Forskare vid det amerikanska energidepartementets Argonne National Laboratory har börjat använda molekylära "stenciler" för att bana väg för nya material som potentiellt kan hitta sin väg in i framtida generationer av solceller, katalysatorer och fotoniska kristaller.

Forskare vid Argonne's Center for Nanoscale Materials and Energy Systems Division har utvecklat en teknik som kallas sekventiell infiltrationssyntes (SIS), som förlitar sig på skapandet av självmonterade kemiska domäner i nanoskala där andra material kan odlas. I denna teknik, en film som består av stora molekyler som kallas blocksampolymerer fungerar som en mall för att skapa ett mycket avstämbart mönstrat material.

Denna nya metod representerar en förlängning av atomlagerdeposition (ALD), en populär teknik för materialsyntes som rutinmässigt används av Argonne-forskare. Istället för att bara lägga tvådimensionella filmer av olika nanomaterial ovanpå varandra, dock, SIS tillåter forskare att konstruera material som har mycket mer komplexa geometrier.

"Denna nya teknik tillåter oss att skapa material som helt enkelt inte var möjliga med ALD eller blocksampolymerer enbart, " sa Seth Darling, en Argonne nanoforskare som hjälpte till att utveckla SIS i samarbete med Argonne-kemisten Jeff Elam. "Att ha förmågan att kontrollera geometrin hos materialet vi gör samt dess kemiska sammansättning öppnar dörren till ett helt universum av nya material."

Enligt Darling, teknikens framgång beror på den unika kemin hos blocksampolymerer. Varje blocksampolymer är sammansatt av två kemiskt distinkta subenheter; till exempel, en subenhet kan ha en affinitet för vatten medan den andra kan stöta bort vatten. I så fall, som skulle söka upp som, skapa en heterogen matris av insprängda homogena regioner.

"Du kan tänka på en blocksampolymer som ett par molekylära siamesiska tvillingar där en gillar att prata och en gillar att läsa tyst, sa Älskling. "Om du sätter ihop ett gäng av dessa tvillingar i ett rum, de pratglada kommer att försöka vara nära de pratglada och läsarna kommer att försöka vara nära läsarna, men de kan inte helt enkelt separera sig själva på vardera sidan av rummet, och det är denna handling som ger oss de geometrier vi letar efter."

Beroende på det ursprungliga substratet, blocksampolymererna, och bearbetningen som materialforskare använder, regioner kan bildas som har många olika former, från sfärisk till cylindrisk till plan. Även om det finns många typer av blocksampolymerer, i allmänhet kan de inte tjäna lika många ändamål som oorganiska material. Utmaningen, enligt Darling, är att föra samman självmontering av blocksampolymerer med funktionaliteten hos oorganiska material.

De fysikaliska och kemiska egenskaperna hos ett material som genereras med SIS beror på hur blocksampolymerkemi och morfologi interagerar med kemin hos ALD-tekniker. "Vi kan skräddarsy våra materialsyntesinsatser på ett mycket mer exakt sätt än vi någonsin kunnat tidigare, sa Älskling.

Darling och Elam har tillbringat större delen av sina karriärer på Argonne med fokus på utveckling av nya typer av material, inklusive utveckling av solceller som kombinerar organiska och oorganiska komponenter. De tror att de typer av material som SIS kan generera kommer att driva grundläggande solenergiteknologier till större effektivitet och lägre kostnader.

"Vår solenergiframtid har inte en lösning som passar alla, " sa Elam. "Vi måste undersöka problemet från många olika vinklar med många olika material, och SIS kommer att ge forskare som oss många nya attackvägar."