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Des scientifiques construisent des parapets, des aqueducs et d'autres formes à l'échelle nanométrique

Des scientifiques du laboratoire countrywide de Brookhaven du Département américain de l’énergie (DOE) ont mis au point une nouvelle façon de guider l’auto-assemblage d’un massive éventail de nouvelles buildings à l’échelle nanométrique en utilisant des polymères simples comme matériaux de départ. Au microscope électronique, ces buildings à l’échelle nanométrique ressemblent à de minuscules blocs de construction Lego, y compris des parapets pour des châteaux médiévaux miniatures et des aqueducs romains. Mais plutôt que de construire des fiefs microscopiques fantaisistes, les scientifiques explorent remark ces nouvelles formes pourraient affecter les fonctions d’un matériau.

Une analyse préliminaire montre que différentes formes ont une conductivité électrique radicalement différente. Le travail pourrait aider à guider la conception de revêtements de surface area personnalisés avec des propriétés optiques, électroniques et mécaniques adaptées pour une utilisation dans les capteurs, les batteries, les filtres, and so on.

“Ce travail ouvre la porte à un substantial éventail d’applications et d’opportunités possibles pour les scientifiques du milieu universitaire et de l’industrie de s’associer à des industry experts du CFN”, a déclaré Kevin Yager, chef du projet et du groupe Nanomatériaux électroniques du CFN. “Les scientifiques intéressés par l’étude des revêtements optiques, des électrodes pour batteries ou des conceptions de cellules solaires pourraient nous indiquer les propriétés dont ils ont besoin, et nous pouvons sélectionner la bonne framework dans notre bibliothèque de matériaux de formes exotiques pour répondre à leurs besoins.”

Assemblage automatique

Pour fabriquer les matériaux exotiques, l’équipe s’est appuyée sur deux domaines d’expertise de longue date au CFN. Le leading est l’auto-assemblage de matériaux appelés copolymères séquencés, y compris la façon dont diverses formes de traitement affectent l’organisation et le réarrangement de ces molécules. La deuxième est une méthode appelée synthèse par infiltration, qui remplace les molécules de polymère réarrangées par des métaux ou d’autres matériaux pour rendre les formes fonctionnelles et faciles à visualiser en trois dimensions à l’aide d’un microscope électronique à balayage.

“L’auto-assemblage est une très belle façon de créer des buildings”, a déclaré Yager. “Vous concevez les molécules, et les molécules s’organisent spontanément dans la structure souhaitée.”

Dans sa forme la moreover straightforward, le processus start par le dépôt de movies minces de molécules à longue chaîne appelées copolymères séquencés sur un substrat. Les deux extrémités de ces copolymères à blocs sont chimiquement distinctes et veulent se séparer l’une de l’autre, comme l’huile et l’eau. Lorsque vous chauffez ces movies par un processus appelé recuit, les deux extrémités du copolymère se réarrangent pour s’éloigner le as well as achievable tout en restant connectées. Cette réorganisation spontanée des chaînes crée ainsi une nouvelle framework avec deux domaines chimiquement distincts. Les scientifiques infusent ensuite l’un des domaines avec un métal ou une autre substance pour créer une réplique de sa forme et brûler complètement le matériau d’origine. Le résultat : un morceau de métal ou d’oxyde façonné avec des proportions mesurant à peine le milliardième de mètre qui pourrait être utile pour les semi-conducteurs, les transistors ou les capteurs.

“C’est une procedure puissante et évolutive. Vous pouvez facilement couvrir de grandes surfaces avec ces matériaux”, a déclaré Yager. “Mais l’inconvénient est que ce processus a tendance à ne former que des formes simples – des couches plates en forme de feuille appelées lamelles ou cylindres à l’échelle nanométrique.”

Les scientifiques ont essayé différentes stratégies pour aller au-delà de ces simples preparations. Certains ont expérimenté des polymères ramifiés in addition complexes. D’autres ont utilisé des méthodes de microfabrication pour créer un substrat avec de minuscules poteaux ou canaux qui guident où les polymères peuvent aller. Mais la fabrication de matériaux plus complexes et d’outils et de modèles pour guider le nano-assemblage peut être à la fois laborieuse et coûteuse.

“Ce que nous essayons de montrer, c’est qu’il existe une option où vous pouvez toujours utiliser des matériaux de départ simples et bon marché, mais obtenir des buildings vraiment intéressantes et exotiques”, a déclaré Yager.

Empilage et trempe

La méthode CFN repose sur le dépôt de couches minces de copolymère à blocs en couches.

“Nous prenons deux des matériaux qui veulent naturellement former des constructions très différentes et les plaçons littéralement l’un sur l’autre”, a déclaré Yager. En faisant varier l’ordre et l’épaisseur des couches, leur composition chimique et une gamme d’autres variables, y compris les temps et les températures de recuit, les scientifiques ont généré plus d’une douzaine de constructions exotiques à l’échelle nanométrique qui n’avaient jamais été vues auparavant.

“Nous avons découvert que les deux matériaux ne veulent pas vraiment être stratifiés. Au fur et à mesure qu’ils recuisent, ils veulent se mélanger”, a déclaré Yager. “Le mélange provoque la formation de nouvelles structures moreover intéressantes.”

Si le recuit est autorisé à progresser jusqu’à son achèvement, les couches évolueront finalement pour former une construction secure. Mais en arrêtant le processus de recuit à différents times et en refroidissant rapidement le matériau, en le trempant, “vous pouvez extraire des buildings transitoires et obtenir d’autres formes intéressantes”, a déclaré Yager.

comme les « parapets » et les « aqueducs », ont des caractéristiques composites dérivées de l’ordre et des préférences de reconfiguration des copolymères empilés. D’autres ont des motifs entrecroisés ou des lamelles avec un patchwork de trous qui ne ressemblent à aucune des configurations préférées des matériaux de départ – ou à tout autre matériau vehicle-assemblé.

Grâce à des études détaillées explorant des combinaisons imaginatives de matériaux existants et en étudiant leur “historique de traitement”, les scientifiques du CFN ont généré un ensemble de principes de conception qui expliquent et prédisent quelle framework va se previous dans un certain ensemble de ailments. Ils ont utilisé des simulations de dynamique moléculaire sur ordinateur pour mieux comprendre le comportement des molécules.

“Ces simulations nous permettent de voir où vont les chaînes polymères individuelles lorsqu’elles se réarrangent”, a déclaré Yager.

Apps prometteuses

Et, bien sûr, les scientifiques réfléchissent à la façon dont ces matériaux uniques pourraient être utiles. Un matériau avec des trous peut fonctionner comme une membrane pour la filtration ou la catalyse un avec des piliers en forme de parapet sur le dessus pourrait potentiellement être un capteur en raison de sa grande area et de sa connectivité électronique, a suggéré Yager.

Les premiers tests, inclus dans l’article de Character Communications, portaient sur la conductivité électrique. Après avoir formé un ensemble de polymères nouvellement façonnés, l’équipe a utilisé la synthèse par infiltration pour remplacer l’un des domaines nouvellement façonnés par de l’oxyde de zinc. Lorsqu’ils ont mesuré la conductivité électrique de nanostructures d’oxyde de zinc de formes différentes, ils ont trouvé d’énormes différences.

“Ce sont les mêmes molécules de départ, et nous les convertissons toutes en oxyde de zinc. La seule différence entre l’une et l’autre est la façon dont elles sont localement connectées les unes aux autres à l’échelle nanométrique”, a déclaré Yager. “Et cela s’avère faire une énorme différence dans les propriétés électriques du matériau last. Dans un capteur ou une électrode pour une batterie, ce serait très critical.”

Les scientifiques explorent maintenant les propriétés mécaniques des différentes formes.

“La prochaine frontière est la multifonctionnalité”, a déclaré Yager. “Maintenant que nous avons accès à ces belles buildings, comment pouvons-nous en choisir une qui maximise une propriété et minimise une autre – ou maximise les deux ou minimise les deux, si c’est ce que nous voulons.”

“Avec cette approche, nous avons beaucoup de contrôle”, a déclaré Yager. “Nous pouvons contrôler la construction (en utilisant cette méthode nouvellement développée), ainsi que le matériau dont elle est faite (en utilisant notre experience en synthèse d’infiltration). Nous sommes impatients de travailler avec les utilisateurs de CFN sur où cette approche peut mener.”

Cette recherche a été financée par le DOE Office of Science (BES). Le travail expérimental a été dirigé par Sebastian Russell, un boursier postdoctoral au CFN qui travaille maintenant dans l’industrie. Les co-auteurs supplémentaires incluent Masafumi Fukuto de la supply de lumière synchrotron nationale II (NSLS-II) de Brookhaven Lab  Chang-Yong Nam, Suwon Bae, Nikhil Tiwale et Gregory Doerk du CFN  et Ashwanth Subramanian de l’Université Stony Brook (SBU). Le CFN et le NSLS-II sont des installations des utilisateurs du Bureau des sciences du DOE. Ce travail a également utilisé des ressources informatiques gérées par le Scientific Data and Computing Centre, une composante de la Computational Science Initiative du Brookhaven Lab.