De efficiëntie van zonnecellen hangt af van de precieze engineering van polymeren die samenvoegen tot films 1, 000 keer dunner dan een mensenhaar.

Vandaag, de vorming van dat polymeersamenstel vereist oplosmiddelen die schadelijk kunnen zijn voor het milieu, maar wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy hebben een "groenere" manier gevonden om de assemblage van fotovoltaïsche polymeren in water te regelen met behulp van een oppervlakteactieve stof - een wasmiddelachtig molecuul - als sjabloon. Hun bevindingen worden gerapporteerd in nanoschaal .

"Zelfassemblage van polymeren met behulp van oppervlakteactieve stoffen biedt een enorm potentieel bij het fabriceren van nanostructuren met beheersbaarheid op moleculair niveau, " zei senior auteur Changwoo Do, een onderzoeker bij ORNL's Spallation Neutron Source (SNS).

De onderzoekers gebruikten drie DOE Office of Science User Facilities - het Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS) en SNS bij ORNL en de Advanced Photon Source (APS) bij Argonne National Laboratory - om de polymeren te synthetiseren en te karakteriseren.

"Verstrooiing van neutronen en röntgenstralen is een perfecte methode om deze structuren te onderzoeken, " zei Doe.

De studie toont de waarde aan van het volgen van moleculaire dynamica met zowel neutronen als optische sondes.

"We willen heel specifieke polymeerstapeling in oplossing creëren en dat vertalen naar dunne films waar onberispelijk, defectvrije polymeerassemblages zouden een snel transport van elektrische ladingen voor fotovoltaïsche toepassingen mogelijk maken, " zei Ilia Ivanov, een onderzoeker bij CNMS en een corresponderende auteur bij Do. "We hebben aangetoond dat dit kan worden bereikt door inzicht te krijgen in kinetische en thermodynamische mechanismen die de polymeeraggregatie regelen."

De prestatie creëert moleculaire bouwstenen voor het ontwerp van opto-elektronische en sensorische materialen. Het omvatte het ontwerp van een halfgeleidend polymeer met een hydrofobe ("watervrezende") ruggengraat en hydrofiele ("waterminnende") zijketens. De in water oplosbare zijketens zouden "groene" verwerking mogelijk maken als de inspanning een polymeer zou opleveren dat zichzelf zou kunnen assembleren tot een organisch fotovoltaïsch materiaal. De onderzoekers voegden het polymeer toe aan een waterige oplossing die een oppervlakteactief molecuul bevat dat ook hydrofobe en hydrofiele uiteinden heeft. Afhankelijk van temperatuur en concentratie, de oppervlakteactieve stof assembleert zichzelf in verschillende sjablonen die het polymeer leiden om in verschillende vormen op nanoschaal te worden verpakt - zeshoeken, bolvormige micellen en vellen.

In het halfgeleidende polymeer, atomen zijn georganiseerd om elektronen gemakkelijk te delen. Het werk geeft inzicht in de verschillende structurele fasen van het polymeersysteem en de groei van assemblages van herhalende vormen om functionele kristallen te vormen. Deze kristallen vormen de basis van de fotovoltaïsche dunne films die energie leveren in veeleisende omgevingen als woestijnen en de ruimte.

"Rationeel coderen van moleculaire interacties om de moleculaire geometrie en intermoleculaire pakkingsvolgorde in een oplossing van geconjugeerde polymeren te beheersen, is al lang gewenst in opto-elektronica en nanotechnologie, " zei de eerste auteur van de krant, postdoctoraal onderzoeker Jiahua Zhu. "De ontwikkeling wordt in wezen gehinderd door de moeilijkheid van in situ karakterisering."

ter plaatse, of "ter plaatse, " metingen worden uitgevoerd terwijl een fenomeen (zoals een verandering in moleculaire morfologie) zich voordoet. Ze contrasteren met metingen die zijn gedaan na het isoleren van het materiaal van het systeem waar het fenomeen werd waargenomen of het veranderen van de testomstandigheden waaronder het fenomeen voor het eerst werd waargenomen. team ontwikkelde een testkamer waarmee ze optische sondes kunnen gebruiken terwijl er veranderingen plaatsvinden.

Neutronen kunnen structuren in oplossingen onderzoeken

Expertise en apparatuur bij SNS, die de meest intense gepulseerde neutronenbundels ter wereld levert, maakte het mogelijk om te ontdekken dat een functioneel fotovoltaïsch polymeer zichzelf kan assembleren in een milieuvriendelijk oplosmiddel. De werkzaamheid van de neutronenverstrooiing was verbeterd, beurtelings, door een techniek genaamd selectieve deuteratie, waarin specifieke waterstofatomen in de polymeren worden vervangen door zwaardere atomen van deuterium, wat tot gevolg heeft dat de contrasten in de structuur toenemen. CNMS is gespecialiseerd in deze laatste techniek.

"We moesten kunnen zien wat er met deze moleculen gebeurt terwijl ze in de tijd evolueren van een oplossingstoestand naar een vaste toestand, " auteur Bobby Sumpter van CNMS zei. "Dit is erg moeilijk om te doen, maar voor moleculen zoals polymeren en biomoleculen, neutronen zijn enkele van de beste sondes die je je kunt voorstellen." De informatie die ze bieden, leidt tot het ontwerp van geavanceerde materialen.

Door expertise op het gebied van onder meer neutronenverstrooiing te combineren, high-throughput data-analyse, theorie, modellering en simulatie, de wetenschappers ontwikkelden een testkamer om faseovergangen te monitoren terwijl ze plaatsvonden. Het volgt moleculen onder omstandigheden van veranderende temperatuur, druk, vochtigheid, licht, oplosmiddelsamenstelling en dergelijke, waardoor onderzoekers kunnen beoordelen hoe werkmaterialen in de loop van de tijd veranderen en helpen bij het verbeteren van hun prestaties.

Wetenschappers plaatsen een monster in de kamer en transporteren het naar verschillende instrumenten voor metingen. De kamer heeft een transparant oppervlak om laserstralen binnen te laten om materialen te onderzoeken. Probing-modi, inclusief fotonen, elektrische lading, magnetische spin en berekeningen, geholpen door high-performance computing, kunnen gelijktijdig werken om materie te karakteriseren onder een breed scala aan omstandigheden. De kamer is ontworpen om het mogelijk te maken, in de toekomst, om neutronen en röntgenstralen te gebruiken als aanvullende en complementaire sondes.

"Incorporatie van in situ technieken brengt informatie over kinetische en thermodynamische aspecten van materiaaltransformaties in oplossingen en dunne films waarin de structuur gelijktijdig wordt gemeten met hun veranderende opto-elektronische functionaliteit, "Zei Ivanov. "Het opent ook de mogelijkheid om volledig geassembleerde fotovoltaïsche cellen en metastabiele structuren te bestuderen, wat kan leiden tot unieke kenmerken van toekomstige functionele materialen."

Terwijl de huidige studie faseovergangen (d.w.z. metastabiele toestanden en chemische reacties) bij toenemende temperaturen, de volgende in situ diagnostiek zal ze karakteriseren onder hoge druk. Bovendien, de onderzoekers zullen neurale netwerken implementeren om complexe niet-lineaire processen met meerdere feedbacks te analyseren.

De titel van het artikel op nanoschaal is "Controlling moleculaire ordening in geconjugeerde polymeren in oplossingstoestand."