La eficiencia de las células solares depende de la ingeniería precisa de los polímeros que se ensamblan en películas 1000 veces más delgadas que un cabello humano.
Hoy, la formación de ese conjunto de polímeros requiere solventes que pueden dañar el medio ambiente, pero los científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía han encontrado una forma "más ecológica" de controlar el ensamblaje de polímeros fotovoltaicos en el agua usando un tensioactivo: unmolécula de tipo detergente - como plantilla. Sus hallazgos se informan en nanoescala , una revista de la Royal Society of Chemistry.
"El autoensamblaje de polímeros con tensioactivos ofrece un enorme potencial en la fabricación de nanoestructuras con capacidad de control a nivel molecular", dijo el autor principal Changwoo Do, investigador de la Fuente de neutrones de spalación SNS de ORNL.
Los investigadores utilizaron tres instalaciones de usuario de la Oficina de Ciencia del DOE: el Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos CNMS y SNS en ORNL y la Fuente de Fotones Avanzados APS en el Laboratorio Nacional de Argonne, para sintetizar y caracterizar los polímeros.
"La dispersión de neutrones y rayos X es un método perfecto para investigar estas estructuras", dijo Do.
El estudio demuestra el valor del seguimiento de la dinámica molecular con neutrones y sondas ópticas.
"Nos gustaría crear una solución de apilamiento de polímeros muy específica y traducirla en películas delgadas donde los ensamblajes de polímeros sin defectos y sin defectos permitirían el transporte rápido de cargas eléctricas para aplicaciones fotovoltaicas", dijo Ilia Ivanov, investigadora del CNMS y unautor correspondiente con Do. "Demostramos que esto se puede lograr mediante la comprensión de los mecanismos cinéticos y termodinámicos que controlan la agregación del polímero".
El logro crea componentes moleculares para el diseño de materiales optoelectrónicos y sensoriales. Implica el diseño de un polímero semiconductor con una columna vertebral hidrofóbica "temerosa del agua" y cadenas laterales hidrofílicas "amantes del agua".las cadenas laterales solubles podrían permitir el procesamiento "verde" si el esfuerzo produjera un polímero que pudiera autoensamblarse en un material fotovoltaico orgánico. Los investigadores agregaron el polímero a una solución acuosa que contiene una molécula tensioactiva que también tiene extremos hidrófobos e hidrófilos.temperatura y concentración, el tensioactivo se autoensambla en diferentes plantillas que guían al polímero para empacar en diferentes formas a nanoescala: hexágonos, micelas esféricas y láminas.
En el polímero semiconductor, los átomos están organizados para compartir electrones fácilmente. El trabajo proporciona información sobre las diferentes fases estructurales del sistema polimérico y el crecimiento de conjuntos de formas repetitivas para formar cristales funcionales. Estos cristales forman la base del delgado fotovoltaicopelículas que proporcionan energía en entornos tan exigentes como los desiertos y el espacio exterior.
"Hace tiempo que se desea codificar racionalmente las interacciones moleculares para gobernar la geometría molecular y el orden de empaquetamiento intermolecular en una solución de polímeros conjugados en optoelectrónica y nanotecnología", dijo el primer autor del artículo, compañero posdoctoral Jiahua Zhu. "El desarrollo se ve esencialmente obstaculizadopor la dificultad de caracterización in situ "
In situ, o "in situ", las mediciones se toman mientras ocurre un fenómeno como un cambio en la morfología molecular. Contrastan con las mediciones tomadas después de aislar el material del sistema donde se observó el fenómeno o cambiar la pruebacondiciones bajo las cuales se observó el fenómeno por primera vez. El equipo desarrolló una cámara de prueba que les permite usar sondas ópticas mientras ocurren los cambios.
los neutrones pueden sondear estructuras en soluciones
La experiencia y el equipo en SNS, que proporciona los haces de neutrones pulsados más intensos del mundo, hicieron posible descubrir que un polímero fotovoltaico funcional podría autoensamblarse en un disolvente ambientalmente benigno. La eficacia de la dispersión de neutrones se mejoró, ena su vez, mediante una técnica llamada deuteración selectiva, en la cual los átomos de hidrógeno específicos en los polímeros son reemplazados por átomos más pesados de deuterio, lo que tiene el efecto de aumentar los contrastes en la estructura. El CNMS tiene una especialidad en esta última técnica.
"Necesitábamos poder ver lo que está sucediendo con estas moléculas a medida que evolucionan en el tiempo de un estado de solución a otro estado sólido", dijo el autor Bobby Sumpter del CNMS. "Esto es muy difícil de hacer, pero para moléculas como los polímerosy las biomoléculas, los neutrones son algunas de las mejores sondas que puedas imaginar ". La información que proporcionan guía el diseño de materiales avanzados.
Al combinar experiencia en temas que incluyen dispersión de neutrones, análisis de datos de alto rendimiento, teoría, modelado y simulación, los científicos desarrollaron una cámara de prueba para monitorear las transiciones de fase a medida que ocurrían. Rastrea moléculas bajo condiciones de temperatura, presión, humedad cambiantes,composición ligera, solvente y similares, lo que permite a los investigadores evaluar cómo cambian los materiales de trabajo con el tiempo y ayudar a los esfuerzos para mejorar su rendimiento.
Los científicos colocan una muestra en la cámara y la transportan a diferentes instrumentos para mediciones. La cámara tiene una cara transparente para permitir la entrada de rayos láser para sondear materiales. Modos de sondeo, incluidos fotones, carga eléctrica, giro magnético y cálculos ayudados porComputación de alto rendimiento: puede funcionar simultáneamente para caracterizar la materia en una amplia gama de condiciones. La cámara está diseñada para permitir, en el futuro, utilizar neutrones y rayos X como sondas adicionales y complementarias.
"La incorporación de técnicas in situ aporta información sobre los aspectos cinéticos y termodinámicos de las transformaciones de materiales en soluciones y películas delgadas en las que la estructura se mide simultáneamente con su funcionalidad optoelectrónica cambiante", dijo Ivanov. "También abre la oportunidad de estudiar fotovoltaica completamente ensambladacélulas, así como estructuras metaestables, que pueden conducir a características únicas de futuros materiales funcionales "
Mientras que el estudio actual examinó las transiciones de fase es decir, estados metaestables y reacciones químicas a temperaturas crecientes, el próximo diagnóstico in situ los caracterizará a alta presión. Además, los investigadores implementarán redes neuronales para analizar procesos complejos no lineales con múltiples retroalimentaciones.
El título del artículo de nanoescala es "Control del ordenamiento molecular en polímeros conjugados en estado de solución".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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