Een manier waarop wetenschappers de structuur van materialen op nanoschaal controleren - waar kenmerken enkele tot enkele honderden nanometers (nm) zijn - is door gebruik te maken van "zelfassemblage, " waarin moleculen zo zijn ontworpen dat ze spontaan samenkomen om een ​​gewenste structuur of patroon te vormen. Zelfassemblage is een krachtige benadering om de orde op nanoschaal te controleren en is een manier waarop wetenschappers bepaalde eigenschappen kunnen ontwerpen in een materiaal voor specifieke toepassingen, zoals conversie en opslag van zonne-energie.

Zelfassemblage wordt voornamelijk aangedreven door de wens van het systeem om zijn energie te minimaliseren en evenwicht te bereiken, maar ook kinetische effecten – de natuurlijke krachten die atomen en moleculen in beweging brengen – kunnen een grote rol spelen. Typisch, deze effecten worden gezien als complicaties die moeten worden overwonnen, maar een samenwerking van onderzoekers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), Yale universiteit, en de Universiteit van Warschau (Polen) heeft onlangs aangetoond dat deze effecten kunnen worden benut om een ​​nanostructuur in een dunne polymeerfilm te construeren. Hun resultaten worden op 6 december gepubliceerd, 2017 online editie van het tijdschrift nanoschaal .

De groep werkte met een type polymeer dat bekend staat als een blokcopolymeer. Blokcopolymeren zijn een goed bestudeerde en veelzijdige klasse van zelfassemblerende materialen die worden gekenmerkt door chemisch verschillende polymeerblokken die covalent zijn gebonden. Deze moleculaire architectuur zorgt ervoor dat ze spontaan patronen op nanoschaal vormen. In blokcopolymeren, de covalente bindingen frustreren de natuurlijke neiging van elk afzonderlijk polymeer om gescheiden te blijven (in het algemeen, verschillende polymeren, hou niet van mixen), dus het materiaal vormt in plaats daarvan een nanopatroon.

Bij Brookhaven's Centre for Functional Nanomaterials (CFN) - een DOE Office of Science User Facility - begonnen de onderzoekers met een ongeordende blokcopolymeerfilm gemengd met polymeerketens. conventioneel, deze films worden vervolgens verwarmd om de kettingen te laten bewegen en te assembleren tot een geordend patroon met kenmerken op nanoschaal. Deze traditionele zelf-assemblagebenadering genereert nauwkeurige nano-objecten die helaas niet goed zijn georganiseerd in goed gedefinieerde roosters over grote gebieden.

In deze studie gebruikte het team nieuwe verwerkingsmethoden die zijn ontwikkeld bij de CFN, het nemen van de blokcopolymeerfilm door een zeer specifieke reeks die zelf-geassembleerde patronen opleverde die aanzienlijk beter geordend zijn. Deze patronen werden onderzocht bij Brookhaven's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), ook een DOE Office of Science User Facility. Deze meerstapsverwerkingsbenadering stelde de groep ook in staat om de oriëntatie van het blokcopolymeerpatroon ten opzichte van het substraat te regelen, afhankelijk van de volgorde van verwerkingsstappen - een nieuw concept dat de wetenschappers 'pathway engineering' hebben genoemd.

"Het toepassen van de juiste verwerkingsomstandigheden om een ​​specifiek soort orde te bereiken, kan worden gezien als het selecteren van een bepaald pad door het zelf-assemblerende energielandschap, " zei Kevin Yager, de groepsleider voor elektronische nanomaterialen bij CFN en een van de corresponderende auteurs van het papier. "Pathway engineering stelt ons in staat om problematische energiebarrières te omzeilen en toegang te krijgen tot voorheen onmogelijke structuren."

De eerste techniek die Yager en zijn groep toepasten, heet fotothermisch scheren, waarbij een gefocusseerde laserstraal eerst door de film wordt geveegd om een ​​lokale hete zone te genereren die de film uitgloeit en de zelfassemblage van het patroon initieert, vergezeld van een "afschuifveld" in het kielzog van de hete zone die het patroon dwingt zich in een bepaalde richting te oriënteren. Een tweede stap is conventioneel gloeien bij hoge temperatuur, die het zelf-geassembleerde patroon heroriënteert met behoud van de eerdere directionele uitlijning veroorzaakt door de afschuiving.

"De bewerkingsstappen die we toepassen, lijken op het eerste gezicht misschien vreemd. We ordenen het materiaal eerst in een richting die we uiteindelijk niet willen. Maar de truc is dat we deze sterk geordende tussentoestand kunnen gebruiken om het patroon te modelleren dat we uiteindelijk wel willen , " zei eerste auteur Youngwoo Choo, een doctoraat student in Yale's Department of Chemical and Environmental Engineering. "We identificeren een reeks staten die ons naar de ultieme staat zullen brengen die we willen, en selecteer vervolgens een reeks verwerkingsprotocollen om van de ene toestand naar de volgende te gaan."

evenzo, het gebruik van alleen de afschuifstap levert niet de gewenste resultaten op. De adviseur van Cho, co-auteur Chinedum Osuji, een materiaalwetenschapper op dezelfde afdeling van Yale, uitgelegd, "Terwijl dunne films van uitgelijnde horizontale cilinders kunnen worden verkregen via afschuiving, het is niet mogelijk om alleen schaar te gebruiken om uitgelijnde verticale cilinders te produceren die zeshoekig zijn verpakt."

De groep toonde aan dat het proces van pathway-engineering zelf-geassembleerde patronen oplevert met een volgorde op nanoschaal, zelfs over substraten zo groot als een centimeter. Ze hebben dit geverifieerd met behulp van een röntgentechniek die kleine-hoek röntgenverstrooiing wordt genoemd. uitgevoerd bij NSLS-II's Complex Materials Scattering (CMS) bundellijn. Nieuwe technieken zoals deze die een brug slaan tussen de nanoschaal en de macroschaal, bieden nuttige hulpmiddelen voor de synthese van geavanceerde materialen met op maat gemaakte eigenschappen.