Het regelen van de organisatie van nanodeeltjes in patronen in ultradunne polymeerfilms kan worden bereikt met entropie in plaats van chemie, volgens een ontdekking door Dr. Alamgir Karim, UA's Goodyear Tyre and Rubber Company hoogleraar Polymer Engineering, en zijn leerling Dr. Ren Zhang. Polymeer dunne films worden gebruikt in een verscheidenheid aan technologische toepassingen, bijvoorbeeld verven, smeermiddelen, en lijmen. Karim en Zhang hebben een originele methode ontwikkeld - soft-confinement pattern-geïnduceerde nanodeeltjessegregatie (SCPINS) - om polymeer nanocomposiet dunne films te fabriceren met goed gecontroleerde nanodeeltjesorganisatie op submicronschaal. Deze nieuwe methode controleert op unieke wijze de organisatie van alle soorten nanodeeltjes in patronen in die films, die nuttig kunnen zijn voor toepassingen met sensoren, nanodraadcircuits of diffractieroosters, met de juiste daaropvolgende verwerkingsstappen zoals thermisch of UV-sinteren, die waarschijnlijk nodig zijn, maar de zelforganisatie in gerichte patronen.

Dit werk, "Entropiegestuurde segregatie van met polymeer geënt nanodeeltjes onder opsluiting, " is gepubliceerd in het februari 2017 nummer van Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ).

Intuïtief, entropie wordt geassocieerd met wanorde van een systeem. Echter, voor colloïdale materie, het is aangetoond dat een systeem overgangen kan ervaren die zowel de entropie als de zichtbare orde vergroten. Geïnspireerd door deze observatie, Karim en Zhang onderzochten de rol van entropie in de gerichte organisatie van polymeer-geënte nanodeeltjes (PGNP's) in dunne polymeerfilms. Door simpelweg de blendfilms in mesa-trenchgebieden met patronen te printen, nanodeeltjes worden spontaan verrijkt in mesas, vormen microdomeinstructuren met patronen die samenvallen met het topografische patroon. Deze selectieve segregatie van PGNP's wordt veroorzaakt door entropische straf vanwege de wijziging van de geënte ketenconformatie wanneer deze wordt opgesloten in ultradunne greppelgebieden.

Voor de eerste keer, de gewenste ruimtelijke organisatie van nanodeeltjes wordt bereikt door een topografisch patroon-geïnduceerd entropisch opsluitingseffect, zonder enthalpische interacties door chemie af te stemmen. Deze gemakkelijke methode, SCPINS, is toepasbaar op veelzijdige deeltjessamenstellingen en patroongeometrieën. Dit werk kan worden uitgebreid tot deeltjessystemen met meerdere componenten, die potentiële toepassingen heeft in op nanomaterialen gebaseerde technologieën zoals nano-elektronica en plasmonica.

"Het proces is zeer efficiënt omdat het alle nanodeeltjes kan opnemen zonder verspilling in de resterende matrixfilm bij patroonvorming - 100% van de nanodeeltjes is van een patroon voorzien, " legt Karim uit. "De overgebleven matrix kan worden weggespoeld zonder verlies van dure nanodeeltjes."