L'auto-organizzazione dei componenti molecolari in nanostrutture gerarchicamente ordinate è una parte essenziale per lo sviluppo di nuovi materiali nelle nanotecnologie emergenti e nelle plastiche sostenibili. Brigitte Lamers ha studiato la complessa interazione tra le forze motrici molecolari per l'assemblaggio di massa per trovare relazioni struttura-proprietà nell'area che unisce copolimeri a blocchi e cristalli liquidi. Ha difeso il suo dottorato di ricerca. il 23 giugno.

La funzione e le proprietà macroscopiche della maggior parte dei materiali che ci circondano è fortemente correlata alla sua micro o nanostruttura che è formata da interazioni favorevoli o sfavorevoli tra le molecole di cui è composto. Esempi sono le plastiche, composto da polimeri in cui l'impaccamento tra i trefoli polimerici è determinato dall'interazione tra i trefoli che nel complesso, determina le proprietà macroscopiche dei materiali.

I polimeri possono essere utilizzati anche in nuove nanotecnologie in cui la litografia top-down e l'assemblaggio bottom-up sono combinati per ottenere linee altamente organizzate o modelli punteggiati che possono essere utilizzati per lo sviluppo di chip elettronici. qui, le interazioni che regolano l'autoassemblaggio dei copolimeri a blocchi determinano la morfologia nanostrutturata finale.

Quindi, una comprensione della relazione tra struttura molecolare, la nanostruttura e le proprietà macroscopiche sono fondamentali per creare nuovi materiali per un futuro sostenibile in cui possiamo archiviare la quantità di dati che viene prodotta oggi e mantenere puliti i nostri oceani con nuove plastiche facilmente riciclabili.

Effetti di dispersione

Per comprendere le relazioni struttura-proprietà, è fondamentale utilizzare molecole discrete per escludere gli effetti di dispersione, noto nei polimeri. Questi effetti di dispersione ostacolano la formazione di una nanostruttura altamente ordinata da parte dei copolimeri a blocchi e causano l'incertezza nel determinare da dove provengono le proprietà del materiale poiché ogni filamento polimerico ha la sua proprietà macroscopica. Perciò, Brigitte Lamers ha utilizzato co-oligomeri a blocchi discreti per studiare il loro autoassemblaggio in nanostrutture organizzate gerarchicamente.

Lamers ha studiato le relazioni tra struttura e proprietà di co-oligomeri a blocchi discreti di cui uno dei due blocchi è composto da oligodimetilsilossano a lunghezza discreta. Il silossano è altamente incompatibile con molti altri oligomeri o molecole che leghiamo all'oligomero. L'interazione sfavorevole provoca la segregazione di fase che sfruttiamo per l'autoassemblaggio confinato dei co-oligomeri a blocchi.

All'interno dello stato a fasi separate, la molecola o l'oligomero che è attaccato in modo covalente al silossano può assemblarsi in nanostrutture unidimensionali (1D) o bidimensionali (2D) mediante non covalente, interazioni supramolecolari o cristallizzazione, rispettivamente. L'assemblaggio confinato si traduce in nanostrutture altamente organizzate con confini estremamente netti tra le fasi, importante ai fini della litografia. Inoltre, le transizioni di fase sono estremamente nitide consentendo lo sviluppo di sensori termoreattivi.

Proprietà macroscopiche

In contrasto, la cristallizzazione o autoassemblaggio della molecola attaccata al silossano può anche competere con la segregazione di fase indotta dal silossano. Ciò causa difetti nella morfologia nanostrutturata che possono derivare da uno squilibrio nella cinetica di diffusione e cristallizzazione o dalla destabilizzazione della struttura cristallina 3D.

La selezione del percorso in questa complessa interazione di interazioni è molto sensibile e può essere alterata da piccole variazioni nella struttura molecolare. Lamers ha scoperto che tali cambiamenti possono introdurre un cambiamento macroscopico delle proprietà del materiale. Ha anche alterato l'architettura del co-oligomero a blocchi che ha dato notevoli differenze nell'ordinamento nanostrutturale. Sebbene entrambi i materiali fossero composti dagli stessi componenti, ha ottenuto un fragile, materiale cristallino e una plastica duttile.

Inoltre, ha dimostrato che la connettività dei blocchi terminali in un materiale multicomponente è importante per l'ordine nel co-assemblaggio. Le interazioni direzionali nell'assieme multicomponente causano la formazione della nanostruttura ordinata che ha reso il materiale utile per la nanoelettronica morbida. Questi esempi enfatizzano l'influenza della struttura molecolare e della nanostruttura sulle proprietà dei materiali.

Finalmente, ha utilizzato le conoscenze ottenute sulle interazioni supramolecolari in materiali discreti a base di silossani per ottenere plastiche riciclabili a base di polidimetilsilossano in cui abbiamo alterato la forza di interazione del motivo supramolecolare per ottenere tre plastiche distinte aventi fragilità, proprietà elastiche viscose o termoplastiche.