p A capacidade de gerar rapidamente ultra-pequenos, nanopadrões bem ordenados em grandes áreas em superfícies de materiais são essenciais para a fabricação de tecnologias de próxima geração em muitas indústrias, de eletrônica e computação a energia e medicina. Por exemplo, mídia padronizada, em que os dados são armazenados em matrizes periódicas de colunas ou barras magnéticas, pode melhorar significativamente a densidade de armazenamento das unidades de disco rígido. p Os cientistas podem coagir filmes finos de materiais de automontagem chamados copolímeros em bloco - cadeias de macromoléculas quimicamente distintas ("blocos" de polímero) ligados entre si - em padrões de nanoescala desejados por meio do aquecimento (recozimento) deles em um substrato. Contudo, estruturas defeituosas que se desviam do padrão regular surgem no início durante a automontagem.

p A presença desses defeitos inibe o uso de copolímeros em bloco na nanopadronização de tecnologias que requerem um ordenamento quase perfeito, como mídia magnética, chips de computador, superfícies anti-reflexivas, e dispositivos de diagnóstico médico. Com recozimento contínuo, os padrões de copolímero em bloco podem ser reconfigurados para remover as imperfeições, mas esse processo é extremamente lento. Os blocos de polímero não se misturam prontamente uns com os outros, portanto, eles devem superar uma barreira de energia extremamente grande para reconfigurar.

p Adicionar pequenas coisas com grande impacto

p Agora, cientistas do Center for Functional Nanomaterials (CFN) - um Departamento de Energia dos EUA (DOE) Office of Science User Facility no Brookhaven National Laboratory - descobriram uma maneira de acelerar massivamente o processo de pedido. Eles misturaram um copolímero de bloco formador de linha com cadeias de polímero significativamente menores feitas de apenas um tipo de molécula (homopolímeros) de cada um dos dois blocos constituintes. As imagens de microscopia eletrônica que eles tiraram após o recozimento dos filmes por apenas alguns minutos mostram que a adição desses dois homopolímeros menores aumenta dramaticamente o tamanho das áreas de padrão de linha bem ordenadas, ou "grãos".

p “Sem os homopolímeros, o mesmo copolímero em bloco não pode produzir grãos com esses tamanhos, "disse o cientista de materiais da CFN Gregory Doerk, quem liderou o trabalho, que foi publicado online em um ACS Nano artigo em 1 de dezembro. "A mistura em homopolímeros com menos de um décimo do tamanho do copolímero em bloco acelera muito o processo de pedido. Nos padrões de linha resultantes, há um espaçamento constante entre cada uma das linhas, e as mesmas direções das orientações do padrão de linha - por exemplo, vertical ou horizontal - persiste em distâncias mais longas. "

p Doerk e co-autor Kevin Yager, líder do Grupo de Nanomateriais Eletrônicos na CFN, usou um software de análise de imagem para calcular o tamanho do grão e repetir o espaçamento dos padrões de linha.

p Ao misturar diferentes concentrações de homopolímero para determinar quanto era necessário para atingir o pedido acelerado, eles descobriram que o pedido aumentava à medida que mais homopolímero era adicionado. Mas muito homopolímero realmente resultou em padrões desordenados.

p "Os homopolímeros aceleram o processo de automontagem porque são pequenos o suficiente para se distribuir uniformemente em seus respectivos blocos de polímero, "disse Doerk." A presença deles enfraquece a interface entre os dois blocos, redução da barreira de energia associada à reconfiguração do copolímero em bloco para remover os defeitos. Mas se a interface for muito enfraquecida pela adição de muito homopolímero, então os blocos irão se misturar, resultando em uma fase completamente desordenada. "

p Guiando a automontagem de nanopadrões úteis em minutos

p Para demonstrar como a rápida ordenação no sistema combinado pode acelerar a automontagem de nanopadrões bem alinhados em grandes áreas, Doerk e Yager usaram modelos de padrão de linha que haviam preparado anteriormente por meio de fotolitografia. Usado para construir quase todos os dispositivos digitais de hoje, A fotolitografia envolve a projeção de luz através de uma máscara (uma placa contendo o padrão desejado) que é posicionada sobre um wafer (geralmente feito de silicone) revestido com um material sensível à luz. Este modelo pode então ser usado para direcionar a automontagem de copolímeros em bloco, que preenchem os espaços entre as guias do modelo. Nesse caso, após apenas dois minutos de recozimento, a mistura de polímero se auto-monta em linhas que são alinhadas ao longo dessas lacunas. Contudo, após o mesmo tempo de recozimento, o copolímero em bloco não misturado se auto-monta em um padrão principalmente não alinhado com muitos defeitos entre as lacunas.

p "A largura das lacunas é mais de 80 vezes o espaçamento da repetição, então, o fato de termos esse grau de alinhamento com nossa mistura de polímero é realmente empolgante, porque significa que podemos usar modelos com grandes lacunas, criado com litografia de resolução muito baixa, "disse Doerk." Normalmente, caro equipamento de litografia de alta resolução é necessário para alinhar padrões de copolímero de bloco sobre esta grande área. "

p Para que esses padrões sejam úteis para muitas aplicações de nanopadronização, eles muitas vezes precisam ser transferidos para outros materiais mais robustos que podem resistir a processos de fabricação severos, por exemplo, gravura, que remove camadas de superfícies de wafer de silício para criar circuitos integrados ou tornar as superfícies anti-reflexas. Neste estudo, os cientistas converteram os nanopadrões em uma réplica de óxido metálico. Por meio de corrosão química, eles então transferiram o padrão de réplica para uma camada de dióxido de silício em um wafer de silício, alcançar padrões de linha claramente definidos.

p Doerk suspeita que a mistura de homopolímeros com outros copolímeros em bloco produzirá de forma semelhante uma montagem acelerada, e ele está interessado em estudar polímeros misturados que se montam automaticamente em padrões mais complicados. Os recursos de espalhamento de raios-X na National Synchrotron Light Source II - outro DOE Office of Science User Facility em Brookhaven - poderiam fornecer as informações estruturais necessárias para conduzir tais estudos.

p "Introduzimos uma forma muito simples e facilmente controlada de acelerar imensamente a automontagem, "concluiu Doerk." Nossa abordagem deve reduzir substancialmente o número de defeitos, ajudando a atender às demandas da indústria de semicondutores. Na CFN, abre possibilidades para usarmos a automontagem de copolímero em bloco para fazer alguns dos novos materiais funcionais que imaginamos. "