Onderzoekers hebben de eigenschappen geanalyseerd van een organisch polymeer met mogelijke toepassingen in flexibele elektronica en hebben variaties in hardheid op nanoschaal ontdekt, de eerste keer dat zo'n fijne structuur is waargenomen in dit soort materiaal.

Het gebied van organische elektronica heeft geprofiteerd van de ontdekking van nieuwe halfgeleidende polymeren met moleculaire ruggengraat die bestand zijn tegen draaien en buigen, wat betekent dat ze lading kunnen transporteren, zelfs als ze in verschillende vormen worden gebogen.

Er werd aangenomen dat deze materialen op moleculaire schaal op een bord spaghetti lijken, zonder enige langeafstandsvolgorde. Een internationaal team van onderzoekers ontdekte echter dat er voor ten minste één dergelijk materiaal kleine zakjes met orde zijn. Deze geordende zakken, slechts enkele tien miljardste van een meter breed, zijn stijver dan de rest van het materiaal, waardoor het een 'fruitcake'-structuur krijgt met hardere en zachtere delen.

Het werk werd geleid door de Universiteit van Cambridge en Park Systems UK Limited, met KTH Stockholm in Zweden, de Universiteiten van Namen en Bergen in België, en Wake Forest University in de VS. Hun resultaten, gerapporteerd in het tijdschrift Nature Communications , zou kunnen worden gebruikt bij de ontwikkeling van micro-elektronische en bio-elektronische apparaten van de volgende generatie.

Het bestuderen en begrijpen van de mechanische eigenschappen van deze materialen op nanoschaal - een gebied dat bekend staat als nanomechanica - zou wetenschappers kunnen helpen deze eigenschappen te verfijnen en de materialen geschikt te maken voor een breder scala aan toepassingen.

"We weten dat het weefsel van de natuur op nanoschaal niet uniform is, maar het was een verrassing om uniformiteit en orde te vinden waar we het niet hadden verwacht", zegt Dr. Deepak Venkateshvaran van het Cavendish Laboratory in Cambridge, die het onderzoek leidde.

De onderzoekers gebruikten een beeldvormingstechniek die hogere eigenmodusbeeldvorming wordt genoemd om foto's op nanoschaal te maken van de gebieden van orde binnen een halfgeleidend polymeer genaamd indacenodithiofeen-co-benzothiadiazol (C16-IDTBT). Deze foto's lieten duidelijk zien hoe individuele polymeerketens in sommige delen van de polymeerfilm naast elkaar liggen. Deze ordegebieden zijn tussen de 10 en 20 nanometer groot.

"De gevoeligheid van deze detectiemethoden stelde ons in staat om de zelforganisatie van polymeren tot op de individuele moleculaire strengen in kaart te brengen", zegt co-auteur Dr. Leszek Spalek, ook van het Cavendish Laboratory. "Beeldvorming met een hogere eigenmodus is een waardevolle methode voor het karakteriseren van nanomechanische eigenschappen van materialen, gezien de relatief eenvoudige monstervoorbereiding die vereist is."

Verdere metingen van de stijfheid van het materiaal op nanoschaal toonden aan dat de gebieden waar de polymeren zichzelf in geordende gebieden organiseerden harder waren, terwijl de ongeordende gebieden van het materiaal zachter waren. De experimenten werden uitgevoerd onder omgevingscondities in tegenstelling tot een ultrahoog vacuüm, wat in eerdere studies een vereiste was.

"Organische polymeren worden normaal gesproken bestudeerd voor hun toepassingen in grote oppervlakken, centimeters, flexibele elektronica", zegt Venkateshvaran. "Nanomechanica kan deze studies uitbreiden door inzicht te krijgen in hun mechanische eigenschappen op ultrakleine schaal met ongekende resoluties.

"Samen zou de fundamentele kennis die is opgedaan met beide soorten studies een nieuwe generatie zachte micro-elektronische en bio-elektronische apparaten kunnen inspireren. Deze futuristische apparaten zullen de voordelen van centimeterschaalflexibiliteit, micrometerschaalhomogeniteit en nanometerschaal elektrisch gecontroleerde mechanische beweging van polymeerketens combineren met superieure biocompatibiliteit." + Verder verkennen

Verbetering van het elektromechanische gedrag van een flexibel polymeer