Wetenschappers van het Imperial College London, werkzaam bij het Institut Laue-Langevin, hebben een nieuwe manier gepresenteerd om nanodeeltjes in kunststoffen te positioneren, met belangrijke toepassingen bij de productie van coatings en fotovoltaïsch materiaal dat energie uit de zon haalt. De studie, gepresenteerd in Geavanceerde materialen (omslagartikel), gebruikten neutronen om de rol te begrijpen die licht - zelfs omgevingslicht - speelt bij de stabilisatie van deze notoir onstabiele dunne films. Als proof of concept heeft het team laten zien hoe de combinatie van warmte en zichtbaar licht met een lage intensiteit en UV-licht in de toekomst kan worden gebruikt als een nauwkeurig, goedkope tool voor 3D-printen van zelf-assemblerende, dunnefilmcircuits op deze films.

Dunne films die bestaan ​​uit lange organische molecuulketens die polymeren en fullerenen worden genoemd (grote voetbalvormige moleculen die volledig uit koolstof bestaan) worden voornamelijk gebruikt in polymere zonnecellen waar ze elektronen uitzenden wanneer ze worden blootgesteld aan zichtbare of ultraviolette zonnestralen. Deze zogenaamde fotovoltaïsche materialen kunnen elektrische energie opwekken door zonnestraling om te zetten in gelijkstroom.

Polymere zonnecellen zijn van groot belang voor laagvermogenelektronica, zoals autonome draadloze sensornetwerken die worden gebruikt om alles te bewaken, van oceaantemperatuur tot stress in een automotor. Deze fullereen-polymeermengsels zijn bijzonder aantrekkelijk omdat ze licht van gewicht zijn, goedkoop te maken, flexibel, aanpasbaar op moleculair niveau, en relatief milieuvriendelijk.

De huidige polymere zonnecellen bieden echter slechts ongeveer een derde van de efficiëntie van andere materialen voor het oogsten van energie, en zijn erg instabiel.

Om het wetenschappelijke inzicht in de dynamiek van deze systemen en daarmee hun operationele prestaties te verbeteren, het team voerde neutronenreflectometrie-experimenten uit in het ILL, 's werelds vlaggenschipcentrum voor neutronenwetenschap, op een eenvoudig modelfilm bestaande uit pure fullerenen met een flexibel polymeer. Neutronenreflectometrie is een niet-destructieve techniek waarmee je lagen van deze dunne films kunt 'scheren' om te kijken wat er met de fullerenen en de polymeren afzonderlijk gebeurt, op atomaire schaal resolutie, door hun diepte.

Terwijl eerdere theorieën suggereerden dat stabilisatie van dunne films verband hield met de vorming van een uitgedreven fullereen-nanodeeltjeslaag op het substraatinterface, neutronenreflectometrie-experimenten toonden aan dat de koolstof "voetballen" gelijkmatig over de laag verdeeld blijven. In plaats daarvan, het team onthulde dat de stabilisatie van de films werd veroorzaakt door een vorm van foto-crosslinking van de fullerenen. Het proces verleent films een grotere structurele integriteit, wat betekent dat ultradunne films, (tot 10000 keer kleiner dan een mensenhaar) worden gemakkelijk stabiel met sporen van fullereen.

De implicaties van deze bevinding zijn aanzienlijk, vooral in het potentieel om veel dunnere plastic apparaten te maken die stabiel blijven, met verhoogde efficiëntie en levensduur (terwijl de kleinere hoeveelheid benodigde materiaal hun impact op het milieu minimaliseert).

De lichtgevoeligheid suggereert ook een uniek en eenvoudig hulpmiddel voor het aanbrengen van patronen en ontwerpen op deze notoir onstabiele films. Om het concept te bewijzen gebruikte het team een ​​fotomasker om de verdeling van licht en toegevoegde warmte ruimtelijk te regelen. De combinatie zorgt ervoor dat de fullerenen zichzelf assembleren tot goed gedefinieerde verbonden en losgekoppelde patronen, op aanvraag, gewoon door de film te verwarmen totdat deze zacht begint te worden. Dit resulteert in spontane topografie en kan de basis vormen van een goedkope tool voor het 3D-printen van dunnefilmcircuits. Andere mogelijke toepassingen zijn onder meer patroonvorming van sensoren of biomedische steigers.

In de toekomst, het team wil zijn bevindingen toepassen op geconjugeerde polymeren en fullereenderivaten, vaker voor in commerciële films, en industriële dunne film coatings.