Les scientifiques du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie ont commencé à utiliser des « pochoirs » moléculaires pour ouvrir la voie à de nouveaux matériaux qui pourraient potentiellement se retrouver dans les futures générations de cellules solaires. catalyseurs et cristaux photoniques.

Des chercheurs de la division Matériaux et systèmes énergétiques du Centre d'Argonne à l'échelle nanométrique ont mis au point une technique connue sous le nom de synthèse par infiltration séquentielle (SIS), qui repose sur la création de domaines chimiques nanométriques auto-assemblés dans lesquels d'autres matériaux peuvent être cultivés. Dans cette technique, un film composé de grosses molécules appelées copolymères séquencés agit comme un modèle pour la création d'un matériau à motifs hautement ajustable.

Cette nouvelle méthode représente une extension du dépôt de couche atomique (ALD), une technique populaire pour la synthèse de matériaux qui est couramment utilisée par les scientifiques d'Argonne. Au lieu de simplement superposer des films bidimensionnels de différents nanomatériaux, cependant, SIS permet aux scientifiques de construire des matériaux qui ont des géométries beaucoup plus complexes.

« Cette nouvelle technique nous permet de créer des matériaux qui n'étaient tout simplement pas possibles avec de l'ALD ou des copolymères à blocs seuls, " dit Seth Darling, un nanoscientifique d'Argonne qui a aidé à développer le SIS en collaboration avec le chimiste d'Argonne Jeff Elam. « Avoir la possibilité de contrôler la géométrie du matériau que nous fabriquons ainsi que sa composition chimique ouvre la porte à tout un univers de nouveaux matériaux. »

Selon Darling, le succès de la technique repose sur la chimie unique des copolymères à blocs. Chaque copolymère séquencé est composé de deux sous-unités chimiquement distinctes; par exemple, une sous-unité pourrait avoir une affinité pour l'eau tandis que l'autre pourrait repousser l'eau. Dans ce cas, comme je chercherais comme, créant une matrice hétérogène de régions homogènes entrecoupées.

« Vous pouvez considérer un copolymère séquencé comme une paire de jumeaux siamois moléculaires où l'on aime parler et l'autre lire tranquillement, », a déclaré Chéri. « Si vous mettez un groupe de ces jumeaux ensemble dans une pièce, les bavards vont essayer d'être près des bavards et les lecteurs vont essayer d'être près des lecteurs, mais ils ne peuvent pas simplement tous se séparer de chaque côté de la pièce, et c'est cette action qui nous donne les géométries que nous recherchons.

Selon le substrat initial, les copolymères à blocs, et le traitement que les scientifiques des matériaux utilisent, des régions peuvent se former qui ont de nombreuses formes différentes, de sphérique à cylindrique à planaire. Bien qu'il existe de nombreux types de copolymères séquencés, en général, ils ne peuvent pas servir un éventail d'applications aussi large que les matériaux inorganiques. Le défi, selon Darling, est d'associer l'auto-assemblage des copolymères à blocs à la fonctionnalité des matériaux inorganiques.

Les propriétés physiques et chimiques d'un matériau généré à l'aide de SIS dépendent de la façon dont la chimie et la morphologie des copolymères à blocs interagissent avec la chimie des techniques ALD. « Nous pouvons adapter nos efforts de synthèse de matériaux de manière beaucoup plus précise que jamais auparavant, », a déclaré Chéri.

Darling et Elam ont passé la majeure partie de leur carrière à Argonne axée sur le développement de nouveaux types de matériaux, y compris le développement de cellules solaires qui combinent des composants organiques et inorganiques. Ils croient que les types de matériaux que SIS peut générer conduiront les technologies fondamentales de l'énergie solaire à une plus grande efficacité et à des coûts inférieurs.

« Notre avenir en matière d'énergie solaire n'a pas de solution unique, », a déclaré Elam. « Nous devons étudier le problème sous de nombreux angles différents avec de nombreux matériaux différents, et SIS offrira aux chercheurs comme nous de nombreuses nouvelles voies d'attaque.