Un modèle tensioactif guide l'auto-assemblage de structures polymères fonctionnelles dans une solution aqueuse. Crédit :Laboratoire national d'Oak Ridge, Département américain de l'énergie ; image par Youngkyu Han et Renee Manning.
L'efficacité des cellules solaires dépend de l'ingénierie précise des polymères qui s'assemblent en films 1, 000 fois plus fin qu'un cheveu humain.
Aujourd'hui, la formation de cet assemblage polymère nécessite des solvants qui peuvent nuire à l'environnement, mais des scientifiques du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie ont trouvé un moyen "plus écologique" de contrôler l'assemblage de polymères photovoltaïques dans l'eau en utilisant un tensioactif - une molécule semblable à un détergent - comme modèle. Leurs conclusions sont rapportées dans Nanoéchelle .
"L'auto-assemblage de polymères à l'aide de tensioactifs offre un potentiel énorme dans la fabrication de nanostructures avec une contrôlabilité au niveau moléculaire, " a déclaré l'auteur principal Changwoo Do, chercheur à la Spallation Neutron Source (SNS) de l'ORNL.
Les chercheurs ont utilisé trois installations d'utilisateurs du DOE Office of Science – le Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS) et SNS à l'ORNL et la Advanced Photon Source (APS) au Argonne National Laboratory – pour synthétiser et caractériser les polymères.
"La diffusion des neutrons et des rayons X est une méthode parfaite pour étudier ces structures, " dit Do.
L'étude démontre la valeur du suivi de la dynamique moléculaire avec des neutrons et des sondes optiques.
« Nous aimerions créer un empilement de polymères très spécifique en solution et le traduire en films minces sans défaut, des assemblages polymères sans défaut permettraient un transport rapide des charges électriques pour les applications photovoltaïques, " dit Ilia Ivanov, chercheur au CNMS et auteur correspondant au Do. "Nous avons démontré que cela peut être accompli grâce à la compréhension des mécanismes cinétiques et thermodynamiques contrôlant l'agrégation des polymères."
La chambre d'essai multimodale in situ de l'ORNL suit la dynamique moléculaire dans les solutions ainsi que dans les solides. Crédit :Laboratoire national d'Oak Ridge, Département américain de l'énergie ; photographe Ilia Ivanov
L'accomplissement crée des blocs de construction moléculaires pour la conception de matériaux optoélectroniques et sensoriels. Cela impliquait la conception d'un polymère semi-conducteur avec un squelette hydrophobe (« craignant l'eau ») et des chaînes latérales hydrophiles (« aimant l'eau »). Les chaînes latérales solubles dans l'eau pourraient permettre un traitement « vert » si l'effort produisait un polymère qui pourrait s'auto-assembler en un matériau photovoltaïque organique. Les chercheurs ont ajouté le polymère à une solution aqueuse contenant une molécule de tensioactif qui a également des extrémités hydrophobes et hydrophiles. En fonction de la température et de la concentration, le tensioactif s'auto-assemble en différents modèles qui guident le polymère pour qu'il se forme sous différentes formes nanométriques :hexagones, micelles et feuillets sphériques.
Dans le polymère semi-conducteur, les atomes sont organisés pour partager facilement les électrons. Le travail donne un aperçu des différentes phases structurelles du système polymère et de la croissance d'assemblages de formes répétitives pour former des cristaux fonctionnels. Ces cristaux forment la base des films minces photovoltaïques qui fournissent de l'énergie dans des environnements aussi exigeants que les déserts et l'espace.
« Le codage rationnel des interactions moléculaires pour régir la géométrie moléculaire et l'ordre de conditionnement intermoléculaire dans une solution de polymères conjugués est depuis longtemps souhaité en optoélectronique et en nanotechnologie, " a déclaré le premier auteur de l'article, stagiaire postdoctoral Jiahua Zhu. "Le développement est essentiellement entravé par la difficulté de la caractérisation in situ."
Sur place, ou "sur place, " les mesures sont prises alors qu'un phénomène (tel qu'un changement de morphologie moléculaire) se produit. Elles contrastent avec les mesures prises après avoir isolé le matériau du système où le phénomène a été observé ou modifié les conditions d'essai dans lesquelles le phénomène a été observé pour la première fois. L'équipe a développé une chambre d'essai qui leur permet d'utiliser des sondes optiques pendant que des changements se produisent.
Les neutrons peuvent sonder les structures dans les solutions
Expertise et équipement chez SNS, qui fournit les faisceaux de neutrons pulsés les plus intenses au monde, a permis de découvrir qu'un polymère photovoltaïque fonctionnel pouvait s'auto-assembler dans un solvant respectueux de l'environnement. L'efficacité de la diffusion des neutrons a été renforcée, à son tour, par une technique appelée deutération sélective, dans lequel des atomes d'hydrogène spécifiques dans les polymères sont remplacés par des atomes plus lourds de deutérium - ce qui a pour effet d'accentuer les contrastes dans la structure. CNMS est spécialisé dans cette dernière technique.
"Nous devions être capables de voir ce qui arrive à ces molécules lorsqu'elles évoluent dans le temps d'un état solution à un état solide, " L'auteur Bobby Sumpter de CNMS a déclaré. " C'est très difficile à faire, mais pour les molécules comme les polymères et les biomolécules, les neutrons sont parmi les meilleures sondes que vous puissiez imaginer. » Les informations qu'ils fournissent guident la conception de matériaux avancés.
En combinant l'expertise sur des sujets tels que la diffusion des neutrons, analyse de données à haut débit, théorie, modélisation et simulation, les scientifiques ont développé une chambre d'essai pour surveiller les transitions de phase au fur et à mesure qu'elles se produisent. Il suit les molécules dans des conditions de changement de température, pression, humidité, léger, composition de solvant et similaire, permettant aux chercheurs d'évaluer l'évolution des matériaux de travail au fil du temps et d'aider les efforts visant à améliorer leurs performances.
Les scientifiques placent un échantillon dans la chambre et le transportent vers différents instruments pour les mesures. La chambre a une face transparente pour permettre l'entrée de faisceaux laser pour sonder les matériaux. Modes de sondage—y compris les photons, Charge électrique, le spin magnétique et les calculs assistés par le calcul haute performance peuvent fonctionner simultanément pour caractériser la matière dans un large éventail de conditions. La chambre est conçue pour permettre, à l'avenir, d'utiliser les neutrons et les rayons X comme sondes supplémentaires et complémentaires.
"L'incorporation de techniques in situ apporte des informations sur les aspects cinétiques et thermodynamiques des transformations des matériaux dans les solutions et les films minces dans lesquels la structure est mesurée simultanément avec leur fonctionnalité optoélectronique changeante, " a déclaré Ivanov. " Cela ouvre également une opportunité d'étudier des cellules photovoltaïques entièrement assemblées ainsi que des structures métastables, ce qui peut conduire à des caractéristiques uniques des futurs matériaux fonctionnels."
Alors que la présente étude a examiné les transitions de phase (c. états métastables et réactions chimiques) à des températures croissantes, les prochains diagnostics in situ les caractériseront à haute pression. De plus, les chercheurs mettront en œuvre des réseaux de neurones pour analyser des processus non linéaires complexes avec de multiples rétroactions.
Le titre de l'article à l'échelle nanométrique est « Contrôler l'ordre moléculaire dans les polymères conjugués à l'état de solution ».
