'Magic' Solvent Creates Stronger Thin Films

Neuauflage von Plato

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14. Februar 2023 (Nanowerk-Neuigkeiten) Eine neue, vollständig trockene Polymerisationstechnik nutzt reaktive Dämpfe, um dünne Filme mit verbesserten Eigenschaften wie mechanischer Festigkeit, Kinetik und Morphologie zu erzeugen. Der Syntheseprozess ist umweltfreundlicher als die 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 Engineering in Cornell Engineering. „Es ist ein bisschen wie ein Lego. Sie verbinden sich mit einem neuen Verbindungsstück. Sie können jetzt eine Menge aufbauen, was vorher nicht möglich war.“ chemische Dampfabscheidungsbeschichtung

Dieses mikroskopische Bild zeigt eine initiierte chemische Gasphasenabscheidungsbeschichtung, die vom Doktoranden Pengyu Chen im Labor von Rong Yang, Assistenzprofessor an der Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering in Cornell Engineering, hergestellt wurde. (Bild: Cornell University) Yang arbeitete an dem Projekt mit Jingjie Yeo, Assistenzprofessorin an der Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering, und Shefford Baker, außerordentlicher Professor für Materialwissenschaften und -technik, zusammen. Der Artikel der Gruppe wurde veröffentlicht in Natursynthese („Technische Lösung bei der initiierten chemischen Gasphasenabscheidung zur Kontrolle der Polymerisationskinetik und Materialeigenschaften“). Der Hauptautor ist der Doktorand 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 Computer-Mikrochips. Da der Prozess erfordert, dass Materialien auf Tausende Grad erhitzt werden, schneiden organische Polymere nicht gut ab. CVD-Polymerisationstechniken wie die initiierte CVD (iCVD) sind Niedertemperatur-Gegenstücke, die für die Polymersynthese entwickelt wurden. Allerdings sei es auch einschränkend, sagte Yang, denn „im Laufe der Jahre sind die Menschen an die Grenzen der Chemie herangewachsen, die man mit dieser Methode herstellen kann.“ Yangs Labor untersucht, wie aufgedampfte Polymere mit bakteriellen Krankheitserregern interagieren und wie Bakterien wiederum Polymerbeschichtungen besiedeln, von der Farbe, die in Schiffsrümpfen verwendet wird, bis hin zur Beschichtung biomedizinischer Geräte. Sie und Chen versuchten, einen anderen Ansatz zur Diversifizierung von CVD-Polymeren zu entwickeln, indem sie ein Konzept aus der herkömmlichen Lösungssynthese entlehnten: die Verwendung eines „magischen“ Lösungsmittels, d. h. 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 über Wasserstoffbrücken mit einem üblichen CVD-Monomer. „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 Solvatationstechnik.“ Yang und Chen wandten sich dann an Yeo, dessen Labor die molekulare Dynamik hinter der Wechselwirkung zwischen Lösungsmittel und Monomer simulierte und wie ihre Stöchiometrie oder ihr chemisches Gleichgewicht angepasst werden könnte. „Wir haben die Auswirkungen verschiedener Lösungsmittel auf molekularer Ebene unterschieden und klar beobachtet, welche Lösungsmittelmoleküle eher dazu neigen, sich an das Monomer zu binden“, sagte Yeo. „So können wir letztendlich prüfen, welche Lego-Teile am besten zueinander passen.“ Die Forscher brachten den resultierenden dünnen Film in Bakers Labor, das ihn mithilfe von Nanoindentationstests untersuchte und feststellte, dass der Solvatisierungsmechanismus das Material gestärkt hatte. Das Lösungsmittel führte außerdem dazu, dass die Polymerbeschichtung schneller wuchs und ihre Morphologie veränderte. Diese Methode kann nun auf verschiedene Methacrylat- und Vinylmonomere angewendet werden – im Wesentlichen auf alles mit einer Polymerbeschichtung, wie z. B. die dielektrischen Materialien in der Mikroelektronik, die Antifouling-Beschichtung in Schiffsrümpfen und die Trennmembranen, die die Reinigung in der Abwasseraufbereitung ermöglichen. Die Technik könnte es Forschern auch ermöglichen, die Durchlässigkeit pharmazeutischer Produkte für eine kontrollierte Arzneimittelfreisetzung zu manipulieren. „Dies verleiht dem Materialdesign eine neue Dimension. Sie können sich alle Arten von Lösungsmitteln vorstellen, die Wasserstoffbrücken mit dem Monomer eingehen und die Reaktionskinetik unterschiedlich beeinflussen könnten. Oder Sie können Lösungsmittelmoleküle dauerhaft in Ihr Material einbauen, wenn Sie die molekulare Wechselwirkung richtig gestalten“, sagte Yang.