p A eficiência das células solares depende da engenharia precisa de polímeros que se montam em filmes 1, 000 vezes mais fino que um cabelo humano. p Hoje, a formação desse conjunto de polímero requer solventes que podem prejudicar o meio ambiente, mas cientistas do Laboratório Nacional de Oak Ridge, do Departamento de Energia, descobriram uma maneira "mais ecológica" de controlar a montagem de polímeros fotovoltaicos na água usando um surfactante - uma molécula semelhante a um detergente - como modelo. Suas descobertas são relatadas em Nanoescala .

p "A automontagem de polímeros usando surfactantes oferece um enorme potencial na fabricação de nanoestruturas com controlabilidade em nível molecular, "disse o autor sênior Changwoo Do, pesquisador da Spallation Neutron Source (SNS) do ORNL.

p Os pesquisadores usaram três DOE Office of Science User Facilities - o Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS) e SNS no ORNL e a Advanced Photon Source (APS) no Argonne National Laboratory - para sintetizar e caracterizar os polímeros.

p "A dispersão de nêutrons e raios-X é um método perfeito para investigar essas estruturas, "disse Do.

p O estudo demonstra o valor do rastreamento da dinâmica molecular com nêutrons e sondas ópticas.

p "Gostaríamos de criar um empilhamento de polímero muito específico em solução e traduzi-lo em filmes finos onde sem falhas, conjuntos de polímeros sem defeitos permitiriam o transporte rápido de cargas elétricas para aplicações fotovoltaicas, "disse Ilia Ivanov, pesquisador do CNMS e autor correspondente do Do. "Demonstramos que isso pode ser alcançado através da compreensão dos mecanismos cinéticos e termodinâmicos que controlam a agregação do polímero."

p A realização cria blocos de construção moleculares para o projeto de materiais optoeletrônicos e sensoriais. Implicou o projeto de um polímero semicondutor com uma estrutura principal hidrofóbica ("temente à água") e cadeias laterais hidrofílicas ("que gostam de água"). As cadeias laterais solúveis em água poderiam permitir o processamento "verde" se o esforço produzisse um polímero que pudesse se automontar em um material fotovoltaico orgânico. Os pesquisadores adicionaram o polímero a uma solução aquosa contendo uma molécula de surfactante que também possui extremidades hidrofóbicas e hidrofílicas. Dependendo da temperatura e concentração, o surfactante se auto-monta em diferentes modelos que orientam o polímero para embalar em diferentes formas em nanoescala - hexágonos, micelas e folhas esféricas.

p No polímero semicondutor, os átomos são organizados para compartilhar elétrons facilmente. O trabalho fornece uma visão sobre as diferentes fases estruturais do sistema de polímero e o crescimento de conjuntos de formas repetidas para formar cristais funcionais. Esses cristais formam a base dos filmes finos fotovoltaicos que fornecem energia em ambientes tão exigentes como desertos e o espaço sideral.

p "A codificação racional de interações moleculares para governar a geometria molecular e a ordem de empacotamento inter-molecular em uma solução de polímeros conjugados é há muito desejada em optoeletrônica e nanotecnologia, "disse o primeiro autor do jornal, pós-doutorado Jiahua Zhu. “O desenvolvimento é essencialmente dificultado pela dificuldade de caracterização in situ”.

p No local, ou "no local, "as medições são feitas enquanto um fenômeno (como uma mudança na morfologia molecular) está ocorrendo. Elas contrastam com as medições feitas depois de isolar o material do sistema onde o fenômeno foi visto ou alterar as condições de teste nas quais o fenômeno foi observado pela primeira vez. equipe desenvolveu uma câmara de teste que lhes permite usar sondas ópticas enquanto ocorrem mudanças.

p Os nêutrons podem sondar estruturas em soluções

p Experiência e equipamento no SNS, que fornece os feixes de nêutrons pulsados ​​mais intensos do mundo, tornou possível descobrir que um polímero fotovoltaico funcional poderia se automontar em um solvente ambientalmente benigno. A eficácia do espalhamento de nêutrons foi aumentada, por sua vez, por uma técnica chamada deuteração seletiva, em que átomos de hidrogênio específicos nos polímeros são substituídos por átomos mais pesados ​​de deutério - o que tem o efeito de intensificar os contrastes na estrutura. O CNMS é especializado nesta última técnica.

p "Precisávamos ser capazes de ver o que está acontecendo com essas moléculas à medida que evoluem de algum estado de solução para algum estado sólido, "disse o autor Bobby Sumpter do CNMS." Isso é muito difícil de fazer, mas para moléculas como polímeros e biomoléculas, os nêutrons são algumas das melhores sondas que você pode imaginar. ”As informações que eles fornecem orientam o projeto de materiais avançados.

p Ao combinar experiência em tópicos, incluindo dispersão de nêutrons, análise de dados de alto rendimento, teoria, modelagem e simulação, os cientistas desenvolveram uma câmara de teste para monitorar as transições de fase à medida que aconteciam. Ele rastreia moléculas sob condições de mudança de temperatura, pressão, umidade, luz, composição de solvente e semelhantes, permitindo que os pesquisadores avaliem como os materiais de trabalho mudam ao longo do tempo e auxiliando nos esforços para melhorar seu desempenho.

p Os cientistas colocam uma amostra na câmara e a transportam para diferentes instrumentos para medições. A câmara tem uma face transparente para permitir a entrada de feixes de laser nos materiais da sonda. Modos de sondagem - incluindo fótons, Carga elétrica, spin magnético e cálculos auxiliados por computação de alto desempenho - podem operar simultaneamente para caracterizar a matéria sob uma ampla gama de condições. A câmara é projetada para tornar isso possível, no futuro, usar nêutrons e raios-X como sondas adicionais e complementares.

p "A incorporação de técnicas in situ traz informações sobre os aspectos cinéticos e termodinâmicos das transformações de materiais em soluções e filmes finos em que a estrutura é medida simultaneamente com sua funcionalidade optoeletrônica variável, "Disse Ivanov." Também abre uma oportunidade para estudar células fotovoltaicas totalmente montadas, bem como estruturas metaestáveis, o que pode levar a características exclusivas de futuros materiais funcionais. "

p Considerando que o estudo atual examinou as transições de fase (ou seja, estados metaestáveis ​​e reações químicas) em temperaturas crescentes, o próximo diagnóstico in situ irá caracterizá-los em alta pressão. Além disso, os pesquisadores implementarão redes neurais para analisar processos não lineares complexos com feedbacks múltiplos.

p O título do artigo da Nanoscale é "Controlando a ordenação molecular em polímeros conjugados em estado de solução".