Att styra organisationen av nanopartiklar i mönster i ultratunna polymerfilmer kan åstadkommas med entropi istället för kemi, enligt en upptäckt av Dr. Alamgir Karim, UA:s Goodyear Tire and Rubber Company professor i polymerteknik, och hans elev Dr Ren Zhang. Polymer tunna filmer används i en mängd olika tekniska tillämpningar, till exempel färger, smörjmedel, och lim. Karim och Zhang har utvecklat en originell metod - mjuk-inneslutning mönsterinducerad nanopartikelsegregation (SCPINS) - för att tillverka polymer nanokomposit tunna filmer med välkontrollerad nanopartikelorganisation på en submikronskala. Denna nya metod styr unikt organisationen av alla typer av nanopartiklar i mönster i dessa filmer, som kan vara användbara för applikationer som involverar sensorer, nanotrådskretsar eller diffraktionsgaller, med korrekta efterföljande bearbetningssteg som termisk eller UV-sintring, som sannolikt krävs men självorganisationen i riktade mönster.

Detta jobb, "Entropidriven segregering av polymerympade nanopartiklar under inneslutning, " har publicerats i februarinumret 2017 av Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ).

Intuitivt, entropi är associerad med störning av ett system. Dock, för kolloidalt material, det har visat sig att ett system kan uppleva övergångar som ökar både entropi och synlig ordning. Inspirerad av denna observation, Karim och Zhang undersökte rollen av entropi i riktad organisation av polymerympade nanopartiklar (PGNP) i tunna polymerfilmer. Genom att helt enkelt trycka in blandningsfilmerna i mönstrade mesa-trench-områden, nanopartiklar anrikas spontant inom mesas, bilda mönstrade mikrodomänstrukturer som sammanfaller med det topografiska mönstret. Denna selektiva segregering av PGNP induceras av entropisk straff på grund av förändringen av den ympade kedjans konformation när den är instängd i ultratunna dikesregioner.

För första gången, den önskade rumsliga organisationen av nanopartiklar uppnås genom topografisk mönsterinducerad entropisk inneslutningseffekt, utan att trimma entalpiska interaktioner genom kemi. Denna enkla metod, SCPINS, är tillämplig på mångsidiga partikelkompositioner och mönstergeometrier. Detta arbete kan utvidgas till flerkomponentpartikelsystem, som har potentiella tillämpningar inom nanomaterialbaserade teknologier som nanoelektronik och plasmonik.

"Processen är mycket effektiv eftersom den kan införliva alla nanopartiklar utan slöseri i den återstående matrisfilmen vid mönstring - 100% av nanopartiklarna är mönstrade, " förklarar Karim. "Resterande matrisen kan sköljas på ett sätt utan förlust av dyra nanopartiklar."