Los materiales de autoensamblaje llamados copolímeros de bloque, que se sabe que forman una variedad de patrones predecibles y regulares, ahora se pueden convertir en patrones mucho más complejos que pueden abrir nuevas áreas de diseño de materiales, según un equipo de investigadores del MIT.
Los nuevos hallazgos aparecen en la revista Comunicaciones de la naturaleza en un artículo del postdoc Yi Ding, profesores de ciencia e ingeniería de materiales Alfredo Alexander-Katz y Caroline Ross, y otros tres.
"Este es un descubrimiento fortuito en cierto sentido", dice Alexander-Katz. "Todos pensaron que esto no era posible", dice, y describe el descubrimiento del equipo de un fenómeno que permite que los polímeros se autoensamblen en patrones quedesviarse de las matrices simétricas regulares.
Los copolímeros de bloques autoensamblables son materiales cuyas moléculas en forma de cadena, que inicialmente están desordenadas, se organizarán espontáneamente en estructuras periódicas. Los investigadores descubrieron que si había un patrón repetitivo de líneas o pilares creados en un sustrato, y luego unSe formó una película delgada del copolímero de bloque en esa superficie, los patrones del sustrato se duplicarían en el material autoensamblado. Pero este método solo podría producir patrones simples como cuadrículas de puntos o líneas.
En el nuevo método, hay dos patrones diferentes que no coinciden. Uno es de un conjunto de postes o líneas grabados en un material de sustrato, y el otro es un patrón inherente creado por el copolímero autoensamblable. Por ejemplo,puede haber un patrón rectangular en el sustrato y una rejilla hexagonal que el copolímero forma por sí mismo. Uno esperaría que la disposición resultante del copolímero en bloque esté mal ordenada, pero eso no fue lo que el equipo encontró. En cambio, "estaba formando algo mucho másinesperado y complicado ", dice Ross.
Resultó haber un tipo de orden sutil pero complejo: áreas entrelazadas que formaban patrones ligeramente diferentes pero regulares, de un tipo similar a los cuasicristales, que no se repiten exactamente como lo hacen los cristales normales. En este caso, ellos patrones se repiten, pero en distancias más largas que en los cristales ordinarios: "Estamos aprovechando los procesos moleculares para crear estos patrones en la superficie" con el material de copolímero de bloque, dice Ross.
Esto potencialmente abre la puerta a nuevas formas de hacer dispositivos con características personalizadas para sistemas ópticos o para "dispositivos plasmónicos" en los que la radiación electromagnética resuena con electrones en formas sintonizadas con precisión, dicen los investigadores. Dichos dispositivos requieren un posicionamiento y una simetría muy exactospatrones con dimensiones a nanoescala, algo que este nuevo método puede lograr.
Katherine Mizrahi Rodriguez, quien trabajó en el proyecto como estudiante de licenciatura, explica que el equipo preparó muchas de estas muestras de copolímero de bloque y las estudió bajo un microscopio electrónico de barrido. Yi Ding, quien trabajó en esto para su tesis doctoral, "comenzó a buscaruna y otra vez para ver si surgieron patrones interesantes ", dice ella." Fue entonces cuando todos estos nuevos hallazgos evolucionaron ".
Los patrones impares resultantes son "el resultado de la frustración entre el patrón que el polímero quisiera formar y la plantilla", explica Alexander-Katz. Esa frustración conduce a la ruptura de las simetrías originales y la creación de nuevas subregiones conél dice: "esa es la solución que surge de la naturaleza. Al tratar de encajar en la relación entre estos dos patrones, surge una tercera cosa que rompe los patrones de ambos".nuevos patrones como "superredes".
Después de crear estas nuevas estructuras, el equipo desarrolló modelos para explicar el proceso. El coautor Karim Gadelrab PhD '19, dice: "El trabajo de modelado mostró que los patrones emergentes son de hecho termodinámicamente estables, y reveló las condicionesbajo el cual se formarían los nuevos patrones "
Ding dice "Entendemos el sistema completamente en términos de termodinámica", y el proceso de autoensamblado "nos permite crear patrones finos y acceder a algunas nuevas simetrías que de otro modo serían difíciles de fabricar"
Él dice que esto elimina algunas limitaciones existentes en el diseño de materiales ópticos y plasmónicos, y por lo tanto "crea un nuevo camino" para el diseño de materiales.
Hasta ahora, el trabajo que ha realizado el equipo se ha limitado a superficies bidimensionales, pero en el trabajo en curso esperan extender el proceso a la tercera dimensión, dice Ross. "La fabricación tridimensional sería un cambio de juego".Ella dice que las técnicas actuales de fabricación de microdispositivos los construyen una capa a la vez, dice, pero "si puedes construir objetos enteros en 3-D de una sola vez", eso podría hacer que el proceso sea mucho más eficiente.
La investigación fue financiada por la Oficina de Ciencias Generales del Departamento de Energía de los EE. UU. El equipo también incluyó al estudiante graduado Hejin Huang.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por David L. Chandler. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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