L'efficienza delle celle solari dipende dalla precisa ingegnerizzazione dei polimeri che si assemblano in film 1, 000 volte più sottile di un capello umano.

Oggi, la formazione di quell'insieme polimerico richiede solventi che possono danneggiare l'ambiente, ma gli scienziati dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno trovato un modo "più ecologico" per controllare l'assemblaggio di polimeri fotovoltaici nell'acqua utilizzando un tensioattivo, una molecola simile a un detergente, come modello. I loro risultati sono riportati in Nanoscala .

"L'autoassemblaggio di polimeri utilizzando tensioattivi offre un enorme potenziale nella fabbricazione di nanostrutture con controllabilità a livello molecolare, ", ha affermato l'autore senior Changwoo Do, un ricercatore presso la Spallation Neutron Source (SNS) dell'ORNL.

I ricercatori hanno utilizzato tre strutture per gli utenti dell'Office of Science del DOE:il Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS) e SNS presso l'ORNL e l'Advanced Photon Source (APS) presso l'Argonne National Laboratory, per sintetizzare e caratterizzare i polimeri.

"La dispersione di neutroni e raggi X è un metodo perfetto per investigare queste strutture, " disse Do.

Lo studio dimostra il valore del monitoraggio della dinamica molecolare sia con neutroni che con sonde ottiche.

"Vorremmo creare un impilamento polimerico molto specifico in soluzione e tradurlo in film sottili dove impeccabile, assemblaggi polimerici privi di difetti consentirebbero il trasporto rapido di cariche elettriche per applicazioni fotovoltaiche, " disse Ilia Ivanov, un ricercatore al CNMS e un autore corrispondente con Do. "Abbiamo dimostrato che questo può essere ottenuto attraverso la comprensione dei meccanismi cinetici e termodinamici che controllano l'aggregazione del polimero".

Il risultato crea blocchi molecolari per la progettazione di materiali optoelettronici e sensoriali. Ha comportato la progettazione di un polimero semiconduttore con uno scheletro idrofobo ("che teme l'acqua") e catene laterali idrofile ("amante dell'acqua"). Le catene laterali solubili in acqua potrebbero consentire una lavorazione "verde" se lo sforzo producesse un polimero in grado di autoassemblarsi in un materiale fotovoltaico organico. I ricercatori hanno aggiunto il polimero a una soluzione acquosa contenente una molecola di tensioattivo che ha anche estremità idrofobe e idrofile. A seconda della temperatura e della concentrazione, il tensioattivo si autoassembla in diversi modelli che guidano il polimero a impaccarsi in diverse forme su scala nanometrica:esagoni, micelle e fogli sferici.

Nel polimero semiconduttore, gli atomi sono organizzati per condividere facilmente gli elettroni. Il lavoro fornisce informazioni sulle diverse fasi strutturali del sistema polimerico e sulla crescita di assemblaggi di forme ripetute per formare cristalli funzionali. Questi cristalli costituiscono la base dei film sottili fotovoltaici che forniscono energia in ambienti esigenti come i deserti e lo spazio esterno.

"Codificare in modo razionale le interazioni molecolari per regolare la geometria molecolare e l'ordine di imballaggio intermolecolare in una soluzione di polimeri coniugati è auspicabile da tempo in optoelettronica e nanotecnologia, " ha detto il primo autore del giornale, borsista postdottorato Jiahua Zhu. "Lo sviluppo è essenzialmente ostacolato dalla difficoltà della caratterizzazione in situ".

Sul posto, o "sul posto, " le misurazioni vengono effettuate mentre si verifica un fenomeno (come un cambiamento nella morfologia molecolare). Contrastano con le misurazioni effettuate dopo aver isolato il materiale dal sistema in cui è stato osservato il fenomeno o aver modificato le condizioni di prova in cui il fenomeno è stato osservato per la prima volta. il team ha sviluppato una camera di prova che consente loro di utilizzare sonde ottiche mentre si verificano cambiamenti.

I neutroni possono sondare le strutture nelle soluzioni

Competenza e attrezzature presso SNS, che fornisce i fasci di neutroni pulsati più intensi al mondo, ha permesso di scoprire che un polimero fotovoltaico funzionale potrebbe autoassemblarsi in un solvente rispettoso dell'ambiente. L'efficacia della diffusione dei neutroni è stata migliorata, a sua volta, con una tecnica chiamata deuterazione selettiva, in cui specifici atomi di idrogeno nei polimeri sono sostituiti da atomi più pesanti di deuterio, che ha l'effetto di aumentare i contrasti nella struttura. CNMS ha una specializzazione in quest'ultima tecnica.

"Dovevamo essere in grado di vedere cosa sta succedendo a queste molecole mentre si evolvono nel tempo da uno stato di soluzione a uno stato solido, " ha detto l'autore Bobby Sumpter di CNMS. "Questo è molto difficile da fare, ma per molecole come polimeri e biomolecole, i neutroni sono alcune delle migliori sonde che si possano immaginare." Le informazioni che forniscono guidano la progettazione di materiali avanzati.

Combinando competenze in argomenti tra cui lo scattering di neutroni, analisi dei dati ad alto rendimento, teoria, modellazione e simulazione, gli scienziati hanno sviluppato una camera di prova per monitorare le transizioni di fase man mano che si verificavano. Traccia le molecole in condizioni di variazione di temperatura, pressione, umidità, leggero, composizione del solvente e simili, consentendo ai ricercatori di valutare come i materiali di lavoro cambiano nel tempo e aiutando gli sforzi per migliorare le loro prestazioni.

Gli scienziati mettono un campione nella camera e lo trasportano in diversi strumenti per le misurazioni. La camera ha una superficie trasparente per consentire l'ingresso dei raggi laser per sondare i materiali. Modalità di sondaggio, inclusi fotoni, carica elettrica, rotazione magnetica e calcoli aiutati dal calcolo ad alte prestazioni possono operare simultaneamente per caratterizzare la materia in un'ampia gamma di condizioni. La camera è progettata per consentire, nel futuro, utilizzare neutroni e raggi X come sonde aggiuntive e complementari.

"L'incorporazione di tecniche in situ porta informazioni sugli aspetti cinetici e termodinamici delle trasformazioni dei materiali in soluzioni e film sottili in cui la struttura viene misurata contemporaneamente alla loro mutevole funzionalità optoelettronica, " Ivanov ha detto. "Apre anche l'opportunità di studiare celle fotovoltaiche completamente assemblate e strutture metastabili, che può portare a caratteristiche uniche dei futuri materiali funzionali."

Considerando che l'attuale studio ha esaminato le transizioni di fase (cioè, stati metastabili e reazioni chimiche) a temperature crescenti, la successiva diagnostica in situ le caratterizzerà ad alta pressione. Inoltre, i ricercatori implementeranno reti neurali per analizzare processi non lineari complessi con feedback multipli.

Il titolo dell'articolo su nanoscala è "Controllo dell'ordinamento molecolare nei polimeri coniugati allo stato di soluzione".