Ett sätt som forskare kontrollerar materialstrukturen på nanoskala-där funktionerna är några till flera hundra nanometer (nm)-är genom att använda "självmontering, "där molekyler är utformade så att de spontant går samman för att bilda en önskad struktur eller mönster. Självmontering är ett kraftfullt tillvägagångssätt för att kontrollera ordning på nanoskala och är ett sätt som forskare kan utforma vissa egenskaper till ett material för specifika tillämpningar, såsom konvertering och lagring av solenergi.

Självmontering drivs främst av systemets önskan att minimera sin energi och uppnå jämvikt, men kinetiska effekter - de naturliga krafter som flyttar atomer och molekyler runt - kan också spela en stark roll. Vanligtvis, dessa effekter ses som komplikationer som ska övervinnas, men ett samarbete mellan forskare från US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory, Yale universitet, och universitetet i Warszawa (Polen) har nyligen visat att dessa effekter kan utnyttjas för att konstruera en nanostruktur i en polymer tunn film. Deras resultat publiceras den 6 december, 2017 års onlineutgåva av tidskriften Nanoskala .

Gruppen arbetade med en typ av polymer som kallas en blocksampolymer. Blocksampolymerer är en välstuderad och mångsidig klass av självmonterande material som kännetecknas av kemiskt distinkta polymerblock som är kovalent bundna. Denna molekylära arkitektur är det som får dem att spontant bilda nanoskala mönster. I blocksampolymerer, de kovalenta bindningarna frustrerar den naturliga tendensen hos varje enskild polymer att förbli separat (i allmänhet olika polymerer, gillar inte att blanda), så materialet monteras i ett nanomönster istället.

Vid Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials (CFN) —en DOE Office of Science User Facility — började forskarna med en störd block -sampolymerfilm blandad med polymerkedjor. Konventionellt, dessa filmer värms sedan upp så att kedjorna kan röra sig och sättas ihop till ett ordnat mönster med nanoskala funktioner. Denna traditionella självmonteringsmetod genererar exakta nanoobjekt som tyvärr inte är välorganiserade i väldefinierade galler över stora områden.

I denna studie använde teamet nya bearbetningsmetoder som utvecklats vid CFN, tar block-sampolymerfilmen genom en mycket specifik sekvens som gav självmonterade mönster som är betydligt bättre ordnade. Dessa mönster undersöktes vid Brookhaven's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), också en DOE Office of Science User Facility. Detta flerstegs bearbetningssätt gjorde det också möjligt för gruppen att styra blocksampolymermönsterorienteringen i förhållande till substratet, beroende på sekvensen av bearbetningssteg - ett nytt koncept som forskarna har kallat "pathway engineering".

"Att tillämpa lämpliga bearbetningsvillkor för att uppnå en viss typ av beställning kan ses som att välja en viss väg genom det självmonterade energilandskapet, sa Kevin Yager, gruppledaren för elektroniska nanomaterial vid CFN och en av tidningens motsvarande författare. "Pathway engineering gör att vi kan kringgå problematiska energibarriärer och komma åt tidigare omöjliga strukturer."

Den första tekniken som Yager och hans grupp använde kallas fototermisk klippning, i vilken en fokuserad laserstråle först sveps genom filmen för att generera en lokal het zon som glöder filmen och initierar mönstersjälvmonteringen, åtföljs av ett "skjuvningsfält" i kölvattnet av den heta zonen som tvingar mönstret att orientera sig längs en viss riktning. Ett andra steg är konventionell högtemperaturglödgning, som omorienterar det självmonterade mönstret samtidigt som den tidigare riktningsinriktningen bibehålls av skjuvningen bibehålls.

"Bearbetningsstegen vi tillämpar kan verka konstiga vid första anblicken. Vi beställer först materialet i en riktning som vi i slutändan inte vill ha. Men knepet är att vi kan använda detta högordnade mellanläge för att utforma det mönster som vi i slutändan vill ha , "sade författaren Youngwoo Choo, en doktorsexamen student vid Yales institution för kemi- och miljöteknik. "Vi identifierar en uppsättning stater som kommer att driva oss mot det ultimata tillstånd vi vill ha, och välj sedan en sekvens av bearbetningsprotokoll för att gå från ett tillstånd till nästa. "

Liknande, att endast använda klippningssteget ger inte önskat resultat. Choos rådgivare, medförfattare Chinedum Osuji, en materialvetare på samma avdelning på Yale, förklarade, "Även om tunna filmer med inriktade horisontella cylindrar kan erhållas genom klippning, det är inte möjligt att använda skjuvning ensam för att producera inriktade vertikala cylindrar som är sexkantigt packade. "

Gruppen visade att processen med vägteknik ger självmonterade mönster med nanoskala även över substrat så stora som en centimeter. De verifierade detta med en röntgenteknik som kallas småvinklad röntgenspridning, utförd vid NSLS-II:s Complex Materials Scattering (CMS) strålning. Nya tekniker som denna som överbryggar mellan nanoskala och makroskala, tillhandahålla användbara verktyg för syntes av avancerade material med skräddarsydda egenskaper.