„Greener“ način za sestavljanje materialov za uporabo na soncu | 2020

Vsebina:

Anonim

Danes sestava tega polimernega sklopa zahteva topila, ki lahko škodujejo okolju, vendar so znanstveniki na Nacionalnem laboratoriju Oak Ridgea v Ministrstvu za energijo našli "bolj zelen" način za nadzor sestave fotovoltaičnih polimerov v vodi z uporabo površinsko aktivnega sredstva - detergenta- kot molekula - kot predlogo. Njihove ugotovitve so sporočene v Nanoskala , revija Royal Society of Chemistry.

"Samoregulacija polimerov z uporabo površinsko aktivnih snovi zagotavlja ogromen potencial pri izdelavi nanostruktur z nadzorovanjem na molekularni ravni," je povedal višji avtor Changwoo Do, raziskovalec pri ORNL-jevem Neutronskem viru (SNS).

Raziskovalci so za sintezo in karakterizacijo polimerov uporabili tri urade DOE za znanstvene uporabnike - Center za nanofazne materialne znanosti (CNMS) in SNS pri ORNL in Advanced Photon Source (APS) v Argonne National Laboratory.

"Raztros nevtronov in rentgenskih žarkov je odlična metoda za raziskovanje teh struktur," je dejal Do.

Študija prikazuje vrednost sledenja molekulske dinamike z nevtroni in optičnimi sondami.

"Radi bi ustvarili zelo specifično polimerno zlaganje v raztopini in jo prevedli v tanke plasti, kjer bi brezhibni, brez defektov polimerne sklope omogočili hiter transport električnih nabojev za fotovoltaične aplikacije," je dejal Ilia Ivanov, raziskovalec pri CNMS in ustrezni avtor z Do. "Pokazali smo, da je to mogoče doseči z razumevanjem kinetičnih in termodinamičnih mehanizmov, ki nadzorujejo agregacijo polimerov."

Izvedba ustvarja molekularne gradnike za oblikovanje optoelektronskih in senzoričnih materialov. Zajemala je izdelavo polprevodniškega polimera s hidrofobnim ("strah pred vodo") hrbtenico in hidrofilnimi ("ljubečimi vodo") stranskimi verigami. V vodi topne stranske verige bi lahko omogočile "zeleno" predelavo, če bi nastal polimer, ki bi se lahko sam sestavil v organski fotovoltaični material. Raziskovalci so dodali polimer v vodno raztopino, ki vsebuje molekulo surfaktanta, ki ima tudi hidrofobne in hidrofilne konce. Glede na temperaturo in koncentracijo se površinsko aktivna snov samodejno združuje v različne predloge, ki vodijo polimer, da se pakira v različne oblike nanodelcev - šesterokotnike, sferične micele in liste.

V polprevodniškem polimeru so atomi organizirani tako, da lahko zlahka delijo elektrone. Delo ponuja vpogled v različne strukturne faze polimernega sistema in rast sklopov ponavljajočih se oblik, da se oblikujejo funkcionalni kristali. Ti kristali so osnova fotonapetostnih tankih filmov, ki zagotavljajo energijo v okoljih tako zahtevnih kot puščave in vesolje.

"Racionalno kodiranje molekularnih interakcij za regulacijo molekularne geometrije in reda med molekularno embalažo v raztopini konjugiranih polimerov je dolgo zaželeno v optoelektroniki in nanotehnologiji," je dejal prvi avtor članka, postdoktorski Jiahua Zhu. "Razvoj je v bistvu oviran zaradi težavnosti in situ opisovanja."

Meritve na kraju samem ali na kraju samem potekajo, medtem ko se pojavlja pojav (kot je sprememba v molekularni morfologiji). Kontrastne so z meritvami, ki so bile opravljene po izolaciji materiala iz sistema, kjer je bil pojav opažen ali spremenjene preskusne pogoje, pod katerimi je bil pojav prvič opažen. Skupina je razvila testno komoro, ki jim omogoča uporabo optičnih sond, medtem ko pride do sprememb.

Nevtroni lahko merijo strukture v raztopinah

Strokovno znanje in oprema pri SNS, ki zagotavlja najintenzivnejše pulzne nevtronske žarke na svetu, je omogočilo odkriti, da bi se lahko funkcionalni fotovoltaični polimer sam sestavil v okolju prijaznem topilu. Učinkovitost nevtronskega sipanja se je povečala s tehniko, imenovano selektivna deuterija, v kateri so specifični vodikovi atomi v polimerih nadomeščeni z težjimi atomi devterija - kar ima za posledico povečanje kontrastov v strukturi. CNMS ima specialiteto v slednji tehniki.

"Morali smo biti sposobni videti, kaj se dogaja s temi molekulami, ko se razvijajo v času od nekega stanja raztopine do nekega trdnega stanja," je dejal avtor Bobby Sumpter iz CNMS. "To je zelo težko narediti, toda za molekule, kot so polimeri in biomolekule, so nevtroni nekaj najboljših sond, ki si jih lahko predstavljate." Informacije, ki jih zagotavljajo vodniki, oblikujejo napredne materiale.

Z združevanjem strokovnega znanja na temo, vključno z nevtronskim razprševanjem, visoko zmogljivo analizo podatkov, teorijo, modeliranjem in simulacijo, so znanstveniki razvili testno komoro za spremljanje faznih prehodov, kot so se zgodili. Sledi molekulam v pogojih spreminjanja temperature, tlaka, vlažnosti, svetlobe, sestave topil in podobno, kar omogoča raziskovalcem, da ocenijo, kako se delovni materiali sčasoma spreminjajo in pomagajo pri prizadevanjih za izboljšanje njihove učinkovitosti.

Znanstveniki dajo vzorec v komoro in ga prenašajo na različne instrumente za meritve. Komora ima prosojno površino, ki omogoča vstop laserskih žarkov v sondirane materiale. Načini sondiranja - vključno s fotoni, električnim nabojem, magnetnim vrtenjem in izračuni, ki jih podpira visoko zmogljivo računalništvo - lahko delujejo sočasno za karakterizacijo snovi v širokem razponu pogojev. Komora je zasnovana tako, da v prihodnosti omogoča uporabo nevtronov in rentgenskih žarkov kot dodatne in dopolnilne sonde.

"Vgradnja tehnik in situ prinaša informacije o kinetičnih in termodinamičnih vidikih transformacij materialov v rešitvah in tankih filmih, pri katerih se struktura meri istočasno s spreminjajočo optoelektronsko funkcionalnostjo," je dejal Ivanov. "Prav tako odpira možnost za preučevanje popolnoma sestavljenih fotovoltaičnih celic in metastabilnih struktur, kar lahko pripelje do edinstvenih značilnosti prihodnjih funkcionalnih materialov."

Medtem ko je trenutna študija proučevala fazne prehode (tj. Metastabilna stanja in kemijske reakcije) pri višjih temperaturah, jih bo naslednja in situ diagnostika označila pod visokim tlakom. Poleg tega bodo raziskovalci implementirali nevronske mreže za analizo kompleksnih nelinearnih procesov z večkratnimi povratnimi povezavami.

Naslov Nanoskalnega papirja je "Nadzorovanje molekularnega urejanja v konjugiranih polimerih, ki vsebujejo raztopino."