In organischen Polymeren beobachtete „Fruchtkuchen“-Struktur

Forscher haben die Eigenschaften eines organischen Polymers mit potenziellen Anwendungen in der flexiblen Elektronik analysiert und Variationen der Härte im Nanomaßstab aufgedeckt, das erste Mal, dass eine so feine Struktur in dieser Art von Material beobachtet wurde.

Das Gebiet der organischen Elektronik hat von der Entdeckung neuer halbleitender Polymere mit molekularen Rückgraten profitiert, die gegenüber Drehungen und Biegungen widerstandsfähig sind, was bedeutet, dass sie Ladung transportieren können, selbst wenn sie in verschiedene Formen gebogen werden.

Man hatte angenommen, dass diese Materialien auf molekularer Ebene einem Teller Spaghetti ähneln, ohne jegliche Fernordnung. Ein internationales Forscherteam fand jedoch heraus, dass es bei mindestens einem dieser Materialien winzige Ordnungstaschen im Inneren gibt. Diese geordneten Taschen mit einem Durchmesser von nur wenigen Zehnmilliardstel Metern sind steifer als der Rest des Materials und verleihen ihm eine „Fruchtkuchen“-Struktur mit härteren und weicheren Bereichen.

Die Arbeit wurde von der University of Cambridge und Park Systems UK Limited mit der KTH Stockholm in Schweden, den Universitäten Namur und Mons in Belgien und der Wake Forest University in den USA geleitet. Ihre Ergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkommunikationkönnte bei der Entwicklung mikroelektronischer und bioelektronischer Geräte der nächsten Generation verwendet werden.

Die Untersuchung und das Verständnis der mechanischen Eigenschaften dieser Materialien im Nanomaßstab – ein Gebiet, das als Nanomechanik bekannt ist – könnte Wissenschaftlern dabei helfen, diese Eigenschaften zu optimieren und die Materialien für ein breiteres Anwendungsspektrum geeignet zu machen.

„Wir wissen, dass das Gewebe der Natur im Nanomaßstab nicht einheitlich ist, aber Einheitlichkeit und Ordnung dort zu finden, wo wir sie nicht erwartet hatten, war eine Überraschung“, sagte Dr. Deepak Venkateshvaran vom Cavendish Laboratory in Cambridge, der die Forschung leitete.

Die Forscher verwendeten eine Bildgebungstechnik namens Higher Eigen Mode Imaging, um Bilder im Nanomaßstab der Ordnungsregionen innerhalb eines halbleitenden Polymers namens Indacenodithiophen-co-Benzothiadiazol (C16-IDTBT) aufzunehmen. Diese Bilder zeigten deutlich, wie sich einzelne Polymerketten in einigen Bereichen des Polymerfilms nebeneinander aufreihen. Diese Ordnungsregionen haben einen Durchmesser zwischen 10 und 20 Nanometern.

„Die Empfindlichkeit dieser Nachweismethoden erlaubte uns, die Selbstorganisation von Polymeren bis hin zu den einzelnen Molekülsträngen zu kartieren“, sagte Co-Autor Dr. Leszek Spalek, ebenfalls vom Cavendish Laboratory. „Higher Eigenmode Imaging ist eine wertvolle Methode zur Charakterisierung nanomechanischer Eigenschaften von Materialien, da die Proben relativ einfach vorbereitet werden müssen.“

Weitere Messungen der Steifigkeit des Materials im Nanomaßstab zeigten, dass die Bereiche, in denen sich die Polymere zu geordneten Bereichen selbst organisierten, härter waren, während die ungeordneten Bereiche des Materials weicher waren. Die Experimente wurden unter Umgebungsbedingungen durchgeführt, im Gegensatz zu einem Ultrahochvakuum, das in früheren Studien erforderlich war.

„Organische Polymere werden normalerweise auf ihre Anwendungen in großflächiger, zentimetergroßer, flexibler Elektronik untersucht“, sagte Venkateshvaran. „Die Nanomechanik kann diese Studien ergänzen, indem sie ein Verständnis ihrer mechanischen Eigenschaften in ultrakleinen Maßstäben mit beispiellosen Auflösungen entwickelt.

„Zusammengenommen könnten die aus beiden Arten von Studien gewonnenen grundlegenden Erkenntnisse eine neue Generation weicher mikroelektronischer und bioelektronischer Geräte inspirieren. Diese futuristischen Geräte werden die Vorteile der Flexibilität im Zentimetermaßstab, der Homogenität im Mikrometermaßstab und der elektrisch gesteuerten mechanischen Bewegung von Polymerketten im Nanometermaßstab vereinen mit überlegener Biokompatibilität.“