В стремлении создать материалы нового поколения для фотоэлементов, катализаторов и фотонных кристаллов, ученые Аргоннской Национальной Лаборатории обратились к молекулярным шаблонам.

Исследователи Центра наноматериалов и Отдела энергосистем Аргоннской Лаборатории разработали методику секвенциального инфильтрационного синтеза (sequential infiltration synthesis, СИС), который основывается на создании самоорганизующихся химических нанодоменов, в которых можно выращивать другие материалы. Методика подразумевает, что пленка, состоящая из крупных молекул, которые называются блок-сополимеры, выступает в качестве шаблона для создания высоконастраиваемого структурированного материала.

Новый метод расширяет возможности технологии осаждения атомных слоев – широко известный способ синтеза, который обычно используется учеными Аргоннской лаборатории. Вместо простого наслаивания двумерных пленок различных материалов, СИС позволяет ученым конструировать материалы с более сложной геометрией.

«Этот подход позволяет нам создавать материалы, которые были бы невозможны при использовании только осаждения или блок-сополимеров, – сказал Сет Дарлинг (Seth Darling), который вместе с Джеффом Эламом (Jeff Elam) помогал разрабатывать технологию СИС. – Возможность управлять геометрией материала и его химическим составом открывает нам двери к целой вселенной новых материалов».

Рис. 1. На пленке блок-сополимеров видна тенденция к разделению непохожих областей. Изображение Argonne National Laboratory.

По словам Дарлинга, успешность метода обуславливается уникальным химическим составом блок-сополимеров. Каждый блок-сополимер состоит из двух химически обособленных субъединиц. Например, если одна субъединица сходна с водой, другая должна отталкивать воду. В этом случае, подобное тянется к подобному, создавая неоднородную матрицу рассеянных однородных областей.

«Можно представить себе блок-сополимеры как пару молекулярных сиамских близнецов, из которых один любит поговорить, а другой – читать в тишине, – поясняет Дарлинг. – Если вы поместите группу таких близнецов в комнату, то разговорчивые будут стремиться к разговорчивым, а читающие предпочтут читающих, но они не смогут распределиться по разным сторонам комнаты, благодаря чему мы получаем нужную нам геометрию».

В зависимости от исходного субстрата, блок-сополимеров и типа обработки, которую используют материаловеды, могут формироваться области с разнообразной формой – от шарообразной до цилиндрической или плоской. Хотя существует много типов блок-сополимеров, в целом они не могут использоваться так широко, как неорганические материалы. Главная задача, по словам Дарлинга, совместить самосборку блок-сополимеров с функциональностью неорганики.

Физические и химические свойства материалов, созданных с помощью СИС, зависят от того, как химия (химический состав) и морфология (строение) блок-сополимеров взаимодействуют с химией осаждения атомных слоев.

«Мы можем спланировать наши действия по синтезу материалов намного точнее, чем до этого», – сообщил Дарлинг.

Дарлинг и Элам большую часть своей профессиональной жизни провели в Аргоннской Национальной Лаборатории, разрабатывая новые типы материалов, включая фотоэлементы, сочетающие органические и неорганические компоненты. Они полагают, что материалы, созданные с помощью СИС, повысят эффективность и удешевят технологии, основанные на солнечной энергии.

«Будущее солнечной энергетики не имеет универсального решения, – сказал Элам. – Мы должны изучить проблему с разных сторон, обратиться к различным материалам, а технология даст ученым, вроде нас, множество новых путей для наступления».