Le contrôle de l'organisation des nanoparticules en motifs dans des films polymères ultrafins peut être accompli avec l'entropie au lieu de la chimie, selon une découverte du Dr Alamgir Karim, Professeur d'ingénierie des polymères Goodyear Tire and Rubber Company de l'UA, et son élève le Dr Ren Zhang. Les films minces polymères sont utilisés dans une variété d'applications technologiques, par exemple des peintures, lubrifiants, et adhésifs. Karim et Zhang ont développé une méthode originale, la ségrégation des nanoparticules induite par un motif à confinement doux (SCPINS), pour fabriquer des films minces nanocomposites polymères avec une organisation des nanoparticules bien contrôlée à l'échelle submicronique. Cette nouvelle méthode contrôle de manière unique l'organisation de tout type de nanoparticules en motifs dans ces films, ce qui peut être utile pour des applications impliquant des capteurs, des circuits à nanofils ou des réseaux de diffraction, avec des étapes de traitement ultérieures appropriées comme le frittage thermique ou UV, qui sont probablement nécessaires, mais l'auto-organisation en modèles dirigés.

Ce travail, "Ségrégation entropique de nanoparticules greffées polymère sous confinement, " a été publié dans le numéro de février 2017 de Actes de l'Académie nationale des sciences ( PNAS ).

Intuitivement, l'entropie est associée au désordre d'un système. Cependant, pour la matière colloïdale, il a été démontré qu'un système peut subir des transitions qui augmentent à la fois l'entropie et l'ordre visible. Inspiré par ce constat, Karim et Zhang ont étudié le rôle de l'entropie dans l'organisation dirigée des nanoparticules à greffage polymère (PGNP) dans des films minces polymères. En imprimant simplement les films de mélange dans des régions de tranchée mésa à motifs, les nanoparticules s'enrichissent spontanément au sein des mesas, formant des structures de microdomaines à motifs qui coïncident avec le motif topographique. Cette ségrégation sélective des PGNPs est induite par une pénalité entropique due à l'altération de la conformation de la chaîne greffée lorsqu'elle est confinée dans des régions de tranchées ultrafines.

Pour la première fois, l'organisation spatiale souhaitée des nanoparticules est obtenue par effet de confinement entropique induit par le motif topographique, sans régler les interactions enthalpiques par la chimie. Cette méthode facile, SCPINS, s'applique aux compositions de particules polyvalentes et aux géométries de motifs. Ce travail peut être étendu aux systèmes de particules multi-composants, qui a des applications potentielles dans les technologies basées sur les nanomatériaux telles que la nanoélectronique et la plasmonique.

"Le processus est très efficace car il peut incorporer toutes les nanoparticules sans gaspillage dans le film de matrice restant lors de la structuration — 100 % des nanoparticules sont à motifs, " explique Karim. " La matrice restante peut être rincée sans perte de nanoparticules coûteuses. "