Scienziati dell'Imperial College di Londra, lavorando presso l'Institut Laue-Langevin, hanno presentato un nuovo modo di posizionare le nanoparticelle nella plastica, con importanti applicazioni nella produzione di rivestimenti e materiale fotovoltaico che raccolgono energia dal sole. Lo studio, presentato in Materiale avanzato (articolo di copertina), ha usato i neutroni per capire il ruolo che la luce, anche quella ambientale, gioca nella stabilizzazione di questi film sottili notoriamente instabili. Come prova di concetto, il team ha mostrato come la combinazione di calore e luce visibile e UV a bassa intensità potrebbe essere utilizzata in futuro come un preciso, strumento a basso costo per la stampa 3D di autoassemblanti, circuiti a film sottile su questi film.

I film sottili costituiti da lunghe catene di molecole organiche chiamate polimeri e fullereni (grandi molecole a forma di calcio composte interamente di carbonio) sono utilizzati principalmente nelle celle solari polimeriche dove emettono elettroni se esposti ai raggi solari visibili o ultravioletti. Questi cosiddetti materiali fotovoltaici possono generare energia elettrica convertendo la radiazione solare in corrente elettrica continua.

Le celle solari polimeriche sono di notevole interesse per l'elettronica a bassa potenza, come le reti di sensori wireless autonome utilizzate per monitorare tutto, dalla temperatura dell'oceano allo stress all'interno del motore di un'auto. Queste miscele fullerene-polimero sono particolarmente attraenti perché sono leggere, poco costoso da realizzare, flessibile, personalizzabile a livello molecolare, e relativamente rispettosi dell'ambiente.

Tuttavia, le attuali celle solari polimeriche offrono solo circa un terzo dell'efficienza di altri materiali per la raccolta di energia, e sono molto instabili.

Al fine di migliorare la comprensione scientifica delle dinamiche di questi sistemi e quindi delle loro prestazioni operative, il team ha effettuato esperimenti di riflettometria neutronica presso l'ILL, il principale centro mondiale per la scienza dei neutroni, su un film modello semplice costituito da fullereni puri con un polimero flessibile. La riflettometria di neutroni è una tecnica non distruttiva che consente di "rasare" gli strati da questi film sottili per osservare cosa succede ai fullereni e ai polimeri separatamente, a risoluzione su scala atomica, per tutta la loro profondità.

Mentre le teorie precedenti suggerivano che la stabilizzazione del film sottile fosse collegata alla formazione di uno strato di nanoparticelle di fullerene espulse all'interfaccia del substrato, Gli esperimenti di riflettometria neutronica hanno mostrato che i "palloni" di carbonio rimangono uniformemente distribuiti in tutto lo strato. Anziché, il team ha rivelato che la stabilizzazione dei film è stata causata da una forma di fotoreticolazione dei fullereni. Il processo conferisce maggiore integrità strutturale ai film, il che significa che i film ultrasottili, (fino a 10000 volte più piccolo di un capello umano) diventano facilmente stabili con tracce di fullerene.

Le implicazioni di questa scoperta sono significative, in particolare nella possibilità di creare dispositivi di plastica molto più sottili che rimangono stabili, con maggiore efficienza e durata (mentre la minore quantità di materiale richiesta riduce al minimo il loro impatto ambientale).

La sensibilità alla luce suggerisce anche uno strumento unico e semplice per impartire motivi e disegni a queste pellicole notoriamente instabili. Per dimostrare il concetto, il team ha utilizzato una fotomaschera per controllare spazialmente la distribuzione della luce e il calore aggiunto. La combinazione fa sì che i fullereni si autoassemblano in schemi ben definiti connessi e disconnessi, su richiesta, semplicemente scaldando la pellicola fino a quando non inizia ad ammorbidirsi. Ciò si traduce in una topografia spontanea e può costituire la base di uno strumento a basso costo per la stampa 3D di circuiti a film sottile. Altre potenziali applicazioni potrebbero includere modelli di sensori o scaffold biomedici.

Nel futuro, il team sta cercando di applicare i suoi risultati ai polimeri coniugati e ai derivati ​​del fullerene, più comune nei film commerciali, e rivestimenti industriali a film sottile.