El estudiante de doctorado de la Universidad de Yale, Kristof Toth (en la foto de arriba) con la herramienta de deposición de electrospray que diseñó, construido, y validado en colaboración con el científico Gregory Doerk del Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) de Brookhaven Lab. Esta herramienta CFN permite a los usuarios mezclar múltiples componentes, como polímeros, nanopartículas, y moléculas pequeñas, en una variedad de composiciones en una sola muestra. Al lado del CFN, en el National Synchrotron Light Source II, los usuarios pueden probar cómo cambia la estructura del material mezclado en todo este espacio de composición. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
La mezcla es una estrategia poderosa para mejorar el rendimiento de la electrónica, revestimientos, membranas de separación, y otros materiales funcionales. Por ejemplo, Se han producido células solares de alta eficiencia y diodos emisores de luz optimizando mezclas de componentes orgánicos e inorgánicos.
Sin embargo, Encontrar la composición de mezcla óptima para producir las propiedades deseadas ha sido tradicionalmente un proceso inconsistente y que consumía mucho tiempo. Los científicos sintetizan y caracterizan una gran cantidad de muestras individuales con diferentes composiciones una a la vez, eventualmente compilando suficientes datos para crear una "biblioteca" compositiva. Un enfoque alternativo es sintetizar una sola muestra con un gradiente de composición de modo que se puedan explorar todas las posibles composiciones a la vez. Los métodos combinatorios existentes para explorar rápidamente las composiciones han sido limitados en términos de los tipos de materiales compatibles, el tamaño de los incrementos de composición, o número de componentes mezclables (a menudo solo dos).
Para superar estas limitaciones, un equipo del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), Universidad de Yale, y la Universidad de Pensilvania construyó recientemente una herramienta automatizada, la primera en su tipo, para depositar películas con composiciones de mezcla finamente controladas hechas de hasta tres componentes en muestras individuales. Las soluciones de cada componente se cargan en bombas de jeringa, mezclado de acuerdo con una receta programable, "y se rocía como pequeñas gotas cargadas eléctricamente sobre la superficie de un material base calentado llamado sustrato. Al programar los caudales de las bombas como una etapa debajo del sustrato cambia de posición, los usuarios pueden obtener gradientes continuos en la composición.
Ahora, el equipo ha combinado esta herramienta de deposición por electropulverización con la técnica de caracterización estructural de la dispersión de rayos X. Juntos, estas capacidades forman una plataforma para probar cómo cambia la estructura del material en todo un espacio de composición. Los científicos demostraron esta plataforma para una mezcla de película delgada de tres polímeros, cadenas hechas de bloques de construcción moleculares unidos entre sí por enlaces químicos, diseñadas para organizar espontáneamente, o "autoensamblado, "en patrones de escala nanométrica (mil millonésimas de metro). Su plataforma y demostración se describen en un artículo publicado hoy en RSC Advances, una revista de la Royal Society of Chemistry (RSC).
"Nuestra plataforma reduce el tiempo para explorar las complejas dependencias de composición de los sistemas de materiales combinados de meses o semanas a unos pocos días, "dijo el autor correspondiente Gregory Doerk, científico del personal del Grupo de Nanomateriales Electrónicos del Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) de Brookhaven Lab.
Un esquema de la herramienta de deposición por electropulverización (a), con vistas ampliadas (b) y aéreas (c). Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
"Construimos un diagrama de morfología con más de 200 mediciones en una sola muestra, que es como hacer 200 muestras de la forma convencional, "dijo el primer autor Kristof Toth, un doctorado estudiante del Departamento de Ingeniería Química y Ambiental de la Universidad de Yale. "Nuestro enfoque no solo reduce el tiempo de preparación de la muestra, sino también el error de muestra a muestra".
Este diagrama mapeó cómo las morfologías, o formas, del sistema de polímero mezclado cambió a lo largo de un gradiente de composición de 0 a 100 por ciento. En este caso, el sistema contenía un polímero de autoensamblaje ampliamente estudiado hecho de dos bloques distintos (PS-b-PMMA) y los componentes de bloque individuales de este copolímero de bloque, u homopolímeros (PS y PMMA). Los científicos programaron la herramienta de deposición por electropulverización para crear consecutivamente "tiras" de gradiente unidimensional con todo el copolímero de bloque en un extremo y toda la mezcla de homopolímero en el otro extremo.
Para caracterizar la estructura, el equipo realizó experimentos de dispersión de rayos X de ángulo pequeño con incidencia rasante en la línea de luz de dispersión de materiales complejos (CMS), que se opera en la fuente de luz sincrotrón nacional II de Brookhaven (NSLS-II) en asociación con el CFN. En esta técnica, un haz de rayos X de alta intensidad se dirige hacia la superficie de una muestra en un ángulo muy bajo. El rayo se refleja en la muestra en un patrón característico, proporcionando instantáneas de estructuras a nanoescala en diferentes composiciones a lo largo de cada tira de cinco milímetros de largo. De estas imágenes, la forma, Talla, y se puede determinar el orden de estas estructuras.
"Los rayos X de alta intensidad del sincrotrón nos permiten tomar instantáneas de cada composición en cuestión de segundos, reducir el tiempo total para mapear el diagrama de morfología, "dijo el coautor Kevin Yager, líder del Grupo de Nanomateriales Electrónicos CFN.
Los datos de dispersión de rayos X revelaron la aparición de morfologías muy ordenadas de diferentes tipos a medida que cambiaba la composición de la mezcla. Normalmente, los copolímeros de bloque se autoensamblan en cilindros. Sin embargo, la mezcla de homopolímeros muy cortos dio como resultado esferas bien ordenadas (cantidad creciente de PS) y láminas verticales (más PMMA). La adición de estos homopolímeros también triplicó o cuadruplicó la velocidad del proceso de autoensamblaje, dependiendo de la proporción de homopolímero de PS a PMMA. Para respaldar aún más sus resultados, Los científicos realizaron estudios de imágenes con un microscopio electrónico de barrido en la Instalación de Caracterización y Síntesis de Materiales CFN.
El diagrama de morfología derivado de los datos de dispersión de rayos X muestra en qué lugar del espacio de composición están los cilindros, laminillas (hojas verticales), esferas y se produce el desorden. El copolímero de bloque puro de PS-PMMA se encuentra en la parte superior del triángulo, y los homopolímeros puros de PMMA y PS están en la parte inferior izquierda y derecha del triángulo, respectivamente. Cada punto de color representa una única medición de rayos X (los puntos numerados corresponden a las mediciones descritas en detalle en el documento). Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
Aunque el equipo se centró en un sistema de polímero de autoensamblaje para su demostración, la plataforma se puede utilizar para explorar mezclas de una variedad de materiales como polímeros, nanopartículas, y pequeñas moléculas. Los usuarios también pueden estudiar los efectos de diferentes materiales de sustrato, espesores de película, Tamaños de los puntos focales del haz de rayos X, y otras condiciones de procesamiento y caracterización.
"Esta capacidad para estudiar una amplia gama de parámetros de composición y procesamiento informará la creación de sistemas nanoestructurados complejos con propiedades y funcionalidades mejoradas o completamente nuevas, "dijo el coautor Chinedum Osuji, el Profesor Presidencial Eduardo D. Glandt de Ingeniería Química y Biomolecular en la Universidad de Pennsylvania.
En el futuro, los científicos esperan crear una segunda generación del instrumento que pueda crear muestras con mezclas de más de tres componentes y que sea compatible con una variedad de métodos de caracterización, incluidos los métodos in situ para capturar cambios morfológicos durante el proceso de deposición por electropulverización.
"Nuestra plataforma representa un gran avance en la cantidad de información que puede transmitir a través de un espacio de composición, ", dijo Doerk." En unos días, los usuarios pueden trabajar conmigo en el CFN y el personal de la línea de luz de al lado en NSLS-II para crear y caracterizar sus sistemas combinados ".
"De muchas maneras, esta plataforma complementa los métodos autónomos desarrollados por científicos de CFN y NSLS-II para identificar tendencias en datos experimentales, "agregó Yager." Emparejarlos juntos tiene el potencial de acelerar dramáticamente la investigación de materia blanda ".
