Di fusione di un polimero e guardandolo raffreddare attraverso le lenti della luce e dei raggi X, gli ingegneri dell’Università del Nebraska-Lincoln hanno scoperto profondità nascoste in un materiale centinaia di volte più sottile di un capello umano.
Un rendering di un film nanoscopicamente sottile di P3HT, un polimero la cui leggerezza, flessibilità e capacità di condurre l’elettricità lo ha posizionato come materiale candidato per l’elettronica di nuova generazione. I ricercatori del Nebraska hanno scoperto che la fusione e il raffreddamento del materiale possono portare a due strati con proprietà diverse che potrebbero essere adattati a vari dispositivi elettronici. Credito immagine: Jesse Kuebler / Macromolecole / American Chemical Society
Il team ha scoperto che quelle profondità, in particolare una crosta ultrasottile e il mantello sottostante, possono solidificarsi e cristallizzarsi in modi diversi. Le differenze sono più che superficiali: possono alterare il trasporto di cariche elettriche e altre proprietà tecnologicamente rilevanti del polimero, note come P3HT e presenta una flessibilità leggera che fa appello ai progettisti di elettronica di nuova generazione.
Lucía Fernández-Ballester e i suoi colleghi lo sperano osservando e riportando le complessità mai viste prima di P3HTla cristallizzazione alla fine aiuterà gli ingegneri ad adattare il materiale in un cavallo di battaglia a basso costo adatto a determinati transistor, sensori e una miriade di altri componenti.
“Quando hai un film molto sottile, è molto difficile da studiare”, ha detto Fernández-Ballester, assistente professore di ingegneria meccanica e dei materiali al Nebraska. “Quindi questo è un problema difficile. Ma la base è: possiamo manipolare le proprietà? Possiamo ottenere qualcosa di meglio manipolando il processo di cristallizzazione? E se vogliamo manipolarlo, dobbiamo capire meglio cosa sta succedendo e avere un mezzo per controllare il modo in cui procede”.
A differenza della maggior parte dei polimeri, che non sono in grado di condurre elettricità, P3HT fa parte di una classe speciale di cosiddetti polimeri coniugati che possono. Riscaldamento P3HT in una forma fusa, lasciandolo poi raffreddare, promette di offrire un certo controllo sulla sua struttura semicristallina: il modo in cui i suoi atomi o molecole formano modelli ordinati che, a loro volta, possono dettare il modo in cui l’elettricità e la luce lo attraversano.
Ma la natura di quel processo – quali fattori influenzano la cristallizzazione e come – è per lo più sfuggita ai ricercatori, che hanno lottato anche su come studiarlo correttamente. Catturare un segnale dalla minuscola quantità di cristallizzazione che si verifica in un materiale nanoscopico è già abbastanza impegnativo. Trovare un modo per farlo mentre si sta verificando la cristallizzazione non fa che aggravare la difficoltà.
“Con questo particolare studio, quello che mi chiedevo era: se prendiamo uno di questi polimeri speciali – e P3HT è il più utilizzato, è ampiamente disponibile: sappiamo cosa stiamo facendo quando lo elaboriamo e lo consolidiamo? Fernández-Ballester ha detto.
Sapendo che i polimeri coniugati sono sensibili a particolari onde elettromagnetiche, Fernández-Ballester e il suo team si sono rivolti a UV e luce visibile. Quando il P3HT era ancora fuso, il polimero assorbito in gran parte UV luce o i violetti, i blu e altre lunghezze d’onda all’estremità inferiore dello spettro visibile. Quando è iniziata la cristallizzazione, però, il materiale ha iniziato ad assorbire arancioni e rossi. Tracciando l’assorbimento a ogni temperatura, dai massimi del polimero fuso ai minimi del materiale raffreddato, il team è riuscito a monitorare la cristallizzazione in tempo reale durante tutto il P3HT.
Fernández-Ballester era particolarmente interessato a come la cristallizzazione potesse variare a seconda che la superficie superiore del P3HT era coperto o liberamente esposto all’aria. Quindi il team ha condotto due esperimenti: uno con il vetro sopra e uno senza. Quando la superficie superiore era libera – e solo allora – la cristallizzazione ha assunto un processo a due fasi ea due livelli. I primi 20 nanometri del P3HTuna sezione trasversale circa 5.000 volte più sottile di un capello, cristallizzato a circa 445 gradi Fahrenheit, circa 45 gradi in più rispetto al resto del polimero.
Grazie ad alcuni esperimenti di scattering di raggi X eseguiti presso l’Argonne National Laboratory, il team ha determinato che, all’interno della crosta di 20 nanometri, le ossa dorsali ad anello del polimero si impilavano insieme stando sui bordi. Quella combinazione di ordine e orientamento in genere favorisce la conduttività che corre parallela alla superficie del materiale, contrassegnando la crosta come terreno privilegiato per la fabbricazione di alcuni transistor, i minuscoli elementi che regolano il flusso di elettricità attraverso i circuiti.
Al di sotto di quella crosta, l’orientamento cristallino dipendeva in parte dallo spessore della pellicola stessa. Quando la pellicola totale non superava i 40 nanometri di spessore, i cristalliti nello strato inferiore adottavano essenzialmente lo stesso ordine e orientamento di quelli superiori. Nelle pellicole più spesse, quella cristallinità alla fine ha lasciato il posto a più disordine, così che più un cristallite risiedeva dalla crosta, più era probabile che adottasse un orientamento casuale. Invece di incoraggiare l’elettricità a fluire orizzontalmente, un orientamento casuale dovrebbe consentire alle cariche elettriche di fluire in qualsiasi direzione, anche dall’alto verso il basso, il che potrebbe rivelarsi utile nelle celle solari.
“Diversi dispositivi elettronici hanno effettivamente bisogno che il trasporto delle cariche sia in determinate direzioni, il che dipende da quale sia il dispositivo elettronico”, ha detto Fernández-Ballester. “Quindi tutto ciò che ci dice come manipolarlo o come sbarazzarsi di quell’orientamento, ha il potenziale per guidare la progettazione di polimeri per una particolare applicazione.
“Essenzialmente, sei quindi a quel punto di utilizzare il design razionale del materiale e la lavorazione per ottenere la struttura di cui hai bisogno. Quindi hai un modo informato di farlo; non è solo tentativi ed errori.
Pur definendo il lavoro “estremamente fondamentale”, Fernández-Ballester ha affermato che la spaventosa complessità dei polimeri coniugati – di isolare variabili che sono così intricate e su una scala così minuscola – lo rende un passo essenziale sulla strada per massimizzare P3HT.
“Penso che ci sia una sinergia”, ha detto, “tra la ricerca fondamentale e quella a valle, più applicata”.
Fonte: Università del Nebraska-Lincoln
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
