Yale University doktorand Kristof Toth (bilden ovan) med elektrosprayavsättningsverktyget han designade, byggd, och validerats i samarbete med personalforskaren Gregory Doerk från Brookhaven Labs Center for Functional Nanomaterials (CFN). Detta CFN-verktyg låter användare blanda flera komponenter - som polymerer, nanopartiklar, och små molekyler - över en rad kompositioner i ett enda prov. Granne med CFN, vid National Synchrotron Light Source II, användare kan undersöka hur strukturen hos det blandade materialet förändras över hela detta kompositionsutrymme. Kredit:Brookhaven National Laboratory
Blandning är en kraftfull strategi för att förbättra elektronikens prestanda, beläggningar, separationsmembran, och andra funktionella material. Till exempel, högeffektiva solceller och lysdioder har producerats genom att optimera blandningar av organiska och oorganiska komponenter.
Dock, Att hitta den optimala blandningssammansättningen för att ge önskade egenskaper har traditionellt varit en tidskrävande och inkonsekvent process. Forskare syntetiserar och karakteriserar ett stort antal individuella prover med olika sammansättning en i taget, så småningom kompilera tillräckligt med data för att skapa ett sammansatt "bibliotek". Ett alternativt tillvägagångssätt är att syntetisera ett enda prov med en kompositionsgradient så att alla möjliga kompositioner kan utforskas på en gång. Befintliga kombinatoriska metoder för att snabbt utforska kompositioner har varit begränsade när det gäller typer av kompatibla material, storleken på kompositionssteg, eller antal blandbara komponenter (ofta bara två).
För att övervinna dessa begränsningar, ett team från det amerikanska energidepartementets (DOE) Brookhaven National Laboratory, Yale universitet, och University of Pennsylvania byggde nyligen ett första automatiserat verktyg i sitt slag för att deponera filmer med finkontrollerade blandningskompositioner gjorda av upp till tre komponenter på enstaka prover. Lösningar av varje komponent laddas i sprutpumpar, blandat enligt ett programmerbart "recept, " och sprayas som små elektriskt laddade droppar på ytan av ett uppvärmt basmaterial som kallas ett substrat. Genom att programmera pumparnas flödeshastigheter som ett steg under substratet ändras position, användare kan få kontinuerliga gradienter i kompositionen.
Nu, teamet har kombinerat detta elektrosprayavsättningsverktyg med den strukturella karakteriseringstekniken för röntgenspridning. Tillsammans, dessa möjligheter utgör en plattform för att undersöka hur materialstrukturen förändras över ett helt kompositionsutrymme. Forskarna demonstrerade denna plattform för en tunnfilmsblandning av tre polymerer - kedjor gjorda av molekylära byggstenar som är sammanlänkade med kemiska bindningar - utformade för att spontant arrangera, eller "självmontera, " i nanometerskala (miljarddelar av en meter) mönster. Deras plattform och demonstration beskrivs i en artikel publicerad idag i RSC Advances, en tidskrift från Royal Society of Chemistry (RSC).
"Vår plattform minskar tiden för att utforska komplexa sammansättningsberoenden av blandade materialsystem från månader eller veckor till några dagar, " sa motsvarande författare Gregory Doerk, en stabsforskare i Electronic Nanomaterials Group vid Brookhaven Labs Center for Functional Nanomaterials (CFN).
Ett schema över elektrosprayavsättningsverktyget (a), med inzoomade (b) och flygfoton (c). Kredit:Brookhaven National Laboratory
"Vi konstruerade ett morfologidiagram med mer än 200 mätningar på ett enda prov, vilket är som att göra 200 prover på konventionellt sätt, " sa första författaren Kristof Toth, en Ph.D. student vid Institutionen för kemi- och miljöteknik vid Yale University. "Vårt tillvägagångssätt minskar inte bara provberedningstiden utan också prov-till-prov-fel."
Detta diagram kartlade hur morfologierna, eller former, av det blandade polymersystemet förändrades längs en sammansättningsgradient av 0 till 100 procent. I detta fall, systemet innehöll en vida studerad självmonterande polymer gjord av två distinkta block (PS-b-PMMA) och denna blocksampolymers individuella blockbeståndsdelar, eller homopolymerer (PS och PMMA). Forskarna programmerade elektrosprayavsättningsverktyget för att i följd skapa endimensionella gradient-"remsor" med all blocksampolymer i ena änden och all homopolymerblandning i den andra änden.
För att karakterisera strukturen, teamet utförde betesförekomst småvinklar röntgenspridningsexperiment vid Complex Materials Scattering (CMS) strållinjen, som drivs vid Brookhavens National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) i samarbete med CFN. I denna teknik, en högintensiv röntgenstråle riktas mot ytan av ett prov i en mycket låg vinkel. Strålen reflekteras från provet i ett karakteristiskt mönster, tillhandahålla ögonblicksbilder av strukturer i nanoskala i olika kompositioner längs varje fem millimeter lång remsa. Från dessa bilder, formen, storlek, och ordning av dessa strukturer kan bestämmas.
"Synkrotronens högintensiva röntgenstrålar gör att vi kan ta ögonblicksbilder av varje komposition på några sekunder, minskar den totala tiden för att kartlägga morfologidiagrammet, " sa medförfattaren Kevin Yager, ledare för CFN Electronic Nanomaterials Group.
Röntgenspridningsdata avslöjade uppkomsten av högt ordnade morfologier av olika slag när blandningens sammansättning förändrades. I vanliga fall, blocksampolymererna självmonteras till cylindrar. Dock, blandning i mycket korta homopolymerer resulterade i välordnade sfärer (ökande mängd PS) och vertikala ark (mer PMMA). Tillsatsen av dessa homopolymerer tredubblade eller fyrdubblade också hastigheten på självmonteringsprocessen, beroende på förhållandet mellan PS och PMMA-homopolymer. För att ytterligare stödja deras resultat, forskarna utförde avbildningsstudier med ett svepelektronmikroskop vid CFN Materials Synthesis and Characterization Facility.
Morfologidiagrammet som härrör från röntgenspridningsdata visar var i sammansättningsutrymmet cylindrarna, lameller (vertikala ark), sfärer, och störningar uppstår. Ren PS-PMMA blocksampolymer är placerad på toppen av triangeln, och rena PMMA- och PS-homopolymerer finns längst ner till vänster och höger i triangeln, respektive. Varje färgad punkt representerar en enda röntgenmätning (de numrerade punkterna motsvarar mätningar som beskrivs i detalj i tidningen). Kredit:Brookhaven National Laboratory
Även om teamet fokuserade på ett självmonterande polymersystem för sin demonstration, plattformen kan användas för att utforska blandningar av en mängd olika material som polymerer, nanopartiklar, och små molekyler. Användare kan också studera effekterna av olika substratmaterial, filmtjocklekar, Brännpunktsstorlekar för röntgenstråle, och andra bearbetnings- och karakteriseringsförhållanden.
"Denna förmåga att kartlägga ett brett spektrum av sammansättnings- och bearbetningsparametrar kommer att informera om skapandet av komplexa nanostrukturerade system med förbättrade eller helt nya egenskaper och funktioner, " sa medförfattaren Chinedum Osuji, Eduardo D. Glandts presidentprofessor i kemi- och biomolekylär teknik vid University of Pennsylvania.
I framtiden, forskarna hoppas kunna skapa en andra generation av instrumentet som kan skapa prover med blandningar av mer än tre komponenter och som är kompatibelt med en rad karakteriseringsmetoder – inklusive in situ-metoder för att fånga morfologiförändringar under elektrosprayavsättningsprocessen.
"Vår plattform representerar ett enormt framsteg i mängden information du kan få över ett kompositionsutrymme, sade Doerk. Om några dagar, användare kan arbeta med mig på CFN och beamline-personalen bredvid på NSLS-II för att skapa och karakterisera sina blandade system."
"På många sätt, denna plattform kompletterar autonoma metoder utvecklade av CFN- och NSLS-II-forskare för att identifiera trender i experimentella data, ", tillade Yager. "Att para ihop dem har potentialen att dramatiskt påskynda forskningen om mjuk materia."
