p A combinação é uma estratégia poderosa para melhorar o desempenho da eletrônica, revestimentos, membranas de separação, e outros materiais funcionais. Por exemplo, células solares de alta eficiência e diodos emissores de luz foram produzidos otimizando misturas de componentes orgânicos e inorgânicos. p Contudo, encontrar a composição de mistura ideal para produzir as propriedades desejadas tem sido tradicionalmente um processo demorado e inconsistente. Os cientistas sintetizam e caracterizam um grande número de amostras individuais com diferentes composições, uma de cada vez, eventualmente compilando dados suficientes para criar uma "biblioteca" composicional. Uma abordagem alternativa é sintetizar uma única amostra com um gradiente de composição para que todas as composições possíveis possam ser exploradas de uma só vez. Os métodos combinatórios existentes para explorar rapidamente as composições têm sido limitados em termos dos tipos de materiais compatíveis, o tamanho dos incrementos de composição, ou número de componentes que podem ser combinados (geralmente apenas dois).

p Para superar essas limitações, uma equipe do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE), Universidade de Yale, e a Universidade da Pensilvânia recentemente construiu uma ferramenta automatizada inédita para depositar filmes com composições de mistura finamente controladas feitas de até três componentes em amostras únicas. Soluções de cada componente são carregadas em bombas de seringa, misturado de acordo com uma "receita programável, "e pulverizado como minúsculas gotículas eletricamente carregadas na superfície de um material de base aquecido chamado substrato. Ao programar as taxas de fluxo das bombas como um estágio abaixo do substrato muda de posição, os usuários podem obter gradientes contínuos na composição.

p Agora, a equipe combinou esta ferramenta de deposição de eletrospray com a técnica de caracterização estrutural de espalhamento de raios-X. Juntos, esses recursos formam uma plataforma para sondar como a estrutura do material muda em todo o espaço de composição. Os cientistas demonstraram esta plataforma para uma mistura de película fina de três polímeros - cadeias feitas de blocos de construção moleculares ligados entre si por ligações químicas - projetada para organizar espontaneamente, ou "automontar, "em padrões em escala nanométrica (bilionésimos de metro). Sua plataforma e demonstração são descritas em um artigo publicado hoje na RSC Advances, um jornal da Royal Society of Chemistry (RSC).

p "Nossa plataforma reduz o tempo para explorar dependências composicionais complexas de sistemas de materiais combinados de meses ou semanas para alguns dias, "disse o autor correspondente Gregory Doerk, um cientista da equipe do Electronic Nanomaterials Group no Brookhaven Lab's Center for Functional Nanomaterials (CFN).

p "Construímos um diagrama de morfologia com mais de 200 medições em uma única amostra, que é como fazer 200 amostras da maneira convencional, "disse o primeiro autor Kristof Toth, um Ph.D. estudante do Departamento de Engenharia Química e Ambiental da Universidade de Yale. "Nossa abordagem não apenas reduz o tempo de preparação da amostra, mas também o erro de amostra para amostra."

p Este diagrama mapeou como as morfologias, ou formas, do sistema de polímero misturado mudou ao longo de um gradiente de composição de 0 a 100 por cento. Nesse caso, o sistema continha um polímero de automontagem amplamente estudado feito de dois blocos distintos (PS-b-PMMA) e os constituintes de bloco individuais deste copolímero de bloco, ou homopolímeros (PS e PMMA). Os cientistas programaram a ferramenta de deposição de eletrospray para criar consecutivamente "tiras" gradientes unidimensionais com todos os copolímeros em bloco em uma extremidade e todas as misturas de homopolímeros na outra.

p Para caracterizar a estrutura, a equipe realizou experimentos de espalhamento de raios-X de baixo ângulo de incidência rasante na linha de luz de dispersão de materiais complexos (CMS), que é operado na Fonte de Luz Síncrotron Nacional II de Brookhaven (NSLS-II) em parceria com a CFN. Nesta técnica, um feixe de raios-X de alta intensidade é direcionado para a superfície de uma amostra em um ângulo muito baixo. O feixe reflete na amostra em um padrão característico, fornecer instantâneos de estruturas em nanoescala em diferentes composições ao longo de cada faixa de cinco milímetros de comprimento. A partir dessas imagens, a forma, Tamanho, e a ordem dessas estruturas pode ser determinada.

p "Os raios X de alta intensidade do síncrotron nos permitem tirar instantâneos de cada composição em questão de segundos, reduzindo o tempo geral para mapear o diagrama de morfologia, "disse o co-autor Kevin Yager, líder do Grupo de Nanomateriais Eletrônicos CFN.

p Os dados de espalhamento de raios-X revelaram o surgimento de morfologias altamente ordenadas de diferentes tipos conforme a composição da mistura mudava. Normalmente, os copolímeros em bloco se auto-montam em cilindros. Contudo, a mistura em homopolímeros muito curtos resultou em esferas bem ordenadas (quantidade crescente de PS) e folhas verticais (mais PMMA). A adição desses homopolímeros também triplicou ou quadruplicou a velocidade do processo de automontagem, dependendo da proporção de PS para homopolímero de PMMA. Para apoiar ainda mais seus resultados, os cientistas realizaram estudos de imagem com um microscópio eletrônico de varredura no CFN Materials Synthesis and Characterization Facility.

p Embora a equipe tenha se concentrado em um sistema de polímero de automontagem para sua demonstração, a plataforma pode ser usada para explorar misturas de uma variedade de materiais, como polímeros, nanopartículas, e pequenas moléculas. Os usuários também podem estudar os efeitos de diferentes materiais de substrato, espessuras de filme, Tamanhos dos pontos focais do feixe de raios-X, e outras condições de processamento e caracterização.

p "Esta capacidade de pesquisar uma ampla gama de parâmetros de composição e processamento informará a criação de sistemas nanoestruturados complexos com propriedades e funcionalidades aprimoradas ou totalmente novas, "disse o co-autor Chinedum Osuji, o Professor Presidencial Eduardo D. Glandt de Engenharia Química e Biomolecular na Universidade da Pensilvânia.

p No futuro, os cientistas esperam criar uma segunda geração do instrumento que pode criar amostras com misturas de mais de três componentes e que é compatível com uma variedade de métodos de caracterização - incluindo métodos in situ para capturar mudanças morfológicas durante o processo de deposição de eletropulverização.

p "Nossa plataforma representa um grande avanço na quantidade de informações que você pode obter em um espaço de composição, "disse Doerk." Em alguns dias, os usuários podem trabalhar comigo no CFN e com a equipe da linha de luz ao lado do NSLS-II para criar e caracterizar seus sistemas combinados. "

p "De muitas maneiras, esta plataforma complementa métodos autônomos desenvolvidos por cientistas do CFN e NSLS-II para identificar tendências em dados experimentais, "acrescentou Yager." Combiná-los tem o potencial de acelerar drasticamente a pesquisa de matéria mole. "