Images au microscope électronique à balayage de la structure cristalline du matériau copolymère à blocs, illustrant leurs symétries quasi-cristallines inhabituelles. Les régions avec des propriétés de symétrie différentes sont mises en évidence dans différentes couleurs, et des exemples des différents modèles, qui ressemblent à d'anciens motifs de carrelage, sont représentés sur les schémas joints. Crédit :Massachusetts Institute of Technology
Des matériaux auto-assemblants appelés copolymères à blocs, qui sont connus pour former une variété de prévisibles, motifs réguliers, peuvent maintenant être transformés en modèles beaucoup plus complexes qui peuvent ouvrir de nouveaux domaines de conception de matériaux, une équipe de chercheurs du MIT dit.
Les nouvelles découvertes paraissent dans la revue Communication Nature , dans un article du postdoctorant Yi Ding, professeurs de science et ingénierie des matériaux Alfredo Alexander-Katz et Caroline Ross, et trois autres.
"C'est une découverte qui était en quelque sorte fortuite, " dit Alexander-Katz. " Tout le monde pensait que ce n'était pas possible, " il dit, décrivant la découverte par l'équipe d'un phénomène qui permet aux polymères de s'auto-assembler selon des motifs qui s'écartent des réseaux symétriques réguliers.
Les copolymères blocs auto-assemblants sont des matériaux dont les molécules en forme de chaîne, qui sont initialement désordonnés, s'organiseront spontanément en structures périodiques. Les chercheurs ont découvert que s'il y avait un motif répétitif de lignes ou de piliers créé sur un substrat, puis un film mince du copolymère séquencé a été formé sur cette surface, les motifs du substrat seraient dupliqués dans le matériau auto-assemblé. Mais cette méthode ne pouvait produire que des motifs simples tels que des grilles de points ou de lignes.
Dans la nouvelle méthode, il y en a deux différents, motifs incompatibles. L'un provient d'un ensemble de poteaux ou de lignes gravés sur un matériau de substrat, et l'autre est un motif inhérent qui est créé par le copolymère auto-assemblant. Par exemple, il peut y avoir un motif rectangulaire sur le substrat et une grille hexagonale que le copolymère forme par lui-même. On s'attendrait à ce que l'arrangement de copolymère séquencé résultant soit mal ordonné, mais ce n'est pas ce que l'équipe a trouvé. Au lieu, "ça formait quelque chose de beaucoup plus inattendu et compliqué, " dit Ross.
Il s'est avéré qu'il y avait un ordre subtil mais complexe - des zones imbriquées qui formaient des motifs légèrement différents mais réguliers, d'un type similaire aux quasicristaux, qui ne se répètent pas tout à fait comme le font les cristaux normaux. Dans ce cas, les motifs se répètent, mais sur des distances plus longues que dans les cristaux ordinaires. "Nous profitons des processus moléculaires pour créer ces motifs en surface" avec le matériau copolymère à blocs, dit Ross.
Cela ouvre potentiellement la porte à de nouvelles façons de fabriquer des dispositifs avec des caractéristiques adaptées pour les systèmes optiques ou pour les "dispositifs plasmoniques" dans lesquels le rayonnement électromagnétique résonne avec les électrons de manière précisément réglée, disent les chercheurs. De tels dispositifs nécessitent un positionnement et une symétrie très précis de motifs aux dimensions nanométriques, quelque chose que cette nouvelle méthode peut réaliser.
Katherine Mizrahi Rodriguez, qui a travaillé sur le projet en tant qu'étudiant de premier cycle, explique que l'équipe a préparé plusieurs de ces échantillons de copolymères séquencés et les a étudiés au microscope électronique à balayage. Yi Ding, qui y a travaillé pour sa thèse de doctorat, " a commencé à regarder encore et encore pour voir si des modèles intéressants se présentaient, " dit-elle. " C'est à ce moment-là que toutes ces nouvelles découvertes ont évolué en quelque sorte. "
Les motifs étranges qui en résultent sont "le résultat de la frustration entre le motif que le polymère aimerait former, et le modèle, " explique Alexander-Katz. Cette frustration conduit à une rupture des symétries originales et à la création de nouvelles sous-régions avec différents types de symétries en leur sein, il dit. "C'est la solution que la nature propose. Essayer de s'adapter à la relation entre ces deux modèles, il arrive avec une troisième chose qui brise les modèles des deux. » Ils décrivent les nouveaux modèles comme un « super-réseau ».
Après avoir créé ces nouvelles structures, l'équipe a ensuite développé des modèles pour expliquer le processus. Co-auteur Karim Gadelrab Ph.D. '19, dit, « Les travaux de modélisation ont montré que les motifs émergents sont en fait thermodynamiquement stables, et a révélé les conditions dans lesquelles les nouveaux modèles se formeraient."
Ding dit "Nous comprenons parfaitement le système en termes de thermodynamique, " et le processus d'auto-assemblage " nous permet de créer des motifs fins et d'accéder à de nouvelles symétries qui sont autrement difficiles à fabriquer. "
Il dit que cela supprime certaines limitations existantes dans la conception de matériaux optiques et plasmoniques, et ainsi "crée une nouvelle voie" pour la conception de matériaux.
Jusque là, le travail effectué par l'équipe s'est limité à des surfaces bidimensionnelles, mais dans le travail en cours, ils espèrent étendre le processus à la troisième dimension, dit Ross. "La fabrication en trois dimensions changerait la donne, " dit-elle. Les techniques de fabrication actuelles des microdispositifs les construisent une couche à la fois, elle dit, mais "si vous pouvez construire des objets entiers en 3D en une seule fois, " cela rendrait potentiellement le processus beaucoup plus efficace.
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
