p Uma maneira que os cientistas usam para controlar a estrutura dos materiais em nanoescala - onde as características são de algumas a várias centenas de nanômetros (nm) - é usando "automontagem, "em que as moléculas são projetadas de forma que se juntem espontaneamente para formar uma estrutura ou padrão desejado. A automontagem é uma abordagem poderosa para controlar a ordem em nanoescala e é uma maneira pela qual os cientistas podem projetar certas propriedades em um material para aplicações específicas, como conversão e armazenamento de energia solar. p A automontagem é impulsionada principalmente pelo desejo do sistema de minimizar sua energia e atingir o equilíbrio, mas os efeitos cinéticos - as forças naturais que movem átomos e moléculas - também podem desempenhar um papel importante. Tipicamente, esses efeitos são vistos como complicações a serem superadas, mas uma colaboração de pesquisadores do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE), Universidade de Yale, e a Universidade de Varsóvia (Polônia) mostrou recentemente que esses efeitos podem ser explorados para projetar uma nanoestrutura em um filme fino de polímero. Seus resultados são publicados em 6 de dezembro, Edição online de 2017 da revista Nanoescala .

p O grupo trabalhou com um tipo de polímero conhecido como copolímero em bloco. Os copolímeros em bloco são uma classe bem estudada e versátil de materiais de automontagem caracterizados por blocos de polímero quimicamente distintos que são ligados covalentemente. Essa arquitetura molecular é o que os faz formar padrões em nanoescala espontaneamente. Em copolímeros em bloco, as ligações covalentes frustram a tendência natural de cada polímero individual de permanecer separado (em geral, polímeros diferentes, não gosto de misturar), então, o material é montado em um nano-padrão.

p No Center for Functional Nanomaterials (CFN) de Brookhaven - um DOE Office of Science User Facility - os pesquisadores começaram com um filme de copolímero em bloco desordenado misturado com cadeias de polímero. Convencionalmente, esses filmes são então aquecidos para permitir que as cadeias se movam e se montem em um padrão ordenado com tamanhos de recursos em nanoescala. Esta abordagem tradicional de automontagem gera nanoobjetos precisos que infelizmente não são bem organizados em redes bem definidas em áreas amplas.

p Neste estudo a equipe utilizou novos métodos de processamento desenvolvidos no CFN, levando o filme de copolímero em bloco por uma sequência muito específica que produziu padrões automontados que são significativamente melhor ordenados. Esses padrões foram investigados na Fonte de Luz Síncrotron Nacional II de Brookhaven (NSLS-II), também um DOE Office of Science User Facility. Esta abordagem de processamento de várias etapas também permitiu ao grupo controlar a orientação do padrão de copolímero em bloco em relação ao substrato, dependendo da sequência de etapas de processamento - um novo conceito que os cientistas denominaram "engenharia de vias".

p "Aplicar as condições de processamento adequadas para atingir um tipo específico de pedido pode ser visto como a seleção de um determinado caminho através do cenário de energia de automontagem, "disse Kevin Yager, o líder do grupo de Nanomateriais Eletrônicos no CFN e um dos autores correspondentes do artigo. "A engenharia de caminhos nos permite contornar barreiras de energia problemáticas e acessar estruturas antes impossíveis."

p A primeira técnica aplicada por Yager e seu grupo é chamada de cisalhamento fototérmico, em que um feixe de laser focado é primeiro varrido através do filme para gerar uma zona quente local que recoze o filme e inicia a automontagem do padrão, acompanhado por um "campo de cisalhamento" na esteira da zona quente que força o padrão a se orientar ao longo de uma direção particular. Uma segunda etapa é o recozimento convencional de alta temperatura, que reorienta o padrão de automontagem, enquanto mantém o alinhamento direcional anterior induzido pelo cisalhamento.

p "As etapas de processamento que aplicamos podem parecer estranhas à primeira vista. Primeiro ordenamos o material em uma direção que, em última análise, não queremos. Mas o truque é que podemos usar esse estado intermediário altamente ordenado para modelar o padrão que, em última análise, queremos , "disse o primeiro autor Youngwoo Choo, um Ph.D. estudante do Departamento de Engenharia Química e Ambiental de Yale. "Identificamos um conjunto de estados que nos levará ao estado final que desejamos, e, em seguida, selecione uma sequência de protocolos de processamento para passar de um estado para o próximo. "

p De forma similar, usar apenas a etapa de cisalhamento não produz os resultados desejados. Conselheiro de Choo, co-autor Chinedum Osuji, um cientista de materiais do mesmo departamento em Yale, explicado, "Embora filmes finos de cilindros horizontais alinhados possam ser obtidos por cisalhamento, não é possível usar o cisalhamento sozinho para produzir cilindros verticais alinhados que são embalados hexagonalmente. "

p O grupo mostrou que o processo de engenharia de caminhos produz padrões automontados com ordem em nanoescala, mesmo em substratos de até um centímetro. Eles verificaram isso usando uma técnica de raios-X chamada espalhamento de raios-X de baixo ângulo, realizado na linha de luz de espalhamento de materiais complexos (CMS) do NSLS-II. Novas técnicas como esta que fazem a ponte entre a nanoescala e a macroescala, fornecem ferramentas úteis para a síntese de materiais avançados com propriedades personalizadas.