De zelforganisatie van moleculaire componenten in hiërarchisch geordende nanostructuren is een essentieel onderdeel voor de ontwikkeling van nieuwe materialen in opkomende nanotechnologieën en duurzame kunststoffen. Brigitte Lamers onderzocht het complexe samenspel tussen moleculaire drijvende krachten voor bulkassemblage om structuur-eigenschapsrelaties te vinden in het gebied dat blokcopolymeren en vloeibare kristallen samenvoegt. Ze verdedigde haar Ph.D. op 23 juni.

De functie en macroscopische eigenschappen van de meeste materialen die ons omringen zijn sterk gerelateerd aan de micro- of nanostructuur die wordt gevormd door gunstige of ongunstige interacties tussen de moleculen waaruit het is samengesteld. Voorbeelden zijn kunststoffen, samengesteld uit polymeren waarin de pakking tussen de polymeerstrengen wordt bepaald door de interactie tussen de strengen die in het algemeen, bepaalt de macroscopische eigenschappen van het materiaal.

Polymeren kunnen ook worden gebruikt in nieuwe nanotechnologieën waarin top-down lithografie en bottom-up assemblage worden gecombineerd om zeer georganiseerde lijn- of gestippelde patronen te verkrijgen die kunnen worden gebruikt voor de ontwikkeling van elektronische chips. Hierin, de interacties die de zelfassemblage van de blokcopolymeren bepalen, bepalen de uiteindelijke nanogestructureerde morfologie.

Vandaar, inzicht in de relatie tussen moleculaire structuur, nanostructuur en macroscopische eigenschappen zijn van het grootste belang om nieuwe materialen te creëren voor een duurzame toekomst waarin we de hoeveelheid data die tegenwoordig wordt geproduceerd, kunnen opslaan en onze oceanen schoon kunnen houden met nieuwe kunststoffen die gemakkelijk te recyclen zijn.

Dispersiteitseffecten

Om de structuur-eigenschap relaties te begrijpen, het is essentieel om discrete moleculen te gebruiken om de dispersiteitseffecten uit te sluiten, bekend in polymeren. Deze dispersiteitseffecten belemmeren de vorming van een sterk geordende nanostructuur door blokcopolymeren en veroorzaken een onzekerheid om te bepalen waar de eigenschappen van het materiaal vandaan komen, aangezien elke polymeerstreng zijn eigen macroscopische eigenschap heeft. Daarom, Brigitte Lamers gebruikte discrete blok-co-oligomeren om hun zelfassemblage in hiërarchisch georganiseerde nanostructuren te bestuderen.

Lamers onderzocht de structuur-eigenschapsrelaties van discrete blok-co-oligomeren waarvan een van de twee blokken is samengesteld uit oligodimethylsiloxaan met discrete lengte. Het siloxaan is in hoge mate onverenigbaar met veel andere oligomeren of moleculen die we aan het oligomeer hechten. De ongunstige interactie veroorzaakt fase-segregatie die we benutten voor de beperkte zelfassemblage van de blok-co-oligomeren.

Binnen de fasegescheiden staat, het molecuul of oligomeer dat covalent aan het siloxaan is gehecht, kan door niet-covalente, eendimensionale (1D) of tweedimensionale (2D) nanostructuren worden samengevoegd, supramoleculaire interacties of kristallisatie, respectievelijk. De beperkte assemblage resulteert in sterk georganiseerde nanostructuren met extreem scherpe grenzen tussen de fasen, belangrijk voor lithografische doeleinden. Bovendien, faseovergangen zijn extreem scherp, waardoor de ontwikkeling van thermoresponsieve sensoren mogelijk is.

Macroscopische eigenschappen

In tegenstelling tot, de kristallisatie of zelfassemblage van het aan het siloxaan gehechte molecuul kan ook concurreren met de door het siloxaan geïnduceerde fasescheiding. Dit veroorzaakt defecten in de nanogestructureerde morfologie die het gevolg kunnen zijn van een onbalans in diffusie- en kristallisatiekinetiek of destabilisatie van de 3D-kristalstructuur.

De routeselectie in dit complexe samenspel van interacties is zeer gevoelig en kan worden gewijzigd door kleine variaties in de moleculaire structuur. Lamers ontdekte dat dergelijke veranderingen een macroscopische verandering van de materiaaleigenschappen kunnen introduceren. Ze veranderde ook de blok-co-oligomeer-architectuur die opvallende verschillen opleverde in nanostructurele ordening. Hoewel beide materialen uit dezelfde componenten waren samengesteld, ze kreeg een broze, kristallijn materiaal en een kneedbare kunststof.

Bovendien, ze heeft aangetoond dat de connectiviteit van de eindblokken in een materiaal met meerdere componenten van belang is voor de volgorde in de co-assemblage. De directionele interacties in de multicomponent-assemblage veroorzaken de vorming van de geordende nanostructuur die het materiaal bruikbaar maakte voor zachte nano-elektronica. Deze voorbeelden benadrukken de invloed van de moleculaire structuur en nanostructuur op de materiaaleigenschappen.

Eindelijk, ze heeft de kennis die is verkregen over supramoleculaire interacties in discrete op siloxaan gebaseerde materialen gebruikt om op polydimethylsiloxaan gebaseerde recyclebare kunststoffen te verkrijgen waarin we de interactiesterkte van het supramoleculaire motief hebben gewijzigd om drie verschillende kunststoffen te verkrijgen met brosse, viskeuze of thermoplastische elastische eigenschappen.