"Grünere" Art, Materialien für Solaranwendungen zusammenzusetzen | 2020

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Anonim

Heutzutage erfordert die Bildung dieser Polymeranordnung Lösungsmittel, die die Umwelt schädigen können. Wissenschaftler des Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums haben jedoch einen "umweltfreundlicheren" Weg gefunden, um die Anordnung von photovoltaischen Polymeren in Wasser unter Verwendung eines Tensids - eines Reinigungsmittels - zu kontrollieren. wie ein Molekül - als Vorlage. Ihre Ergebnisse werden in berichtet Nanoskala , eine Zeitschrift der Royal Society of Chemistry.

"Die Selbstorganisation von Polymeren unter Verwendung von Tensiden bietet ein großes Potenzial für die Herstellung von Nanostrukturen auf molekularer Ebene", sagte der leitende Autor Changwoo Do, ein Forscher bei ORNLs Spallation Neutron Source (SNS).

Die Forscher verwendeten drei Benutzereinrichtungen des DOE Office of Science - das Zentrum für Nanophasen-Materialwissenschaften (CNMS) und SNS am ORNL und die Advanced Photon Source (APS) am Argonne National Laboratory -, um die Polymere zu synthetisieren und zu charakterisieren.

"Die Streuung von Neutronen und Röntgenstrahlen ist eine perfekte Methode, um diese Strukturen zu untersuchen", sagte Do.

Die Studie zeigt den Wert der Verfolgung der Moleküldynamik sowohl mit Neutronen als auch mit optischen Sonden.

"Wir möchten einen sehr spezifischen Polymerstapel in Lösung erstellen und diesen in dünne Filme umwandeln, in denen fehlerfreie, fehlerfreie Polymerbaugruppen einen schnellen Transport elektrischer Ladungen für Photovoltaikanwendungen ermöglichen", sagte Ilia Ivanov, Forscherin bei CNMS und entsprechende Autorin mitmachen. "Wir haben gezeigt, dass dies durch das Verständnis der kinetischen und thermodynamischen Mechanismen, die die Polymeraggregation steuern, erreicht werden kann."

Die Errungenschaft schafft molekulare Bausteine ​​für das Design von optoelektronischen und sensorischen Materialien. Dabei wurde ein halbleitendes Polymer mit einem hydrophoben ("wassergefährdenden") Grundgerüst und hydrophilen ("wasserliebenden") Seitenketten entwickelt. Die wasserlöslichen Seitenketten könnten eine "grüne" Verarbeitung ermöglichen, wenn die Anstrengung zu einem Polymer führen würde, das sich selbst zu einem organischen Photovoltaikmaterial zusammenlagern könnte. Die Forscher fügten das Polymer einer wässrigen Lösung hinzu, die ein Tensidmolekül enthielt, das auch hydrophobe und hydrophile Enden aufwies. Abhängig von Temperatur und Konzentration baut sich das Tensid selbst zu verschiedenen Templaten zusammen, die das Polymer führen, um es in verschiedene nanoskalige Formen zu verpacken - Sechsecke, kugelförmige Mizellen und Folien.

In dem halbleitenden Polymer sind Atome so organisiert, dass sie leicht Elektronen austauschen können. Die Arbeit liefert Einblicke in die verschiedenen Strukturphasen des Polymersystems und das Wachstum von Anordnungen sich wiederholender Formen, um funktionelle Kristalle zu bilden. Diese Kristalle bilden die Grundlage für die photovoltaischen Dünnschichten, die in Umgebungen mit hohen Anforderungen wie Wüsten und im Weltraum Strom liefern.

"Die rationale Kodierung molekularer Wechselwirkungen, um die Molekülgeometrie und die intermolekulare Packungsreihenfolge in einer Lösung konjugierter Polymere zu bestimmen, ist in der Optoelektronik und Nanotechnologie seit langem erwünscht", sagte der Erstautor des Papers, Postdoktorand Jiahua Zhu. "Die Entwicklung wird im Wesentlichen durch die Schwierigkeit der In-situ-Charakterisierung behindert."

In-situ- oder "vor Ort" -Messungen werden durchgeführt, während ein Phänomen (z. B. eine Änderung der molekularen Morphologie) auftritt. Sie stehen im Gegensatz zu Messungen, die durchgeführt wurden, nachdem das Material von dem System isoliert wurde, in dem das Phänomen beobachtet wurde, oder indem die Testbedingungen geändert wurden, unter denen das Phänomen zum ersten Mal beobachtet wurde. Das Team entwickelte eine Testkammer, in der sie bei Änderungen optische Sonden verwenden können.

Neutronen können Strukturen in Lösungen untersuchen

Das Fachwissen und die Ausrüstung von SNS, das die weltweit intensivsten gepulsten Neutronenstrahlen liefert, ermöglichten die Entdeckung, dass sich ein funktionales photovoltaisches Polymer in einem umweltfreundlichen Lösungsmittel selbst zusammenlagern kann. Die Wirksamkeit der Neutronenstreuung wurde wiederum durch eine als selektive Deuterierung bezeichnete Technik verbessert, bei der bestimmte Wasserstoffatome in den Polymeren durch schwerere Deuteriumatome ersetzt werden - was zu einer Erhöhung der Kontraste in der Struktur führt. CNMS hat eine Spezialität in der letzteren Technik.

"Wir mussten in der Lage sein zu sehen, was mit diesen Molekülen passiert, wenn sie sich im Laufe der Zeit von einem Lösungszustand zu einem festen Zustand entwickeln", sagte der Autor Bobby Sumpter von CNMS. "Das ist sehr schwierig, aber für Moleküle wie Polymere und Biomoleküle gehören Neutronen zu den besten Sonden, die man sich vorstellen kann." Die Informationen, die sie zur Verfügung stellen, leiten das Design fortschrittlicher Materialien.

Durch die Kombination von Fachwissen zu Themen wie Neutronenstreuung, Hochdurchsatz-Datenanalyse, Theorie, Modellierung und Simulation entwickelten die Wissenschaftler eine Testkammer zur Überwachung von Phasenübergängen. Es verfolgt Moleküle unter Bedingungen, bei denen sich Temperatur, Druck, Luftfeuchtigkeit, Licht, Lösungsmittelzusammensetzung und dergleichen ändern, und ermöglicht es Forschern, zu beurteilen, wie sich Arbeitsmaterialien im Laufe der Zeit ändern, und dabei zu helfen, ihre Leistung zu verbessern.

Wissenschaftler legen eine Probe in die Kammer und transportieren sie zur Messung zu verschiedenen Instrumenten. Die Kammer hat eine transparente Fläche, um den Eintritt von Laserstrahlen in die Prüfmaterialien zu ermöglichen. Prüfmodi - einschließlich Photonen, elektrischer Ladung, magnetischem Spin und Berechnungen mit Hilfe von Hochleistungsrechnern - können gleichzeitig zur Charakterisierung von Materie unter einer Vielzahl von Bedingungen eingesetzt werden. Die Kammer soll es zukünftig ermöglichen, Neutronen und Röntgenstrahlen als zusätzliche und komplementäre Sonden einzusetzen.

"Der Einbau von In-situ-Techniken liefert Informationen zu kinetischen und thermodynamischen Aspekten der Materialumwandlung in Lösungen und Dünnschichten, bei denen die Struktur gleichzeitig mit ihrer sich ändernden optoelektronischen Funktionalität gemessen wird", sagte Ivanov. "Es eröffnet auch die Möglichkeit, vollständig zusammengesetzte Photovoltaikzellen sowie metastabile Strukturen zu untersuchen, was zu einzigartigen Merkmalen zukünftiger Funktionsmaterialien führen kann."

Während in der vorliegenden Studie Phasenübergänge (d. H. Metastabile Zustände und chemische Reaktionen) bei steigenden Temperaturen untersucht wurden, werden sie in der nächsten In-situ-Diagnostik bei hohem Druck charakterisiert. Darüber hinaus werden die Forscher neuronale Netze implementieren, um komplexe nichtlineare Prozesse mit mehreren Rückkopplungen zu analysieren.

Der Titel der Arbeit im Nanomaßstab lautet "Kontrolle der molekularen Ordnung in lösungskonjugierten Polymeren".