Científicos del Imperial College de Londres, trabajando en el Institut Laue-Langevin, han presentado una nueva forma de posicionar nanopartículas en plásticos, con importantes aplicaciones en la producción de recubrimientos y material fotovoltaico que recolectan energía del sol. El estudio, presentado en Materiales avanzados (artículo de portada), utilizó neutrones para comprender el papel que juega la luz, incluso la luz ambiental, en la estabilización de estas películas delgadas notoriamente inestables. Como prueba de concepto, el equipo ha demostrado cómo la combinación de calor y luz visible y ultravioleta de baja intensidad podría utilizarse en el futuro como un método preciso, herramienta de bajo costo para impresión 3D de autoensamblaje, circuitos de película delgada en estas películas.

Las películas delgadas formadas por largas cadenas de moléculas orgánicas llamadas polímeros y fullerenos (grandes moléculas con forma de balón compuestas completamente de carbono) se utilizan principalmente en células solares poliméricas donde emiten electrones cuando se exponen a los rayos solares visibles o ultravioleta. Estos llamados materiales fotovoltaicos pueden generar energía eléctrica al convertir la radiación solar en corriente eléctrica directa.

Las células solares de polímero son de gran interés para la electrónica de baja potencia, como las redes autónomas de sensores inalámbricos que se utilizan para monitorear todo, desde la temperatura del océano hasta el estrés dentro del motor de un automóvil. Estas mezclas de fullereno-polímero son particularmente atractivas porque son livianas, barato de hacer, flexible, personalizable a nivel molecular, y relativamente respetuoso con el medio ambiente.

Sin embargo, las células solares de polímero actuales solo ofrecen alrededor de un tercio de la eficiencia de otros materiales de recolección de energía, y son muy inestables.

Con el fin de mejorar la comprensión científica de la dinámica de estos sistemas y, por lo tanto, su desempeño operativo, el equipo llevó a cabo experimentos de reflectometría de neutrones en el ILL, el centro insignia del mundo para la ciencia de neutrones, en una película modelo simple compuesta de fullerenos puros con un polímero flexible. La reflectometría de neutrones es una técnica no destructiva que le permite 'raspar' capas de estas películas delgadas para observar lo que sucede con los fullerenos y los polímeros por separado. a una resolución de escala atómica, en toda su profundidad.

Si bien las teorías anteriores sugirieron que la estabilización de la película delgada estaba relacionada con la formación de una capa de nanopartículas de fullereno expulsada en la interfaz del sustrato, Los experimentos de reflectometría de neutrones mostraron que los "balones de fútbol" de carbono permanecen distribuidos uniformemente por toda la capa. En lugar de, el equipo reveló que la estabilización de las películas fue causada por una forma de foto-reticulación de los fullerenos. El proceso imparte una mayor integridad estructural a las películas, lo que significa que las películas ultrafinas, (hasta 10000 veces más pequeño que un cabello humano) se estabilizan fácilmente con trazas de fullereno.

Las implicaciones de este hallazgo son significativas, particularmente en el potencial de crear dispositivos de plástico mucho más delgados que permanezcan estables, con mayor eficiencia y vida útil (mientras que la menor cantidad de material requerido minimiza su impacto ambiental).

La sensibilidad a la luz también sugiere una herramienta única y simple para impartir patrones y diseños en estas películas notoriamente inestables. Para probar el concepto, el equipo utilizó una fotomáscara para controlar espacialmente la distribución de la luz y el calor añadido. La combinación hace que los fullerenos se autoensamblen en patrones bien definidos conectados y desconectados, Bajo demanda, simplemente calentando la película hasta que comience a ablandarse. Esto da como resultado una topografía espontánea y puede formar la base de una herramienta de bajo costo para la impresión 3D de circuitos de película delgada. Otras aplicaciones potenciales podrían incluir la creación de patrones de sensores o andamios biomédicos.

En el futuro, el equipo busca aplicar sus hallazgos a polímeros conjugados y derivados de fullereno, más común en películas comerciales, y revestimientos industriales de película fina.