Gli scienziati dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno iniziato a utilizzare "stencil" molecolari per aprire la strada a nuovi materiali che potrebbero potenzialmente trovare la loro strada nelle future generazioni di celle solari, catalizzatori e cristalli fotonici.

I ricercatori del Center for Nanoscale Materials and Energy Systems Division di Argonne hanno sviluppato una tecnica nota come sintesi di infiltrazione sequenziale (SIS), che si basa sulla creazione di domini chimici su nanoscala autoassemblati in cui possono essere coltivati ​​altri materiali. In questa tecnica, un film composto da grandi molecole chiamate copolimeri a blocchi funge da modello per la creazione di un materiale modellato altamente sintonizzabile.

Questo nuovo metodo rappresenta un'estensione della deposizione di strati atomici (ALD), una tecnica popolare per la sintesi dei materiali che viene utilizzata abitualmente dagli scienziati di Argonne. Invece di sovrapporre semplicemente film bidimensionali di nanomateriali diversi, però, SIS consente agli scienziati di costruire materiali con geometrie molto più complesse.

“Questa nuova tecnica ci consente di creare materiali che non erano possibili con ALD o copolimeri a blocchi da soli, "ha detto Seth tesoro, un nanoscienziato di Argonne che ha contribuito a sviluppare SIS in collaborazione con il chimico di Argonne Jeff Elam. "Avere la capacità di controllare la geometria del materiale che stiamo realizzando e la sua composizione chimica apre le porte a un intero universo di nuovi materiali".

Secondo tesoro, il successo della tecnica si basa sulla chimica unica dei copolimeri a blocchi. Ogni copolimero a blocchi è composto da due subunità chimicamente distinte; ad esempio, una subunità potrebbe avere un'affinità per l'acqua mentre l'altra potrebbe respingerla. In tal caso, come cercherebbe come, creando una matrice eterogenea di regioni omogenee intervallate.

“Puoi pensare a un copolimero a blocchi come a una coppia di gemelli siamesi molecolari in cui a uno piace parlare e a uno piace leggere in silenzio, "Cara ha detto. “Se metti insieme un gruppo di questi gemelli in una stanza, i loquaci cercheranno di essere vicini ai loquaci e i lettori cercheranno di essere vicini ai lettori, ma non possono semplicemente separarsi da entrambi i lati della stanza, ed è questa azione che ci dà le geometrie che stiamo cercando”.

A seconda del substrato iniziale, i copolimeri a blocchi, e la lavorazione utilizzata dagli scienziati dei materiali, possono formarsi regioni che hanno molte forme diverse, da sferico a cilindrico a planare. Sebbene ci siano molti tipi di copolimeri a blocchi, in generale non possono servire a una vasta gamma di scopi quanto i materiali inorganici. La sfida, secondo Tesoro, è quello di unire l'autoassemblaggio dei copolimeri a blocchi alla funzionalità dei materiali inorganici.

Le proprietà fisiche e chimiche di un materiale generato utilizzando SIS dipendono da come la chimica e la morfologia dei copolimeri a blocchi interagiscono con la chimica delle tecniche ALD. “Possiamo adattare i nostri sforzi di sintesi dei materiali in un modo molto più preciso di quanto non abbiamo mai fatto prima, "Cara ha detto.

Darling ed Elam hanno trascorso la maggior parte della loro carriera in Argonne concentrandosi sullo sviluppo di nuovi tipi di materiali, compreso lo sviluppo di celle solari che combinano componenti organici e inorganici. Ritengono che i tipi di materiali che SIS può generare guideranno le tecnologie fondamentali dell'energia solare verso una maggiore efficienza e costi inferiori.

“Il nostro futuro di energia solare non ha una soluzione valida per tutti, "Ha detto Elam. “Dobbiamo investigare il problema da molte angolazioni diverse con molti materiali diversi, e il SIS offrirà ai ricercatori come noi molte nuove vie di attacco”.