Eine neue Trockenpolymerisationstechnik verwendet reaktive Dämpfe, um dünne Filme mit verbesserten Eigenschaften wie mechanischer Festigkeit, Kinetik und Morphologie zu erzeugen. Der Syntheseprozess ist umweltfreundlicher als herkömmliche Hochtemperatur- oder lösungsbasierte Herstellung und könnte zu verbesserten Polymerbeschichtungen für Mikroelektronik, fortschrittliche Batterien und Therapeutika führen.
„Diese skalierbare Technik der initiierten chemischen Gasphasenabscheidungspolymerisation ermöglicht es uns, neue Materialien herzustellen, ohne die gesamte Chemie neu zu gestalten oder zu überarbeiten. Wir fügen einfach ein ‚aktives‘ Lösungsmittel hinzu“, sagte Rong Yang, Assistenzprofessor an der Smith School of Chemical and Biomolecular Ingenieurwesen in Cornell Engineering. „Es ist ein bisschen wie ein Lego. Du verbündest dich mit einem neuen Verbindungsstück. Es gibt eine Menge, die du jetzt bauen kannst, was vorher nicht möglich war.“
Yang arbeitete an dem Projekt mit Jingjie Yeo, Assistenzprofessor an der Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering, und Shefford Baker, außerordentlicher Professor für Materialwissenschaft und -technik, zusammen.
Das Papier der Gruppe, „Engineering Solvation in Initiated Chemical Vapour Deposition for Control over Polymerisation Kinetics and Material Properties“, wurde am 9. Februar veröffentlicht Natursynthese. Hauptautorin ist die Doktorandin Pengyu Chen. Yang und Yeo sind Co-Senior-Autoren.
Chemische Gasphasenabscheidung (CVD) ist ein gängiges Verfahren zur Herstellung defektfreier anorganischer Nanoschichtmaterialien in der Halbleiterfertigung und bei der Herstellung von Computermikrochips. Da der Prozess erfordert, dass Materialien auf Tausende von Grad erhitzt werden, schneiden organische Polymere nicht gut ab. CVD-Polymerisationstechniken wie initiierte CVD (iCVD) sind Niedertemperatur-Gegenstücke, die für die Polymersynthese entwickelt wurden. Es ist jedoch auch einschränkend, sagte Yang, denn „im Laufe der Jahre sind die Menschen an die Grenze der Chemie gewachsen, die man mit dieser Methode herstellen kann.“
Yangs Labor untersucht, wie aufgedampfte Polymere mit bakteriellen Krankheitserregern interagieren und wie Bakterien wiederum polymere Beschichtungen besiedeln, von der Farbe, die in Schiffsrümpfen verwendet wird, bis zur Beschichtung für biomedizinische Geräte. Sie und Chen versuchten, einen anderen Ansatz zur Diversifizierung von CVD-Polymeren zu entwickeln, indem sie ein Konzept aus der konventionellen Lösungssynthese entlehnten: die Verwendung eines „magischen“ Lösungsmittels, dh eines inerten Dampfmoleküls, das nicht in das Endmaterial eingebaut wird, sondern stattdessen interagiert mit einem Vorläufer auf eine Weise, die bei Raumtemperatur neue Materialeigenschaften erzeugt.
„Es ist eine alte Chemie, aber mit neuen Funktionen“, sagte Yang.
Das Lösungsmittel interagierte in diesem Fall mit einem üblichen CVD-Monomer über Wasserstoffbrückenbindungen. „Es ist ein neuartiger Mechanismus, obwohl das Konzept einfach und elegant ist“, sagte Chen. „Aufbauend auf dieser interessanten Strategie entwickeln wir eine robuste und verallgemeinerbare Wissenschaft der Solvatisierungstechnik.“
Yang und Chen wandten sich dann an Yeo, dessen Labor die Molekulardynamik hinter der Wechselwirkung von Lösungsmittel und Monomer simulierte und wie ihre Stöchiometrie oder ihr chemisches Gleichgewicht abgestimmt werden könnte.
„Wir haben die Auswirkungen verschiedener Lösungsmittel auf molekularer Ebene unterschieden und deutlich beobachtet, welche Lösungsmittelmoleküle eher dazu neigten, sich an das Monomer zu binden“, sagte Yeo. „So können wir schließlich prüfen, welche Lego-Teile am besten zueinander passen.“
Die Forscher brachten den resultierenden dünnen Film zu Bakers Labor, das ihn mithilfe von Nanoindentationstests untersuchte und herausfand, dass der Solvatationsmechanismus das Material verstärkt hatte. Das Lösungsmittel bewirkte auch, dass die Polymerbeschichtung schneller wuchs und ihre Morphologie änderte.
Dieses Verfahren kann jetzt auf verschiedene Methacrylat- und Vinylmonomere angewendet werden – für praktisch alles mit einer Polymerbeschichtung, wie dielektrische Materialien in der Mikroelektronik, die Antifouling-Beschichtung in Schiffsrümpfen und die Trennmembranen, die eine Reinigung in der Abwasserbehandlung ermöglichen. Die Technik könnte es den Forschern auch ermöglichen, die Permeabilität pharmazeutischer Produkte für eine kontrollierte Arzneimittelfreisetzung zu manipulieren.
„Dies fügt dem Materialdesign eine neue Dimension hinzu. Sie können sich alle Arten von Lösungsmitteln vorstellen, die Wasserstoffbrückenbindungen mit dem Monomer eingehen und die Reaktionskinetik anders manipulieren könnten. Oder Sie können Lösungsmittelmoleküle dauerhaft in Ihr Material einbauen, wenn Sie das Molekül entwerfen korrekt interagieren“, sagte Yang. „Mit diesem zusätzlichen Grad an Freiheit gibt es in Zukunft so viel zu entdecken.“
Zu den Co-Autoren gehören Baker, Zheyuan Zhang und Zach Rouse.
Mehr Informationen:
Pengyu Chen et al, Engineering Solvatation in initiierter chemischer Gasphasenabscheidung zur Kontrolle über Polymerisationskinetik und Materialeigenschaften, Natursynthese (2023). DOI: 10.1038/s44160-023-00242-5