La eficiencia de las células solares depende de la ingeniería precisa de polímeros que se ensamblan en películas 1, 000 veces más delgado que un cabello humano.

Hoy dia, La formación de ese conjunto polimérico requiere disolventes que pueden dañar el medio ambiente. pero los científicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía han encontrado una forma "más ecológica" de controlar el ensamblaje de polímeros fotovoltaicos en agua utilizando un surfactante, una molécula similar a un detergente, como plantilla. Sus hallazgos se informan en Nanoescala .

"El autoensamblaje de polímeros utilizando tensioactivos proporciona un enorme potencial en la fabricación de nanoestructuras con capacidad de control a nivel molecular, "dijo el autor principal Changwoo Do, investigador de la fuente de neutrones por espalación (SNS) de ORNL.

Los investigadores utilizaron tres instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE:el Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos (CNMS) y SNS en ORNL y la Fuente de Fotones Avanzada (APS) en el Laboratorio Nacional Argonne, para sintetizar y caracterizar los polímeros.

"La dispersión de neutrones y rayos X es un método perfecto para investigar estas estructuras, "dijo Do.

El estudio demuestra el valor de rastrear la dinámica molecular tanto con neutrones como con sondas ópticas.

"Nos gustaría crear una solución de apilamiento de polímeros muy específicos y traducir eso en películas delgadas donde sea impecable, Los conjuntos de polímeros sin defectos permitirían un transporte rápido de cargas eléctricas para aplicaciones fotovoltaicas, "dijo Ilia Ivanov, investigador del CNMS y autor correspondiente con Do. "Demostramos que esto se puede lograr mediante la comprensión de los mecanismos cinéticos y termodinámicos que controlan la agregación del polímero".

El logro crea bloques de construcción moleculares para el diseño de materiales optoelectrónicos y sensoriales. Implicaba el diseño de un polímero semiconductor con una cadena principal hidrófoba ("temerosa del agua") y cadenas laterales hidrófilas ("amante del agua"). Las cadenas laterales solubles en agua podrían permitir el procesamiento "verde" si el esfuerzo produjera un polímero que pudiera autoensamblarse en un material fotovoltaico orgánico. Los investigadores agregaron el polímero a una solución acuosa que contiene una molécula de surfactante que también tiene extremos hidrófobos e hidrófilos. Dependiendo de la temperatura y la concentración, el tensioactivo se autoensambla en diferentes plantillas que guían al polímero a empaquetarse en diferentes formas a nanoescala:hexágonos, micelas esféricas y láminas.

En el polímero semiconductor, los átomos están organizados para compartir electrones fácilmente. El trabajo proporciona información sobre las diferentes fases estructurales del sistema de polímeros y el crecimiento de conjuntos de formas repetidas para formar cristales funcionales. Estos cristales forman la base de las películas delgadas fotovoltaicas que proporcionan energía en entornos tan exigentes como los desiertos y el espacio exterior.

"La codificación racional de interacciones moleculares para gobernar la geometría molecular y el orden de empaquetamiento intermolecular en una solución de polímeros conjugados es un deseo desde hace mucho tiempo en optoelectrónica y nanotecnología, "dijo el primer autor del artículo, becario postdoctoral Jiahua Zhu. "El desarrollo se ve esencialmente obstaculizado por la dificultad de la caracterización in situ".

En el lugar, o "en el sitio, "Las mediciones se toman mientras ocurre un fenómeno (como un cambio en la morfología molecular). Contrastan con las mediciones tomadas después de aislar el material del sistema donde se observó el fenómeno o cambiar las condiciones de prueba bajo las cuales se observó por primera vez el fenómeno. El equipo desarrolló una cámara de prueba que les permite usar sondas ópticas mientras ocurren los cambios.

Los neutrones pueden sondear estructuras en soluciones

Experiencia y equipamiento en SNS, que proporciona los haces de neutrones pulsados ​​más intensos del mundo, hizo posible descubrir que un polímero fotovoltaico funcional podría autoensamblarse en un solvente ambientalmente benigno. Se mejoró la eficacia de la dispersión de neutrones, Sucesivamente, mediante una técnica llamada deuteración selectiva, en el que átomos de hidrógeno específicos en los polímeros son reemplazados por átomos más pesados ​​de deuterio, lo que tiene el efecto de aumentar los contrastes en la estructura. CNMS tiene una especialidad en esta última técnica.

"Necesitábamos poder ver lo que les está sucediendo a estas moléculas a medida que evolucionan en el tiempo desde un estado de solución a un estado sólido". ", dijo el autor Bobby Sumpter de CNMS." Esto es muy difícil de hacer, pero para moléculas como polímeros y biomoléculas, los neutrones son algunas de las mejores sondas que puedas imaginar ”. La información que brindan orienta el diseño de materiales avanzados.

Al combinar la experiencia en temas que incluyen la dispersión de neutrones, análisis de datos de alto rendimiento, teoría, modelado y simulación, los científicos desarrollaron una cámara de prueba para monitorear las transiciones de fase a medida que ocurrían. Realiza un seguimiento de las moléculas en condiciones de temperatura cambiante, presión, humedad, luz, composición de disolvente y similares, permitiendo a los investigadores evaluar cómo cambian los materiales de trabajo con el tiempo y ayudando a los esfuerzos para mejorar su desempeño.

Los científicos colocan una muestra en la cámara y la transportan a diferentes instrumentos para realizar mediciones. La cámara tiene una cara transparente para permitir la entrada de rayos láser a los materiales de la sonda. Modos de sondeo, incluidos fotones, carga eléctrica, El giro magnético y los cálculos con la ayuda de la computación de alto rendimiento pueden operar simultáneamente para caracterizar la materia en una amplia gama de condiciones. La cámara está diseñada para hacer posible, en el futuro, utilizar neutrones y rayos X como sondas adicionales y complementarias.

“La incorporación de técnicas in situ aporta información sobre los aspectos cinéticos y termodinámicos de las transformaciones de materiales en soluciones y películas delgadas en las que la estructura se mide simultáneamente con su funcionalidad optoelectrónica cambiante, ", Dijo Ivanov." También abre una oportunidad para estudiar células fotovoltaicas completamente ensambladas, así como estructuras metaestables, lo que puede dar lugar a características únicas de futuros materiales funcionales ".

Mientras que el estudio actual examinó las transiciones de fase (es decir, estados metaestables y reacciones químicas) a temperaturas crecientes, los próximos diagnósticos in situ los caracterizarán a alta presión. Es más, los investigadores implementarán redes neuronales para analizar procesos complejos no lineales con múltiples retroalimentaciones.

El título del artículo a nanoescala es "Control del orden molecular en polímeros conjugados en estado de solución".