Descubrimiento de un avance inesperado en semiconductores basados ​​en polímeros: el “efecto Ricitos de Oro”

Investigadores de la Universidad de Illinois han avanzado en nuestra comprensión de los materiales semiconductores mediante la exploración de la quiralidad. Su estudio, dirigido por el profesor Ying Diao, investigó la modificación de polímeros quirales para producir estructuras quirales. Esta investigación tiene implicaciones para el desarrollo de tecnologías innovadoras y destaca las complejidades y el potencial de los materiales quirales.

Un nuevo estudio realizado por químicos de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign ofrece una nueva visión para el desarrollo de materiales semiconductores que puedan hacer cosas que sus homólogos tradicionales de silicio no pueden: aprovechar el poder de la descentralización, una imagen especular no superponible.

Quiralidad en la naturaleza

La descentralización es una de las estrategias de la naturaleza utilizada para crear complejidad en las estructuras, utilizando… ADN La doble hélice es quizás el ejemplo más famoso: dos cadenas moleculares conectadas por una «columna vertebral» molecular y retorcidas hacia la derecha.

En la naturaleza, las moléculas descentralizadas, como las proteínas, conducen la electricidad de manera muy eficiente al transferir selectivamente electrones desde la misma dirección de espín.

Investigación sobre la imitación de la naturaleza de la naturaleza.

Los investigadores llevan décadas trabajando para imitar la quiralidad de la naturaleza en moléculas sintéticas. Un nuevo estudio, dirigido por el profesor de química química y biomolecular Ying Diao, investiga si se pueden utilizar diferentes modificaciones de un polímero quiral llamado DPP-T4 para formar estructuras helicoidales quirales en materiales semiconductores a base de polímeros. Las aplicaciones potenciales incluyen células solares que actúan como hojas, computadoras que utilizan estados cuánticos de electrones para realizar cálculos más eficientes y nuevas tecnologías de imágenes que capturan información 3D en lugar de información 2D, por nombrar algunas.

La fase de polímero de cristal líquido quiral es un material semiconductor de alta eficiencia

Una micrografía óptica que muestra la fase cristalina líquida quiral de un polímero que los investigadores están explorando para producir materiales semiconductores altamente eficientes.
Crédito: Imagen cortesía del Laboratorio Ying Diao

Los resultados del estudio se publican en la revista. Central de Ciencias ACS.

Resultados del estudio y experimentación.

«Comenzamos pensando que hacer pequeñas modificaciones en la estructura de la molécula DPP-T4, logradas agregando o cambiando átomos unidos a la columna vertebral, cambiaría la torsión o torsión de la estructura e induciría asimetría», dijo Diao. “Sin embargo, pronto descubrimos que las cosas no eran tan sencillas”.

Utilizando imágenes y dispersión de rayos X, el equipo descubrió que «pequeñas modificaciones» provocaban grandes cambios en las fases del material.

«Lo que notamos es una especie de efecto moderador», dijo Diaw. «Normalmente, las moléculas se ensamblan como un alambre retorcido, pero de repente, cuando giramos la molécula a un giro crítico, comienzan a ensamblarse en nuevas mesofases en forma de placas u hojas planas. Probando para ver qué tan bien estas estructuras pueden doblarse polarizadas La luz, una prueba de excentricidad. Nos sorprendió descubrir que las placas también pueden retorcerse formando estructuras cohesivas y esquivas.

Comprender el comportamiento de los polímeros y sus implicaciones futuras.

Los hallazgos del equipo resaltan el hecho de que los polímeros no se comportarán de manera similar cuando se modifiquen en un intento de imitar la transferencia eficiente de electrones en estructuras quirales. El estudio indica que es fundamental no pasar por alto las complejas estructuras de mesofase formadas para descubrir fases desconocidas que pueden conducir a propiedades ópticas, electrónicas y mecánicas inimaginables.

Referencia: “Los cambios moleculares sutiles modifican significativamente los ensamblajes quirales de polímeros conjugados mediante el ajuste de la agregación del estado de la solución” por Kyung Sun Park, Zoe Luo, Justin J. Kwok, Azaya Khasbaatar, Jianguo Mei y Ying Diao, 13 de noviembre de 2023, Central de Ciencias ACS.
doi: 10.1021/acscentsci.3c00775

El profesor de la Universidad Purdue, Jianguo Mei, y el estudiante graduado Xuyi Luo sintetizaron los polímeros utilizados en este estudio. Diao también está afiliado al Laboratorio de Investigación de Materiales Químicos, Ingeniería y Ciencia de Materiales y al Instituto Beckman de Ciencia y Tecnología Avanzadas de Illinois.

Esta investigación fue apoyada por la Oficina de Investigación Naval, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, la Fundación Nacional de Ciencias y el Departamento de Energía de EE. UU.

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