La microscopie et la simulation s’unissent pour améliorer les polymères du nouvel âge

Parmi les lacunes non comblées les plus prometteuses dans la recherche sur les matériaux, il y a la capacité de prédire avec précision les propriétés physiques réelles d’un matériau en fonction de sa structure moléculaire.

Des chercheurs de l’Université de Stanford affirment qu’ils se rapprochent un peu plus de cet objectif insaisissable après avoir utilisé avec succès la microscopie électronique pour visualiser l’arrangement réel des molécules dans un polymère du nouvel âge et l’avoir combiné avec la modélisation informatique pour simuler comment certains changements structurels pourraient améliorer le flux d’électricité.

“En révélant le lien clé entre la structure d’un polymère et sa fonction électrique, cette capacité à visualiser de vraies microstructures et à les bricoler mathématiquement offre un aperçu nouveau et puissant de la conception de nouveaux matériaux prometteurs”, a déclaré Alberto Salleo, professeur de science des matériaux et ingénierie à Stanford et l’un des principaux auteurs de l’étude, qui paraît cette semaine dans Actes de l’Académie nationale des sciences.

Cette avancée pourrait considérablement accélérer la conception et le développement de polymères de nouvelle génération. Le matériau étudié dans cette recherche, le PBTTT, fait partie d’une classe de polymères semi-conducteurs qui pourraient être utilisés dans l’électronique informatique, les écrans et les capteurs minces et flexibles, selon les chercheurs, mais leur technique pourrait également être généralisable à d’autres domaines de la recherche sur les polymères. .

Les molécules de polymère individuelles sont difficiles à étudier avec la microscopie existante. Cela a conduit à une lacune dans la compréhension des molécules individuelles et des performances des matériaux en vrac, comme cela serait nécessaire pour créer des transistors flexibles de nouvelle génération.

Pour combler cet écart, les chercheurs se sont tournés vers des simulations informatiques guidées par des données de microscopie du monde réel pour étudier comment des groupes de molécules sont connectés à des échelles allant jusqu’à quelques centaines de nanomètres, la mésoéchelle entre les molécules individuelles et les matériaux en vrac.

“Ces chaînes simulées peuvent être modifiées sur ordinateur de manière difficile, voire impossible, dans le monde réel. Nous pouvons utiliser ces outils pour étudier l’effet de différentes stratégies de conception pour améliorer ces systèmes”, a déclaré le co-auteur Andrew Spakowitz. , professeur de génie chimique à Stanford et expert dans la modélisation de matériaux souples tels que le PBTTT pliable exploré dans l’étude.

Les connaissances acquises par l’équipe grâce à leur approche améliorent notre compréhension de la manière dont l’arrangement, le couplage et les géométries des chaînes de molécules à travers la mésoéchelle améliorent ou inhibent, selon le cas, le transport électrique à travers les polymères en vrac.

Par exemple, les chercheurs ont pu confirmer que l’alignement “parfait” des chaînes produit une amélioration de la mobilité des charges mais ont également montré que l’amélioration est étonnamment modeste. Cependant, étirez les chaînes et l’effet sur le transport électrique est beaucoup plus important. Ils ont également montré qu’aller plus loin et simplement réarranger, ou “mélanger”, les molécules produit une amélioration modeste et quelque peu surprenante de la mobilité.

“Cela suggérerait que des chaînes de polymères plus longues et plus rigides avec un couplage amélioré sont les voies les plus prometteuses pour améliorer la conduction électrique dans ces matériaux”, a déclaré Salleo, ajoutant que l’approche de l’équipe crée un tout nouveau pipeline pour étudier l’impact de la structure sur le transport de charge. dans le PBTTT et d’autres systèmes polymères prometteurs.