'Magic' Solvent Creates Stronger Thin Films

Heruitgegeven door Plato

volgers: 0

14 februari 2023 (Nanowerk Nieuws) Een nieuwe volledig droge polymerisatietechniek maakt gebruik van reactieve dampen om dunne films te creëren met verbeterde eigenschappen, zoals mechanische sterkte, kinetiek en morfologie. Het syntheseproces is milieuvriendelijker dan traditionele productie op hoge temperatuur of op oplossingsbasis en zou kunnen leiden tot verbeterde polymeercoatings voor micro-elektronica, geavanceerde batterijen en therapieën. “Deze schaalbare techniek van geïnitieerde chemische dampdepositiepolymerisatie stelt ons in staat nieuwe materialen te maken, zonder de hele chemie opnieuw te ontwerpen of te vernieuwen. We voegen simpelweg een ‘actief’ oplosmiddel toe”, zegt Rong Yang, assistent-professor aan de Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering in Cornell Engineering. “Het lijkt een beetje op Lego. Je werkt samen met een nieuw verbindingsstuk. Er is een hoop die je nu kunt bouwen die je voorheen niet kon doen. coating met chemische dampafzetting

Deze microfoto toont een geïnitieerde chemische dampafzettingscoating, gemaakt door promovendus Pengyu Chen in het laboratorium van Rong Yang, assistent-professor aan de Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering in Cornell Engineering. (Afbeelding: Cornell Universiteit) Yang werkte aan het project samen met Jingjie Yeo, assistent-professor aan de Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering, en Shefford Baker, universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek. Het artikel van de groep gepubliceerd in Natuur Synthese (“Technische oplossing bij geïnitieerde chemische dampafzetting voor controle over polymerisatiekinetiek en materiaaleigenschappen”). De hoofdauteur is promovendus Pengyu Chen. Yang en Yeo zijn co-senior auteurs. Chemische dampafzetting (CVD) is een veelgebruikt proces dat wordt gebruikt om defectvrije anorganische nanolaagmaterialen te maken bij de productie van halfgeleiders en bij de productie van computermicrochips. Omdat het proces vereist dat materialen op duizenden graden worden verwarmd, doen organische polymeren het niet goed. CVD-polymerisatietechnieken zoals geïnitieerde CVD (iCVD) zijn tegenhangers bij lage temperatuur die zijn ontwikkeld voor polymeersynthese. Het is echter ook beperkend, zegt Yang, omdat “mensen door de jaren heen zijn gegroeid naar de grens van de chemie die je met deze methode kunt maken.” Het laboratorium van Yang onderzoekt hoe in de dampvorm afgezette polymeren interageren met bacteriële pathogenen en hoe bacteriën op hun beurt polymere coatings koloniseren, van de verf die wordt gebruikt in scheepsrompen tot de coating voor biomedische apparaten. Zij en Chen probeerden een andere aanpak te ontwikkelen om CVD-polymeren te diversifiëren door een concept te lenen van de conventionele synthese van oplossingen: het gebruik van een ‘magisch’ oplosmiddel, dat wil zeggen een inert dampmolecuul, dat niet in het uiteindelijke materiaal wordt opgenomen, maar in plaats daarvan interageert met een precursor op een manier die nieuwe materiaaleigenschappen produceert bij kamertemperatuur. “Het is een oude chemie, maar met nieuwe functies”, zei Yang. Het oplosmiddel had in dit geval een interactie met een gebruikelijk CVD-monomeer via waterstofbinding. "Het is een nieuw mechanisme, hoewel het concept eenvoudig en elegant is", zei Chen. “Voortbouwend op deze interessante strategie ontwikkelen we een robuuste en generaliseerbare wetenschap van solvatatie-engineering.” Yang en Chen wendden zich vervolgens tot Yeo, wiens laboratorium de moleculaire dynamiek achter de interactie tussen oplosmiddel en monomeer simuleerde, en hoe hun stoichiometrie, of chemische balans, kon worden afgestemd. "We hebben de effecten van verschillende oplosmiddelen op moleculaire schaal onderscheiden en we hebben duidelijk waargenomen welke oplosmiddelmoleculen het meest geneigd waren zich aan het monomeer te binden," zei Yeo. “Zo kunnen we uiteindelijk screenen welke Lego-stukken het beste bij elkaar passen.” De onderzoekers brachten de resulterende dunne film naar het laboratorium van Baker, dat nano-indentatietests gebruikte om het te bestuderen en ontdekten dat het solvatatiemechanisme het materiaal had versterkt. Het oplosmiddel zorgde er ook voor dat de polymeercoating sneller groeide en de morfologie ervan veranderde. Deze methode kan nu worden toegepast op verschillende methacrylaat- en vinylmonomeren – voor vrijwel alles met een polymeercoating, zoals de diëlektrische materialen in de micro-elektronica, de aangroeiwerende coating in scheepsrompen en de scheidingsmembranen die zuivering in de afvalwaterzuivering mogelijk maken. De techniek zou onderzoekers ook in staat kunnen stellen de permeabiliteit van farmaceutische producten te manipuleren voor gecontroleerde medicijnafgifte. “Dit voegt een nieuwe dimensie toe aan het materiaalontwerp. Je kunt je allerlei soorten oplosmiddelen voorstellen die een waterstofbinding met het monomeer kunnen vormen en de reactiekinetiek op een andere manier kunnen manipuleren. Of je kunt oplosmiddelmoleculen permanent in je materiaal laten inbouwen, als je de moleculaire interactie correct ontwerpt, ‘zei Yang.