Materiales de autoensamblaje llamados copolímeros de bloque, que se sabe que forman una variedad de predecibles, patrones regulares, ahora se puede convertir en patrones mucho más complejos que pueden abrir nuevas áreas de diseño de materiales, dice un equipo de investigadores del MIT.

Los nuevos hallazgos aparecen en la revista. Comunicaciones de la naturaleza , en un artículo del postdoctorado Yi Ding, los profesores de ciencia e ingeniería de materiales Alfredo Alexander-Katz y Caroline Ross, y otros tres.

"Este es un descubrimiento que fue en cierto sentido fortuito, "dice Alexander-Katz." Todo el mundo pensó que esto no era posible, " él dice, describiendo el descubrimiento del equipo de un fenómeno que permite que los polímeros se autoensamblen en patrones que se desvían de las matrices simétricas regulares.

Los copolímeros de bloque autoensamblantes son materiales cuyas moléculas en forma de cadena, que inicialmente están desordenados, se organizarán espontáneamente en estructuras periódicas. Los investigadores habían descubierto que si se creaba un patrón repetido de líneas o pilares en un sustrato, y luego se formó una película delgada del copolímero de bloque en esa superficie, los patrones del sustrato se duplicarían en el material autoensamblado. Pero este método solo puede producir patrones simples como cuadrículas de puntos o líneas.

En el nuevo método, hay dos diferentes, patrones no coincidentes. Uno es de un conjunto de postes o líneas grabadas en un material de sustrato, y el otro es un patrón inherente creado por el copolímero autoensamblante. Por ejemplo, puede haber un patrón rectangular en el sustrato y una rejilla hexagonal que el copolímero forma por sí mismo. Uno esperaría que la disposición de copolímero de bloques resultante estuviera mal ordenada, pero eso no es lo que encontró el equipo. En lugar de, "estaba formando algo mucho más inesperado y complicado, "Dice Ross.

Resultó ser un tipo de orden sutil pero complejo:áreas entrelazadas que formaban patrones ligeramente diferentes pero regulares, de un tipo similar a los cuasicristales, que no se repiten como lo hacen los cristales normales. En este caso, los patrones se repiten, pero a distancias más largas que en los cristales ordinarios. "Estamos aprovechando los procesos moleculares para crear estos patrones en la superficie" con el material de copolímero en bloque, Dice Ross.

Esto potencialmente abre la puerta a nuevas formas de fabricar dispositivos con características personalizadas para sistemas ópticos o para "dispositivos plasmónicos" en los que la radiación electromagnética resuena con los electrones en formas precisas. dicen los investigadores. Estos dispositivos requieren un posicionamiento muy exacto y una simetría de patrones con dimensiones a nanoescala, algo que este nuevo método puede lograr.

Katherine Mizrahi Rodríguez, que trabajó en el proyecto como estudiante, explica que el equipo preparó muchas de estas muestras de copolímero de bloques y las estudió con un microscopio electrónico de barrido. Yi Ding, que trabajó en esto para su tesis doctoral, "comenzó a mirar una y otra vez para ver si surgía algún patrón interesante, "Ella dice." Fue entonces cuando todos estos nuevos hallazgos evolucionaron ".

Los patrones extraños resultantes son "el resultado de la frustración entre el patrón que el polímero le gustaría formar, y la plantilla, ", explica Alexander-Katz. Esa frustración conduce a la ruptura de las simetrías originales y a la creación de nuevas subregiones con diferentes tipos de simetrías dentro de ellas, él dice. "Esa es la solución que se le ocurre a la naturaleza. Tratar de encajar en la relación entre estos dos patrones, se le ocurre una tercera cosa que rompe los patrones de ambos ". Describen los nuevos patrones como una" superrejilla ".

Habiendo creado estas estructuras novedosas, el equipo pasó a desarrollar modelos para explicar el proceso. Coautor Karim Gadelrab Ph.D. '19, dice, "El trabajo de modelado mostró que los patrones emergentes son de hecho termodinámicamente estables, y reveló las condiciones bajo las cuales se formarían los nuevos patrones ".

Ding dice "Entendemos el sistema completamente en términos de termodinámica, "y el proceso de autoensamblaje" nos permite crear patrones finos y acceder a algunas nuevas simetrías que de otra manera serían difíciles de fabricar ".

Él dice que esto elimina algunas limitaciones existentes en el diseño de materiales ópticos y plasmónicos, y así "crea un nuevo camino" para el diseño de materiales.

Hasta aquí, el trabajo que ha realizado el equipo se ha limitado a superficies bidimensionales, pero en el trabajo en curso esperan extender el proceso a la tercera dimensión, dice Ross. "La fabricación tridimensional cambiaría las reglas del juego, ", dice. Las técnicas de fabricación actuales de microdispositivos los construyen capa a capa, ella dice, pero "si puedes crear objetos completos en 3D de una vez, "eso potencialmente haría que el proceso fuera mucho más eficiente.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.