 Эффективность солнечных батарей зависит от точного машиностроения полимеров, которые собираются в пленки толщиной в 1000 раз меньше человеческого волоса.
В настоящее время формирование этой полимерной сборки требует растворителей, которые могут нанести вред окружающей среде, но ученые национальной лаборатории Ок-Ридж нашли более экологичный способ управления сборкой фотоэлектрических полимеров в воде с помощью поверностно-активного вещества. Самоорганизация полимеров с использованием поверхностно-активных веществ обеспечивает огромный потенциал в наноструктурах с управляемостью на молекулярном уровне.
Рассеяние нейтронов и рентгеновских лучей является идеальным методом исследования подобных структур. Исследование показывает важность отслеживания молекулярной динамики с помощью нейтронов и оптических зондов.
Исследователи желают создать специфическую укладку полимеров в растворе и превратить ее в тонкие пленки, где безупречные, бездефектные полимерные узлы позволят быстро переносить электрические заряды для фотоэлектрических приложений. Ученые показали, что это может быть достигнуто через понимание кинетических и термодинамических механизмов, контролирующих агрегацию полимера.
В их работе создаются молекулярные строительные блоки для дизайна оптоэлектронных и сенсорных материалов. Это повлекло собой разработку полупроводникового полимера с гидрофобной основой и гидрофильными боковыми цепочками. Водорастворимые боковые цепи могут обеспечить «зеленую» обработку при производстве полимера, который может самостоятельно собраться в единый фотоэлектрический материал. Исследователи добавили полимер водного раствора, содержащего поверхностно-активную молекулу, которая также имеет гидрофобные и гидрофильные концы. В зависимости от температуры и концентрации, поверностно-активное вещество самособирается в различные шаблоны, которые заставляют полимер принимать различные наноразмерные формы - шестиугольники, сферические мицеллы и листы.
В полупроводниковом полимере атомы организован для легкого обмена электронами. Работа дает представление о различных структурных фазах полимерной системы и роста узлов повторяющихся форм с образованием функциональных кристаллов. Эти кристаллы образуют основу фотоэлектрических тонких пленок, которые обеспечивают энергию в таких требовательных условиях, как пустыня или космическое пространство.
Рациональное кодирование молекулярных взаимодействий для управления молекулярной геометрией и межмолекулярными порядком упаковки в растворе сопряженных полимеров давно было желаемым процессом в оптоэлектронике и нанотехнологии.
Местные измерения проводятся в то время, когда происходит то или иное явление (например, изменение в молекулярной морфологии). Они контрастируют с результатами измерений, проведенных после выделения материала из системы, где это явление наблюдалось, или когда изменялись тестовые условия, при которых впервые было обнаружено явление. Ученые разработали испытательную камеру, которая позволяет им использовать оптические зонды в то время, когда происходят изменения.
Опыт и оборудование в лаборатории, которое обеспечивает наиболее интенсивные импульсные нейтронные пучки в мире, позволяют обнаружить, что функциональный фотоэлектрический полимер может самостоятельно собираться в экологически чистом растворителе. Эффективность рассеяния нейтронов была увеличена, в свою очередь, методикой, называемой селективным дейтерированием, в котором конкретные атомы водорода в полимерах заменяются более тяжелыми атомами дейтерия.
Объединив опыт в рассеянии нейтронов, анализе данных с высокой пропускной способностью, теорией, моделированием и симуляцией, ученые разработали испытательную камеру для мониторинга фазовых переходов. Она отслеживает молекулы в условиях меняющейся температуры, давления, влажности, света, состава растворителя и т.п., что позволяет исследователям оценить, как работающие материалы изменяются со временем. и способствуют усилиям по улучшению их работы.
Ученые размещают образец в камере и транспортируют его в различные инструменты для проведения измерений. Камера имеет прозрачный вид, чтобы обеспечить проход лазерных пучков для исследования материалов. Исследования режимов - в том числе фотонов, электрического заряда, магнитного спина и расчетов с помощью высокопроизводительных вычислений - могут работать одновременно, чтобы охарактеризовать материю в широком диапазоне условий. Камера предназначена для того, чтобы сделать возможным в будущем использование нейтронов и рентгеновских лучей в качестве дополнительных и взаимодополняющих зондов.
В то время как текущее исследование изучает фазовые переходы (т.е. метастабильные состояния и химические реакции) при увеличении температуры, следующее исследование в диагностике на месте будет характеризовать их при высоком давлении. Кроме того, исследователи будут внедрять нейронные сети для анализа сложных нелинейных процессов с несколькими обратными связями.
|
