Pesquisadores encontram uma maneira mais ecológica de montar materiais para aplicações solares
p Um modelo de surfactante orienta a automontagem de estruturas poliméricas funcionais em uma solução aquosa. Crédito:Oak Ridge National Laboratory, Departamento de Energia dos EUA; imagem de Youngkyu Han e Renee Manning.
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 câmara de teste multimodal in situ do ORNL rastreia a dinâmica molecular em soluções e também em sólidos. Crédito:Oak Ridge National Laboratory, Departamento de Energia dos EUA; fotógrafa Ilia Ivanov
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.
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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".