Ο διαλύτης 'Magic' δημιουργεί ισχυρότερες λεπτές μεμβράνες

Αναδημοσίευση από τον Πλάτωνα

Ακολουθούν: 0

14 Φεβ 2023 (Ειδήσεις Nanowerk) Μια νέα τεχνική πολυμερισμού εντελώς ξηρού χρησιμοποιεί αντιδραστικούς ατμούς για τη δημιουργία λεπτών μεμβρανών με βελτιωμένες ιδιότητες, όπως μηχανική αντοχή, κινητική και μορφολογία. Η διαδικασία σύνθεσης είναι πιο ήπια για το περιβάλλον από την παραδοσιακή κατασκευή σε υψηλές θερμοκρασίες ή διαλύματα και θα μπορούσε να οδηγήσει σε βελτιωμένες επικαλύψεις πολυμερών για μικροηλεκτρονικά, προηγμένες μπαταρίες και θεραπευτικά. «Αυτή η κλιμακούμενη τεχνική του αρχικού πολυμερισμού εναπόθεσης χημικών ατμών μας επιτρέπει να κατασκευάζουμε νέα υλικά, χωρίς να επανασχεδιάζουμε ή να ανανεώνουμε ολόκληρη τη χημεία. Απλώς προσθέτουμε έναν «ενεργό» διαλύτη», δήλωσε ο Rong Yang, επίκουρος καθηγητής στο Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering στο Cornell Engineering. «Είναι λίγο σαν Lego. Συνεργάζεστε με ένα νέο συνδετικό κομμάτι. Υπάρχει ένας τόνος που μπορείς να φτιάξεις τώρα που δεν μπορούσες να κάνεις πριν».

Αυτή η εικόνα μικρογράφου δείχνει μια επίστρωση απόθεσης χημικών ατμών που ξεκίνησε από τον διδακτορικό φοιτητή Pengyu Chen στο εργαστήριο του Rong Yang, επίκουρου καθηγητή στη Σχολή Χημικής και Βιομοριακής Μηχανικής Smith στο Cornell Engineering. (Εικόνα: Πανεπιστήμιο Cornell) Ο Yang συνεργάστηκε στο έργο με τον Jingjie Yeo, επίκουρο καθηγητή στη Σχολή Μηχανολόγων και Αεροδιαστημικής Μηχανικής Sibley, και τον Shefford Baker, αναπληρωτή καθηγητή επιστήμης και μηχανικής υλικών. Το έγγραφο της ομάδας δημοσιεύτηκε στο Σύνθεση της Φύσης (“Engineering Solvation in Initiated Chemical Vapour Deposition for Control over Polymerization Kinetics and Material Properties”). Ο κύριος συγγραφέας είναι ο διδακτορικός φοιτητής Pengyu Chen. Ο Yang και ο Yeo είναι συν-ανώτεροι συγγραφείς. Η εναπόθεση χημικών ατμών (CVD) είναι μια κοινή διαδικασία που χρησιμοποιείται για την κατασκευή ανόργανων υλικών νανοστοιβάδας χωρίς ελαττώματα στην κατασκευή ημιαγωγών και στην παραγωγή μικροτσίπ υπολογιστών. Επειδή η διαδικασία απαιτεί τα υλικά να θερμαίνονται στους 1,000 βαθμούς βαθμών, τα οργανικά πολυμερή δεν έχουν καλή απόδοση. Οι τεχνικές πολυμερισμού CVD, όπως η εκκίνηση CVD (iCVD) είναι αντίστοιχες σε χαμηλή θερμοκρασία που αναπτύχθηκαν για τη σύνθεση πολυμερών. Ωστόσο, είναι επίσης περιοριστικό, είπε ο Yang, επειδή «με τα χρόνια, οι άνθρωποι έχουν φτάσει στα όρια της χημείας που μπορείτε να κάνετε με αυτήν τη μέθοδο». Το εργαστήριο του Yang μελετά πώς τα πολυμερή που εναποτίθενται σε ατμούς αλληλεπιδρούν με βακτηριακά παθογόνα και πώς τα βακτήρια, με τη σειρά τους, αποικίζουν τις πολυμερείς επικαλύψεις, από τη βαφή που χρησιμοποιείται στα κύτη των πλοίων μέχρι την επικάλυψη για βιοϊατρικές συσκευές. Αυτή και ο Chen προσπάθησαν να αναπτύξουν μια διαφορετική προσέγγιση για τη διαφοροποίηση των CVD πολυμερών δανειζόμενοι μια ιδέα από τη σύνθεση συμβατικών διαλυμάτων: τη χρήση ενός «μαγικού» διαλύτη, δηλαδή ενός αδρανούς μορίου ατμού, που δεν ενσωματώνεται στο τελικό υλικό, αλλά αντίθετα αλληλεπιδρά με έναν πρόδρομο με τρόπο που παράγει νέες ιδιότητες υλικού σε θερμοκρασία δωματίου. «Είναι μια παλιά χημεία αλλά με νέα χαρακτηριστικά», είπε ο Yang. Ο διαλύτης σε αυτή την περίπτωση αλληλεπιδρά με ένα κοινό μονομερές CVD μέσω δεσμού υδρογόνου. «Είναι ένας νέος μηχανισμός, αν και η ιδέα είναι απλή και κομψή», είπε ο Chen. «Χτίζοντας σε αυτήν την ενδιαφέρουσα στρατηγική, αναπτύσσουμε μια ισχυρή και γενικεύσιμη επιστήμη της μηχανικής επίλυσης». Στη συνέχεια, ο Yang και ο Chen στράφηκαν στον Yeo, του οποίου το εργαστήριο προσομοίωσε τη μοριακή δυναμική πίσω από την αλληλεπίδραση διαλύτη και μονομερούς και πώς θα μπορούσε να συντονιστεί η στοιχειομετρία ή η χημική τους ισορροπία. «Διακρίναμε τις επιδράσεις διαφορετικών διαλυτών σε μοριακή κλίμακα και παρατηρήσαμε ξεκάθαρα ποια μόρια διαλύτη είχαν μεγαλύτερη τάση να συνδέονται με το μονομερές», είπε ο Yeo. «Έτσι, μπορούμε τελικά να εξετάσουμε ποια κομμάτια Lego θα μπορούν να ταιριάζουν καλύτερα μεταξύ τους». Οι ερευνητές έφεραν τη λεπτή μεμβράνη που προέκυψε στο εργαστήριο του Baker, το οποίο χρησιμοποίησε δοκιμές με νανοοδοντώσεις για να το μελετήσει και διαπίστωσε ότι ο μηχανισμός διαλυτοποίησης είχε ενισχύσει το υλικό. Ο διαλύτης προκάλεσε επίσης την ταχύτερη ανάπτυξη της επικάλυψης πολυμερούς και την αλλαγή της μορφολογίας της. Αυτή η μέθοδος μπορεί τώρα να εφαρμοστεί σε διάφορα μονομερή μεθακρυλικού και βινυλίου - ουσιαστικά για οτιδήποτε έχει πολυμερή επίστρωση, όπως τα διηλεκτρικά υλικά στη μικροηλεκτρονική, η αντιρρυπαντική επίστρωση στο κύτος των πλοίων και οι μεμβράνες διαχωρισμού που επιτρέπουν τον καθαρισμό στην επεξεργασία των λυμάτων. Η τεχνική θα μπορούσε επίσης να επιτρέψει στους ερευνητές να χειριστούν τη διαπερατότητα των φαρμακευτικών προϊόντων για ελεγχόμενη απελευθέρωση φαρμάκου. «Αυτό προσθέτει μια νέα διάσταση στο σχεδιασμό υλικών. Μπορείτε να φανταστείτε όλα τα είδη διαλυτών που θα μπορούσαν να σχηματίσουν δεσμούς υδρογόνου με το μονομερές και να χειριστούν την κινητική της αντίδρασης διαφορετικά. Ή μπορείτε να έχετε μόρια διαλύτη ενσωματωμένα στο υλικό σας μόνιμα, αν σχεδιάσετε σωστά τη μοριακή αλληλεπίδραση», είπε ο Yang.