Självmonterande material som kallas blocksampolymerer, som är kända för att bilda en mängd förutsägbara, vanliga mönster, kan nu göras till mycket mer komplexa mönster som kan öppna upp nya områden inom materialdesign, säger ett team av MIT-forskare.

De nya rönen visas i tidskriften Naturkommunikation , i en artikel av postdoc Yi Ding, professorerna i materialvetenskap och teknik Alfredo Alexander-Katz och Caroline Ross, och tre andra.

"Det här är en upptäckt som i någon mening var slumpmässig, " säger Alexander-Katz. "Alla trodde att det här inte var möjligt, " han säger, beskriver teamets upptäckt av ett fenomen som gör att polymererna kan självmontera i mönster som avviker från vanliga symmetriska arrayer.

Självmonterande blocksampolymerer är material vars kedjeliknande molekyler, som initialt är störda, kommer spontant att ordna sig i periodiska strukturer. Forskare hade funnit att om det fanns ett upprepande mönster av linjer eller pelare skapade på ett substrat, och sedan bildades en tunn film av blocksampolymeren på den ytan, mönstren från substratet skulle dupliceras i det självmonterade materialet. Men denna metod kunde bara producera enkla mönster som rutnät av prickar eller linjer.

I den nya metoden, det finns två olika, oöverensstämmande mönster. Den ena är från en uppsättning stolpar eller linjer etsade på ett substratmaterial, och det andra är ett inneboende mönster som skapas av den självmonterande sampolymeren. Till exempel, det kan finnas ett rektangulärt mönster på substratet och ett hexagonalt rutnät som sampolymeren bildar av sig själv. Man skulle förvänta sig att det resulterande blocksampolymerarrangemanget skulle vara dåligt ordnat, men det var inte vad laget hittade. Istället, "det bildade något mycket mer oväntat och komplicerat, " säger Ross.

Det visade sig vara en subtil men komplex sorts ordning – sammankopplade områden som bildade något annorlunda men regelbundna mönster, av en typ som liknar kvasikristaller, som inte riktigt upprepar som vanliga kristaller gör. I detta fall, mönstren upprepar sig, men över längre avstånd än i vanliga kristaller. "Vi drar fördel av molekylära processer för att skapa dessa mönster på ytan" med blocksampolymermaterialet, säger Ross.

Detta öppnar potentiellt dörren till nya sätt att tillverka enheter med skräddarsydda egenskaper för optiska system eller för "plasmoniska enheter" där elektromagnetisk strålning resonerar med elektroner på exakt avstämda sätt, säger forskarna. Sådana enheter kräver mycket exakt positionering och symmetri av mönster med dimensioner i nanoskala, något som denna nya metod kan åstadkomma.

Katherine Mizrahi Rodriguez, som arbetade med projektet som student, förklarar att teamet förberedde många av dessa blocksampolymerprover och studerade dem under ett svepelektronmikroskop. Yi Ding, som arbetade med detta för sin doktorsavhandling, "började titta om och om igen för att se om några intressanta mönster dök upp, " säger hon. "Det var då alla dessa nya rön liksom utvecklades."

De resulterande udda mönstren är "ett resultat av frustrationen mellan mönstret som polymeren skulle vilja bilda, och mallen, " förklarar Alexander-Katz. Den frustrationen leder till ett brytande av de ursprungliga symmetrierna och skapandet av nya subregioner med olika typer av symmetrier inom dem, han säger. "Det är lösningen naturen kommer med. Att försöka passa in i förhållandet mellan dessa två mönster, det kommer på en tredje sak som bryter mönstren för dem båda." De beskriver de nya mönstren som ett "supergitter."

Efter att ha skapat dessa nya strukturer, teamet fortsatte med att utveckla modeller för att förklara processen. Medförfattare Karim Gadelrab Ph.D. '19, säger, "Modelleringsarbetet visade att de framväxande mönstren faktiskt är termodynamiskt stabila, och avslöjade de förhållanden under vilka de nya mönstren skulle bildas."

Ding säger "Vi förstår systemet fullt ut när det gäller termodynamiken, " och självmonteringsprocessen "låter oss skapa fina mönster och få tillgång till några nya symmetrier som annars är svåra att tillverka."

Han säger att detta tar bort vissa befintliga begränsningar i designen av optiska och plasmoniska material, och därmed "skapar en ny väg" för materialdesign.

Än så länge, det arbete laget har gjort har begränsats till tvådimensionella ytor, men i det pågående arbetet hoppas de kunna utöka processen till den tredje dimensionen, säger Ross. "Tredimensionell tillverkning skulle vara en spelförändring, " säger hon. Nuvarande tillverkningstekniker för mikroenheter bygger upp dem ett lager i taget, hon säger, men "om du kan bygga upp hela objekt i 3D på en gång, "Det skulle potentiellt göra processen mycket mer effektiv.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.