Chemiebenadering voor meer robuuste zachte elektronica

Dankzij een nieuwe benadering voor het bestuderen van geconjugeerde polymeren konden onderzoekers voor het eerst de mechanische en kinetische eigenschappen van de individuele moleculen tijdens de polymerisatiereactie meten.

Geconjugeerde polymeren zijn in wezen clusters van moleculen die langs een ruggengraat zijn geregen en die elektronen kunnen geleiden en licht kunnen absorberen. Dit maakt ze perfect geschikt voor het maken van zachte opto-elektronica zoals draagbare elektronische apparaten; hoe flexibel ze ook zijn, deze polymeren zijn echter moeilijk in bulk te bestuderen omdat ze aggregeren en uit de oplossing vallen.

De aanpak, magnetische pincet genoemd, stelt onderzoekers in staat om individuele moleculen van het geconjugeerde polymeer polyacetyleen uit te rekken en te draaien. Eerdere benaderingen waren gebaseerd op chemische derivatisering waarbij de structuren worden gemodificeerd met functionele groepen van atomen; die benadering kan echter de aangeboren eigenschappen van het polymeer beïnvloeden.

Het proces werkt door het ene uiteinde van een polymeerstreng aan een glazen dekglaasje te bevestigen en het andere uiteinde aan een klein magnetisch deeltje. De onderzoekers gebruiken vervolgens een magnetisch veld om het geconjugeerde polymeer te manipuleren, uit te rekken of te draaien en de respons te meten van een enkele polymeerketen die groeit. De hoeveelheden zijn zo klein dat ze oplosbaar blijven in oplossing zoals bulkhoeveelheden dat normaal niet zouden doen.

Het team heeft in realtime gemeten hoe lange ketens van geconjugeerde polymeren, die uit honderdduizenden monomeereenheden bestaan, groeien. Ze ontdekten dat de polymeren een nieuw monomeer per seconde toevoegen, een veel snellere groei dan hun niet-geconjugeerde analogen. Door individuele geconjugeerde polymeren te trekken en uit te rekken, zogenaamde krachtverlengingsmetingen, konden de onderzoekers hun stijfheid beoordelen en beter begrijpen hoe ze in verschillende richtingen kunnen buigen terwijl ze geconjugeerd blijven en de elektronengeleiding behouden.

Ze ontdekten ook dat de polymeren verschillende mechanische gedragingen vertoonden van de ene individuele keten naar de volgende - gedrag dat door theorie was voorspeld maar nooit experimenteel was waargenomen. De bevindingen benadrukken zowel het unieke karakter van geconjugeerde polymeren voor een reeks toepassingen als de kracht van het gebruik van een manipulatie- en beeldvormingstechniek met één molecuul op synthetische materialen.