Scansione di immagini al microscopio elettronico della struttura cristallina del materiale copolimero a blocchi, illustrando le loro insolite simmetrie quasicristalline. Le regioni con proprietà di simmetria diverse sono evidenziate con colori diversi, ed esempi dei diversi modelli, che ricordano alcuni antichi modelli di piastrellatura, sono mostrati negli schemi allegati. Credito:Massachusetts Institute of Technology
Materiali autoassemblanti detti copolimeri a blocchi, che sono noti per formare una varietà di prevedibili, modelli regolari, possono ora essere trasformati in modelli molto più complessi che possono aprire nuove aree del design dei materiali, afferma un team di ricercatori del MIT.
Le nuove scoperte appaiono sulla rivista Comunicazioni sulla natura , in un articolo del postdoc Yi Ding, professori di scienza e ingegneria dei materiali Alfredo Alexander-Katz e Caroline Ross, e altri tre.
"Si tratta di una scoperta in un certo senso fortuita, " dice Alexander-Katz. "Tutti pensavano che questo non fosse possibile, " lui dice, descrivendo la scoperta del team di un fenomeno che consente ai polimeri di autoassemblarsi in modelli che si discostano dalle normali matrici simmetriche.
I copolimeri a blocchi autoassemblanti sono materiali le cui molecole a catena, che sono inizialmente disordinati, si organizzeranno spontaneamente in strutture periodiche. I ricercatori avevano scoperto che se c'era uno schema ripetuto di linee o pilastri creati su un substrato, e quindi su quella superficie si è formato un film sottile del copolimero a blocchi, i modelli dal substrato sarebbero duplicati nel materiale autoassemblato. Ma questo metodo poteva produrre solo modelli semplici come griglie di punti o linee.
Nel nuovo metodo, ce ne sono due diversi, modelli non corrispondenti. Uno proviene da una serie di pali o linee incise su un materiale di substrato, e l'altro è un modello intrinseco creato dal copolimero autoassemblante. Per esempio, può esserci un motivo rettangolare sul substrato e una griglia esagonale che il copolimero forma da solo. Ci si aspetterebbe che la disposizione del copolimero a blocchi risultante sia scarsamente ordinata, ma non è quello che ha scoperto la squadra. Anziché, "stava formando qualcosa di molto più inaspettato e complicato, " dice Rossi.
Si è scoperto che c'era un tipo di ordine sottile ma complesso:aree interconnesse che formavano schemi leggermente diversi ma regolari, di tipo simile ai quasicristalli, che non si ripetono esattamente come fanno i normali cristalli. In questo caso, gli schemi si ripetono, ma su distanze maggiori rispetto ai normali cristalli. "Stiamo sfruttando i processi molecolari per creare questi modelli sulla superficie" con il materiale copolimero a blocchi, dice Ross.
Questo potenzialmente apre le porte a nuovi modi di realizzare dispositivi con caratteristiche su misura per sistemi ottici o per "dispositivi plasmonici" in cui la radiazione elettromagnetica risuona con gli elettroni in modi precisamente sintonizzati, dicono i ricercatori. Tali dispositivi richiedono un posizionamento e una simmetria molto precisi di modelli con dimensioni su scala nanometrica, qualcosa che questo nuovo metodo può ottenere.
Katherine Mizrahi Rodriguez, che ha lavorato al progetto come studente universitario, spiega che il team ha preparato molti di questi campioni di copolimero a blocchi e li ha studiati al microscopio elettronico a scansione. Yi Ding, che ci ha lavorato per la sua tesi di dottorato, "ha iniziato a guardare più e più volte per vedere se sono emersi modelli interessanti, "dice. "È stato allora che tutte queste nuove scoperte si sono evolute".
I modelli dispari risultanti sono "un risultato della frustrazione tra il modello che il polimero vorrebbe formare, e il modello, " spiega Alexander-Katz. Questa frustrazione porta a una rottura delle simmetrie originali e alla creazione di nuove sottoregioni con diversi tipi di simmetrie al loro interno, lui dice. "Questa è la soluzione che la natura offre. Cercando di adattarsi alla relazione tra questi due modelli, viene fuori una terza cosa che rompe gli schemi di entrambi." Descrivono i nuovi schemi come un "superreticolo".
Dopo aver creato queste nuove strutture, il team ha continuato a sviluppare modelli per spiegare il processo. Co-autore Karim Gadelrab Ph.D. '19, dice, "Il lavoro di modellazione ha mostrato che i modelli emergenti sono in effetti termodinamicamente stabili, e ha rivelato le condizioni in cui si sarebbero formati i nuovi modelli."
Ding dice "Comprendiamo pienamente il sistema in termini di termodinamica, " e il processo di autoassemblaggio "ci consente di creare modelli fini e di accedere a nuove simmetrie che altrimenti sarebbero difficili da fabbricare".
Dice che questo rimuove alcune limitazioni esistenti nella progettazione di materiali ottici e plasmonici, e così "crea un nuovo percorso" per il design dei materiali.
Finora, il lavoro svolto dal team è stato limitato a superfici bidimensionali, ma nel lavoro in corso sperano di estendere il processo nella terza dimensione, dice Ross. "La fabbricazione tridimensionale sarebbe un punto di svolta, " dice. Le attuali tecniche di fabbricazione dei microdispositivi li costruiscono uno strato alla volta, lei dice, ma "se puoi costruire interi oggetti in 3-D in una volta, " che potenzialmente renderebbe il processo molto più efficiente.
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.
