Mikroskopie und Simulation vereinen sich, um New-Age-Polymere zu verbessern

Zu den vielversprechendsten ungefüllten Lücken in der Materialforschung gehört die Fähigkeit, die realen physikalischen Eigenschaften eines Materials auf der Grundlage seiner molekularen Struktur genau vorherzusagen.

Forscher der Stanford University sagen, dass sie diesem schwer fassbaren Ziel einen Schritt näher gekommen sind, nachdem sie die Elektronenmikroskopie erfolgreich eingesetzt haben, um die reale Anordnung von Molekülen in einem New-Age-Polymer zu visualisieren und sie mit Computermodellen zu kombinieren, um zu simulieren, wie bestimmte strukturelle Veränderungen den Fluss verbessern könnten von Strom.

„Durch die Aufdeckung der Schlüsselverbindung zwischen der Struktur eines Polymers und seiner elektrischen Funktion bietet diese Fähigkeit, echte Mikrostrukturen zu visualisieren und mathematisch daran zu basteln, neue und aussagekräftige Einblicke in das Design vielversprechender neuer Materialien“, sagte Alberto Salleo, Professor für Materialwissenschaften und Engineering in Stanford und einer der leitenden Autoren von die Studiumdas diese Woche in erscheint Proceedings of the National Academy of Sciences.

Der Fortschritt könnte das Design und die Entwicklung von Polymeren der nächsten Generation erheblich beschleunigen. Das in dieser Forschung untersuchte Material, PBTTT, gehört zu einer Klasse halbleitender Polymere, die in dünner, flexibler Computerelektronik, Displays und Sensoren verwendet werden könnten, sagen die Forscher, aber ihre Technik könnte auch auf andere Bereiche der Polymerforschung verallgemeinert werden .

Einzelne Polymermoleküle sind mit der bestehenden Mikroskopie schwer zu untersuchen. Dies hat zu einer Lücke im Verständnis einzelner Moleküle und der Leistung von Bulk-Materialien geführt, die für die Herstellung flexibler Transistoren der nächsten Generation erforderlich wären.

Um diese Lücke zu schließen, wandten sich die Forscher Computersimulationen zu, die von realen Mikroskopdaten geleitet wurden, um zu untersuchen, wie Gruppen von Molekülen auf Skalen bis zu einigen hundert Nanometern verbunden sind – der Mesoskala zwischen einzelnen Molekülen und Massenmaterialien.

„Diese simulierten Ketten können auf dem Computer auf eine Weise modifiziert werden, die in der realen Welt schwierig, wenn nicht sogar unmöglich ist. Wir können diese Werkzeuge verwenden, um die Wirkung verschiedener Designstrategien zur Verbesserung dieser Systeme zu untersuchen“, sagte Co-Autor Andrew Spakowitz , Professor für Chemieingenieurwesen in Stanford und Experte für die Modellierung von weichen Materialien wie dem in der Studie untersuchten biegsamen PBTTT.

Die Erkenntnisse, die das Team durch seinen Ansatz gewonnen hat, verbessern unser Verständnis darüber, wie die Anordnung, Kopplung und Geometrie von Molekülketten auf der Mesoskala den elektrischen Transport durch Bulk-Polymere verbessern – oder gegebenenfalls hemmen.

So konnten die Forscher beispielsweise bestätigen, dass das „perfekte“ Ausrichten von Ketten zu einer Verbesserung der Ladungsmobilität führt, zeigten aber auch, dass die Verbesserung überraschend bescheiden ist. Wenn Sie jedoch die Ketten dehnen, hat dies eine viel größere Auswirkung auf den elektrischen Transport. Sie zeigten auch, dass wenn man noch einen Schritt weiter geht und die Moleküle einfach neu angeordnet oder „vertauscht“ werden, eine bescheidene und etwas überraschende Verbesserung der Mobilität bewirkt.

„Dies würde darauf hindeuten, dass längere und steifere Polymerketten mit verbesserter Kopplung die vielversprechendsten Wege zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit in diesen Materialien sind“, sagte Salleo und fügte hinzu, dass der Ansatz des Teams eine völlig neue Pipeline für die Untersuchung der Auswirkungen der Struktur auf den Ladungstransport schafft in PBTTT und anderen vielversprechenden Polymersystemen.