'Magic' Solvent Creates Stronger Thin Films

Opublikowane ponownie przez Plato

Obserwuje: 0

14 lut 2023 (Wiadomości Nanowerk) Nowa technika polimeryzacji na sucho wykorzystuje reaktywne pary do tworzenia cienkich warstw o ulepszonych właściwościach, takich jak wytrzymałość mechaniczna, kinetyka i morfologia. Proces syntezy jest łagodniejszy dla środowiska niż tradycyjna produkcja w wysokiej temperaturze lub w oparciu o roztwory i może prowadzić do ulepszonych powłok polimerowych dla mikroelektroniki, zaawansowanych akumulatorów i środków terapeutycznych. „Ta skalowalna technika inicjowanej polimeryzacji chemicznego osadzania z fazy gazowej pozwala nam wytwarzać nowe materiały bez przeprojektowywania lub przebudowy całej chemii. Po prostu dodajemy „aktywny” rozpuszczalnik” – powiedział Rong Yang, adiunkt w Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering w Cornell Engineering. „To trochę jak klocki Lego. Łączysz siły z nowym elementem łączącym. Teraz możesz zbudować mnóstwo rzeczy, których nie mogłeś zrobić wcześniej. powłoka chemiczna z fazy gazowej

To zdjęcie mikrograficzne przedstawia zainicjowaną powłokę poprzez chemiczne osadzanie z fazy gazowej wykonaną przez doktoranta Pengyu Chena w laboratorium Rong Yanga, adiunkta w Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering w Cornell Engineering. (Zdjęcie: Uniwersytet Cornell) Yang współpracował przy projekcie z Jingjie Yeo, adiunktem w Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering oraz Sheffordem Bakerem, profesorem nadzwyczajnym nauk o materiałach i inżynierii. Artykuł grupy opublikowany w Synteza natury („Technologia solwatacji w inicjowanym chemicznym osadzaniu z fazy gazowej w celu kontroli kinetyki polimeryzacji i właściwości materiału”). Głównym autorem jest doktorant Pengyu Chen. Yang i Yeo są współautorami. Chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD) to powszechny proces stosowany do wytwarzania pozbawionych defektów nieorganicznych materiałów nanowarstwowych w produkcji półprzewodników i mikrochipów komputerowych. Ponieważ proces wymaga podgrzania materiałów w temperaturze 1,000 stopni, polimery organiczne nie radzą sobie dobrze. Techniki polimeryzacji CVD, takie jak inicjowana CVD (iCVD), są niskotemperaturowymi odpowiednikami opracowanymi do syntezy polimerów. Jednak jest to również ograniczające, powiedział Yang, ponieważ „przez lata ludzie osiągnęli granicę chemii, jaką można uzyskać za pomocą tej metody”. Laboratorium Yang bada, w jaki sposób polimery naparowywane oddziałują z patogenami bakteryjnymi i w jaki sposób bakterie z kolei kolonizują powłoki polimerowe, od farb stosowanych w kadłubach statków po powłoki w urządzeniach biomedycznych. Ona i Chen starali się opracować inne podejście do dywersyfikacji polimerów CVD, zapożyczając koncepcję z syntezy konwencjonalnych rozwiązań: zastosowanie „magicznego” rozpuszczalnika, tj. cząsteczki obojętnej pary, która nie jest włączana do końcowego materiału, ale zamiast tego oddziałuje z prekursorem w sposób powodujący powstanie nowych właściwości materiału w temperaturze pokojowej. „To stara chemia, ale z nowymi funkcjami” – powiedział Yang. W tym przypadku rozpuszczalnik oddziaływał ze zwykłym monomerem CVD poprzez wiązania wodorowe. „To nowatorski mechanizm, chociaż koncepcja jest prosta i elegancka” – powiedział Chen. „Opierając się na tej interesującej strategii, rozwijamy solidną i możliwą do uogólnienia naukę o inżynierii solwatacji”. Następnie Yang i Chen zwrócili się do Yeo, którego laboratorium przeprowadziło symulację dynamiki molekularnej leżącej u podstaw interakcji rozpuszczalnika i monomeru oraz możliwości dostrojenia ich stechiometrii, czyli równowagi chemicznej. „Rozróżniliśmy działanie różnych rozpuszczalników w skali molekularnej i wyraźnie zaobserwowaliśmy, które cząsteczki rozpuszczalnika są bardziej skłonne do wiązania się z monomerem” – powiedział Yeo. „W ten sposób możemy ostatecznie sprawdzić, które elementy Lego będą najlepiej do siebie pasować”. Naukowcy przenieśli powstałą cienką warstwę do laboratorium Bakera, które zbadało ją za pomocą testów nanoindentacji i odkryło, że mechanizm solwatacji wzmocnił materiał. Rozpuszczalnik spowodował także szybszy wzrost powłoki polimerowej i zmianę jej morfologii. Metodę tę można obecnie zastosować do różnych monomerów metakrylanowych i winylowych – zasadniczo do wszystkiego, co ma powłokę polimerową, np. materiałów dielektrycznych w mikroelektronice, powłok przeciwporostowych w kadłubach statków i membran separacyjnych, które umożliwiają oczyszczanie w oczyszczaniu ścieków. Technika ta może również umożliwić naukowcom manipulowanie przepuszczalnością produktów farmaceutycznych w celu kontrolowanego uwalniania leków. „To dodaje nowy wymiar projektowaniu materiałów. Można sobie wyobrazić wszelkiego rodzaju rozpuszczalniki, które mogą tworzyć wiązania wodorowe z monomerem i w różny sposób manipulować kinetyką reakcji. Można też na stałe włączyć cząsteczki rozpuszczalnika do materiału, jeśli prawidłowo zaprojektuje się interakcje molekularne” – powiedział Yang.