Le scientifique du Brookhaven Lab, Kevin Yager (à gauche) et le chercheur postdoctoral Pawel Majewski avec le nouvel instrument de recuit de zone laser au Center for Functional Nanomaterials.
Les matériaux à l'échelle nanométrique présentent des propriétés extraordinaires, des qualités du milliardième de mètre qui transforment tout, de la production d'énergie au stockage de données. Mais alors qu'une cellule solaire nanostructurée peut être incroyablement efficace, cette précision est notoirement difficile à atteindre à l'échelle industrielle. La solution peut être l'auto-assemblage, ou entraîner des molécules à s'assembler dans des configurations hautement performantes.
Maintenant, des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'Énergie ont mis au point une technique à base de laser pour exécuter un auto-assemblage à l'échelle nanométrique avec une facilité et une efficacité sans précédent.
« Nous concevons des matériaux qui se construisent, " a déclaré Kevin Yager, un scientifique au Centre de Brookhaven pour les nanomatériaux fonctionnels (CFN). « Dans les bonnes conditions, les molécules s'enclencheront naturellement dans une configuration parfaite. Le défi est de donner à ces nanomatériaux le coup de fouet dont ils ont besoin :plus ils sont chauds, plus ils se déplacent rapidement et s'installent dans la formation souhaitée. Nous avons utilisé des lasers pour augmenter la chaleur."
Yager et Brookhaven Lab, chercheur postdoctoral, Pawel Majewski, ont construit une machine unique en son genre qui balaie une ligne laser focalisée sur un échantillon pour générer des pics de température intenses et instantanés. Cette nouvelle technique, appelé Recuit de Zone Laser (LZA), entraîne l'auto-assemblage à des taux supérieurs à 1, 000 fois plus rapide que les fours industriels traditionnels. Les résultats sont décrits dans la revue ACS Nano .
"Nous avons créé des structures auto-assemblées extrêmement uniformes en moins d'une seconde, " a déclaré Majewski. " Au-delà de la vitesse extraordinaire, notre laser a également réduit les défauts et dégradations présents dans les matériaux chauffés au four. Cette combinaison rend LZA parfait pour réaliser des percées de laboratoire à petite échelle dans l'industrie. »
Les scientifiques ont préparé les matériaux et construit l'instrument LZA au CFN. Ils ont ensuite analysé des échantillons à l'aide de la microscopie électronique avancée au CFN et de la diffusion des rayons X à la source de lumière synchrotron nationale (NSLS) désormais à la retraite de Brookhaven, deux installations pour les utilisateurs du DOE Office of Science.
"C'était extrêmement gratifiant de voir que nos prédictions étaient exactes - les énormes gradients thermiques ont conduit à une énorme accélération correspondante!" dit Yager.
Fours contre lasers
Imaginez préparer un gâteau complexe, mais au lieu de le cuire au four, un barrage de lasers le chauffe à la perfection en un instant. Au-delà de ça, les bonnes conditions de cuisson permettront aux ingrédients de se mélanger dans un plat parfait. Cette recette à l'échelle nanométrique permet d'obtenir quelque chose d'aussi extraordinaire et de beaucoup plus percutant.
Les chercheurs se sont concentrés sur les copolymères dits à blocs, molécules contenant deux blocs liés avec des structures chimiques et des propriétés différentes. Ces blocs ont tendance à se repousser, qui peuvent conduire à la formation spontanée de structures nanométriques complexes et rigides.
Illustration de l'instrument de recuit de zone Lazer montrant le laser précis (vert) frappant le polymère non assemblé (violet). Les gradients thermiques extrêmes produits par le laser balayant l'échantillon provoquent un auto-assemblage rapide et impeccable.
« Le prix de leurs excellentes propriétés mécaniques est la cinétique lente de leur auto-assemblage, " a déclaré Majewski. "Ils ont besoin d'énergie et de temps pour explorer les possibilités jusqu'à ce qu'ils trouvent la bonne configuration."
En auto-assemblage traditionnel de copolymères à blocs, les matériaux sont chauffés dans un four sous vide. L'échantillon est généralement "cuit" pendant une période de 24 heures ou plus pour fournir suffisamment d'énergie cinétique pour que les molécules se mettent en place - beaucoup trop longtemps pour une viabilité commerciale. La longue exposition à une chaleur élevée provoque également une dégradation thermique inévitable, laissant des fissures et des imperfections dans tout l'échantillon.
Le processus LZA, cependant, offre des pointes de chaleur aiguës pour exciter rapidement les polymères sans l'énergie soutenue qui endommage le matériau.
"En quelques millisecondes, l'ensemble de l'échantillon est magnifiquement aligné, " dit Yager. " Alors que le laser balaie le matériau, les pointes thermiques localisées éliminent en fait les défauts du film nanostructuré. LZA n'est pas seulement plus rapide, il produit des résultats supérieurs."
LZA génère des températures supérieures à 500 degrés Celsius, mais les gradients thermiques - variations de température liées à la direction et à l'emplacement dans un matériau - peuvent atteindre plus de 4, 000 degrés par millimètre. Alors que les scientifiques savent que des températures plus élevées peuvent accélérer l'auto-assemblage, c'est la première preuve d'un rehaussement spectaculaire par des gradients extrêmes.
Construit à partir de zéro
"Il y a des années, nous avons observé un indice subtil que les gradients thermiques pourraient améliorer l'auto-assemblage, " a déclaré Yager. " Je suis devenu obsédé par l'idée de créer des dégradés de plus en plus extrêmes, qui a finalement conduit à la construction de cette configuration laser, et pionnier d'une nouvelle technique."
Les chercheurs avaient besoin d'une forte concentration d'expertise technique et d'installations de classe mondiale pour faire passer le LZA de la proposition à l'exécution.
« Il n'y a qu'au CFN qu'on a pu développer cette technique aussi vite, " a déclaré Majewski. " Nous pourrions faire un prototypage rapide d'instruments et une préparation d'échantillons avec la salle blanche sur site, atelier, et laboratoire de traitement des polymères. Nous avons ensuite combiné la microscopie électronique CFN avec des études aux rayons X au NSLS pour une évaluation imbattable du LZA en action."
Yager ajouté, « La capacité de faire de nouveaux échantillons au CFN, puis de traverser la rue pour les caractériser en quelques secondes au NSLS a été la clé de cette découverte. La synergie entre ces deux installations est ce qui nous a permis d'itérer rapidement vers une conception optimisée. »
Les scientifiques ont également développé une nouvelle technique de thermométrie de surface à micro-échelle appelée analyse de la marque de fusion pour suivre la chaleur exacte générée par les impulsions laser et régler l'instrument en conséquence.
"Nous avons d'abord gravé quelques films avant d'apprendre les bonnes conditions de fonctionnement, " a déclaré Majewski. " C'était vraiment excitant de voir les premiers échantillons tramés par le laser, puis d'utiliser le NSLS pour découvrir exactement ce qui s'est passé. "
Avenir de la technique
Le LZA est la première machine du genre au monde, mais il signale un pas en avant spectaculaire dans l'extension de la nanotechnologie méticuleusement conçue. Le laser peut même être utilisé pour « dessiner » des structures sur la surface, ce qui signifie que les nanostructures peuvent s'assembler selon des motifs bien définis. Ce contrôle de synthèse inégalé ouvre la porte à des applications complexes, y compris l'électronique.
"Il n'y a vraiment aucune limite à la taille d'un échantillon que cette technique peut traiter, " dit Yager. " En fait, vous pouvez l'exécuter en mode roll-to-roll, l'une des principales technologies de fabrication."
Les scientifiques prévoient de développer davantage la nouvelle technique pour créer des structures multicouches qui pourraient avoir des impacts immédiats sur les revêtements antireflet, cellules solaires améliorées, et de l'électronique de pointe.
