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美国布鲁克海文国家实验室设计出纳米结构自组装新途径

来源:材料科技在线 时间:2018/4/27 20:52:18

来源:材料科技在线    时间:2018-04-15

      在这项研究中,团队使用了CFN开发的新型加工方法,通过非常特殊的顺序处理了嵌段共聚物薄膜,显示出明显更好的有序排列的自组装模式。在布鲁克海文国家同步辐射光源II(NSLS-II)中对这些自组装模式进行了研究,该实验室也是DOE科学用户设施办公室。 这种多步骤加工方法也使得该团队可以根据加工步骤的顺序来控制相对于基材的嵌段共聚物图案取向,这是科学家称为一种新概念—“路径工程”。

      在过程最初开始时,嵌段共聚物(紫色和粉红色区域)完全呈现无序状分布(如左上图所示)。在光热剪切过程中,科学家们使用激光束将结构排列成水平管状(如中间图所示)。 最后,使用传统的高温退火来帮助共聚物自组装成所需的图案,同时保持先前形成的基本排列结构(如右上图所示)。 

      科学家在纳米尺度上(特征是材料的尺寸在几个到几百纳米)控制材料结构的一种方法是利用“自组装”来设计分子。通过自组装作用使它们自发地聚集在一起,形成所需的结构或模式。自组装是控制纳米级有序的有效方法,也是科学家可以为特定的应用设计具有某些特性材料(如太阳能转换和存储)的一种方法。

      自组装主要是由系统自身的能量最小化和能量平衡化趋向所驱动,但动能效应(即移动原子和分子的自然力)也可以发挥重要作用。 通常情况下,动能效应被认为是一种有待克服的复杂问题,但美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室,耶鲁大学和华沙大学(波兰)的研究人员最近表明,利用这些动能效应可以设计聚合物薄膜中的纳米结构。他们的研究结果发表在2017年12月6日的 “ Nanoscale”杂志网络版。

      研究小组使用的是一种称为嵌段共聚物的聚合物。 嵌段共聚物是一种经过充分研究的多用途自组装材料,其特殊性源于化学上不同的聚合物嵌段是由共价键键合而成。 这种分子结构是它们自发形成各种纳米级形态的原因。 在嵌段共聚物中,共价键的存在阻止了每种聚合物保持分离的自然趋势(通常,不同的聚合物基本不会混合在一起),因此材料组装行成纳米图案。

      Kevin Yager和科学家团队利用CMS光束线的精密样品室,使用NSLS-II的超亮X射线研究他们新组装的纳米结构   来源:布鲁克海文国家实验室

      在布鲁克海文国的功能纳米材料中心(CFN)—一个美国能源部科学用户基金办公室—研究人员从一种无序的嵌段共聚物膜开始,将聚合物链段混合在一起。 通常,这些共聚物膜之后会被加热以使聚合物链段可以移动并组装成具有纳米级特征尺寸的有序图案。 这种传统的自组装方法可以生成精确的纳米图案,但可惜的是,这种方法并不能在广泛的区域内很好地形成完整的晶格结构。

      在这项研究中,团队使用了CFN开发的新型加工方法,通过非常特殊的顺序处理了嵌段共聚物薄膜,显示出明显更好的有序排列的自组装模式。在布鲁克海文国家同步辐射光源II(NSLS-II)中对这些自组装模式进行了研究,该实验室也是DOE科学用户设施办公室。 这种多步骤加工方法也使得该团队可以根据加工步骤的顺序来控制相对于基材的嵌段共聚物图案取向,这是科学家称为一种新概念—“路径工程”。


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