokcopolymeren assembleren zichzelf tot cilinders. Echter, het mengen in zeer korte homopolymeren resulteerde in goed geordende bollen (toenemende hoeveelheid PS) en verticale vellen (meer PMMA). De toevoeging van deze homopolymeren verdrievoudigde of verviervoudigde ook de snelheid van het zelfassemblageproces, afhankelijk van de verhouding PS tot PMMA-homopolymeer. Om hun resultaten verder te ondersteunen, de wetenschappers voerden beeldvormende onderzoeken uit met een scanning-elektronenmicroscoop bij de CFN Materials Synthesis and Characterization Facility.

Hoewel het team zich concentreerde op een zelfassemblerend polymeersysteem voor hun demonstratie, het platform kan worden gebruikt om mengsels van een verscheidenheid aan materialen te verkennen, zoals polymeren, nanodeeltjes, en kleine moleculen. Gebruikers kunnen ook de effecten van verschillende substraatmaterialen bestuderen, film diktes, Brandpuntsafmetingen van de röntgenstraal, en andere verwerkings- en karakteriseringsomstandigheden.

"Deze mogelijkheid om een ​​breed scala aan samenstellings- en verwerkingsparameters te onderzoeken, zal de creatie van complexe nanogestructureerde systemen met verbeterde of geheel nieuwe eigenschappen en functionaliteiten informeren, " zei co-auteur Chinedum Osuji, de Eduardo D. Glandt presidentiële hoogleraar chemische en biomoleculaire engineering aan de Universiteit van Pennsylvania.

In de toekomst, de wetenschappers hopen een tweede generatie van het instrument te maken dat monsters kan maken met mengsels van meer dan drie componenten en dat compatibel is met een reeks karakteriseringsmethoden, inclusief in-situ methoden om morfologische veranderingen vast te leggen tijdens het elektrospray-afzettingsproces.

"Ons platform vertegenwoordigt een enorme vooruitgang in de hoeveelheid informatie die u in een compositieruimte kunt krijgen, ' zei Doerk. 'Over een paar dagen, gebruikers kunnen met mij samenwerken bij de CFN en het beamline-personeel naast de deur bij NSLS-II om hun gemengde systemen te creëren en te karakteriseren."

"Op veel manieren, dit platform vormt een aanvulling op autonome methoden die zijn ontwikkeld door CFN- en NSLS-II-wetenschappers om trends in experimentele gegevens te identificeren, "voegde Yager toe. "Door ze samen te koppelen, kan het onderzoek naar zachte materie drastisch worden versneld."