Wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy zijn begonnen moleculaire "stencils" te gebruiken om de weg vrij te maken voor nieuwe materialen die mogelijk hun weg zouden kunnen vinden naar toekomstige generaties zonnecellen, katalysatoren en fotonische kristallen.

Onderzoekers van Argonne's Centre for Nanoscale Materials and Energy Systems Division hebben een techniek ontwikkeld die bekend staat als sequentiële infiltratiesynthese (SIS), die berust op het creëren van zelf-geassembleerde chemische domeinen op nanoschaal waarin andere materialen kunnen worden gekweekt. Bij deze techniek, een film bestaande uit grote moleculen, blokcopolymeren genaamd, fungeert als een sjabloon voor het creëren van een zeer afstembaar patroonmateriaal.

Deze nieuwe methode vertegenwoordigt een uitbreiding van atomaire laagafzetting (ALD), een populaire techniek voor materiaalsynthese die routinematig wordt gebruikt door Argonne-wetenschappers. In plaats van alleen tweedimensionale films van verschillende nanomaterialen op elkaar te leggen, echter, Met SIS kunnen wetenschappers materialen construeren met veel complexere geometrieën.

“Deze nieuwe techniek stelt ons in staat om materialen te creëren die gewoon niet mogelijk waren met ALD of blokcopolymeren alleen, " zei Seth Darling, een Argonne-nanowetenschapper die hielp bij het ontwikkelen van SIS in samenwerking met de Argonne-chemicus Jeff Elam. "Het vermogen om de geometrie van het materiaal dat we maken te beheersen, evenals de chemische samenstelling ervan, opent de deur naar een heel universum van nieuwe materialen."

Volgens schat, het succes van de techniek berust op de unieke chemie van blokcopolymeren. Elk blokcopolymeer is samengesteld uit twee chemisch verschillende subeenheden; bijvoorbeeld, de ene subeenheid kan affiniteit hebben met water, terwijl de andere water afstoot. In zo'n geval, zoals zou zoeken zoals, het creëren van een heterogene matrix van afgewisselde homogene regio's.

"Je kunt een blokcopolymeer zien als een paar moleculaire Siamese tweelingen waar men graag praat en men graag rustig leest, ' zei schat. "Als je een stel van deze tweelingen samen in een kamer zet, de spraakzamen zullen proberen in de buurt te zijn van de spraakzame en de lezers zullen proberen in de buurt van de lezers te zijn, maar ze kunnen zich niet gewoon allemaal aan weerszijden van de kamer scheiden, en het is deze actie die ons de geometrieën geeft waarnaar we op zoek zijn.”

Afhankelijk van de oorspronkelijke ondergrond, de blokcopolymeren, en de verwerking die materiaalwetenschappers gebruiken, regio's kunnen vormen die veel verschillende vormen hebben, van bolvormig tot cilindrisch tot vlak. Hoewel er veel soorten blokcopolymeren zijn, in het algemeen kunnen ze niet zo'n breed scala aan doelen dienen als anorganische materialen. De uitdaging, volgens schat, is om de zelfassemblage van blokcopolymeren samen te brengen met de functionaliteit van anorganische materialen.

De fysische en chemische eigenschappen van een materiaal dat is gegenereerd met behulp van SIS hangen af ​​van hoe blokcopolymeerchemie en -morfologie interageren met de chemie van ALD-technieken. "We kunnen onze inspanningen op het gebied van materiaalsynthese op een veel preciezere manier afstemmen dan ooit tevoren, ' zei schat.

Darling en Elam hebben het grootste deel van hun loopbaan bij Argonne besteed aan de ontwikkeling van nieuwe soorten materialen, inclusief de ontwikkeling van zonnecellen die organische en anorganische componenten combineren. Ze zijn van mening dat de soorten materialen die SIS kan genereren, fundamentele zonne-energietechnologieën tot grotere efficiëntie en lagere kosten zullen leiden.

“Onze toekomst met zonne-energie heeft geen one-size-fits-all oplossing, ' zei Elam. “We moeten het probleem vanuit veel verschillende hoeken onderzoeken met veel verschillende materialen, en SIS zal onderzoekers zoals wij veel nieuwe aanvalsroutes geven.”