Block kopolymeeri itse kokoaminen on tullut tehokas alhaalta ylöspäin lähestymistapa valmistus nanostrukturoituja materiaaleja ennennäkemättömän tarkasti ja tonnikalan kyky. Vääntämällä luonnollista taipumusta erehtymätön polymeeri lohkot eristäytyä tilattuihin verkkoihin, tutkijat voivat luoda kuvioita vaihtelevat pallot ja sylinterit ja gyroidit pituusasteikolla 5.100 nanometriä. Tämä kyky on ajanut läpimurtoja puolijohde litografia, nanolääketiede, ja energian varastointi. Viimeaikainen kehitys kemian, käsittely, ja luonnehdinta ovat nyt työntää rajoja, mitä nämä materiaalit voivat saavuttaa, mahdollistaa monimutkaisempia arkkitehtuurit, entistä enemmän valvontaa suuntautuminen, ja integrointi reaalimaailman laitteisiin.

Block Collection Self-Assemblyn perusteet

Lohkokomposiitit koostuvat kahdesta tai useammasta kemiallisesti erillisestä polymeeriketjusta, jotka on liitetty yhteen. Yleisimmät ovat lineaariset AB-diblock-kopolymeerit ja ABA-triblock-kopolymeerit. Itsekomposiitit perustuvat blokkien termodynaamiseen yhteensopivuuteen, joka on määritetty Flory-Huggins-vuorovaikutusparametrin χ avulla, ja polymeerisaation N:n tiheyden ollessa kriittinen arvo (noin 10.5 symmetristen diblokkien osalta), järjestelmä on mikrofaasierotus, jonka koko on N2/3[], lieriömäinen (0,17.33.03], gyroidi (0,33.23.377) tai lamelaarin tilavuuden perusteella määritetty kunkin lohkon tilavuuden fraktio: pallomainen (f]A, pallomainen (0.17.37.33],33).

Keskeiset parametrit kuten järjestyshäirintäsiirtymälämpötila (T]ODT[]) ja erottelulujuus voidaan virittää muuttamalla molekyylipainoa, lohkon koostumusta tai lämpötilaa. Viimeaikainen työ on keskittynyt myös korkean x kopolymeerit (esim. pii- tai fluoria sisältävät lohkot) saavuttaa sub-5 nm ominaisuuskoot välttämättömiä seuraavan sukupolven elektroniikkaa. Ymmärtäminen nämä perustekijät on ratkaisevan tärkeää järkevän suunnittelun kopolymeerien kanssa haluttu itse kokoaminen käyttäytymistä.

Käsittely- ja valvontatekniikat

Vaikka tasapainorakenteet ovat hyvin ymmärrettäviä, niiden toteuttaminen käytännössä edellyttää huolellista käsittelyä. Liuotinten hehkutus, lämpö hehkutus ja ohjattu itse kokoaminen (DSA) ovat ensisijaisia menetelmiä pitkän kantaman järjestyksen ja ohjatun suuntautumisen saavuttamiseksi.

Liuotin ja lämpö Annealing

Lämpöanneeraukseen kuuluu kopolymeerikalvon lämmittäminen lasin siirtymälämpötilan yläpuolella (T]g[]) tai TODT[] avulla ketjut voivat uudelleenjärjestyä matalamman energian kokoonpanoihin. Tämä on suoraviivaista monille kopolymeerille, mutta sitä voidaan rajoittaa lämpöhajoamisella tai substraattien dewettauksella. Liuotinanneeraus puolestaan altistaa kalvolle liuotinhöyrylle, joka turpoaa polymeerimatriisin, tehokkaasti alentaa T[]g[[]] ja lisää ketjuliikettä ilman korkeita lämpötiloja.

Ohjattu itse-assembly (DSA)

DSA käyttää topografisia tai kemiallisia kuvioita substraattien ohjata tilauksen kopolymeeri aloilla. Chemoepitaxy käyttää kemiallisia raitoja, joiden pinta-energiaerot tasaavat lamellari-tai sylinterimäinen alue, kun taas graphoepitaxy käyttää fyysisiä juoksuhaavoja rajoittaa kopolymeeri ja aiheuttaa rekisteröinnin. DSA on onnistuneesti integroitu optinen litografia tuottaa sub-10 nm ominaisuuksia puolijohteiden valmistus[. Viimeaikainen edistysaskeleita ovat käyttö 3D DSA luoda monimutkaisia vertikaalisia liitoksia ja hierarkkisia rakenteita, avaa polkuja fotonikiteet ja metamateriaalit.

Kehittyneet ominaisuustekniikat

Nanorakenteiden tarkkailu ja mittaaminen alle 100 nm:n asteikolla vaatii hienostuneita työkaluja. Atomivoimamikroskopia (AFM) tarjoaa topografista ja vaihekuvaamista filmipintojen kautta, paljastaa domain-muotoja ja tilaamista. Grating-onnistuminen pienkulman röntgensäteiden hajaantuminen (GISAXS) ja synkrotron-pohjaiset tekniikat koettavat irtotavarana olevia rakenteita, joilla on tilastollista merkitystä, katkosalueväliä, suuntajakoja ja jopa kineettisiä tietoja annessaation aikana. Neutronien hajautuminen, erityisesti yhdistettynä deuteriummerkintöihin, tarjoaa ainutlaatuisen kontrastin blokkikopolymeerin rajapintojen tutkimiseen in situ -tutkimuksissa, joissa näitä menetelmiä on käytetty, on selvitetty tilausreitit sekasorron käytöstä pitkälle yhdenmukaisiin valtioihin, kuten Chemical Society Reviews[[[].

Viimeaikaiset parannukset

Viimeisten viiden vuoden aikana tapahtunut uraauurtava kehitys on laajentanut blokkikopolymeerin itsekoostumusta klassisen morfologian ulkopuolelle. Uudet korkeat χ-kopolymeerit, kuten poly(trimetyylisilyylistyreeni-b-polylaktidi) ja poly(vinyylipyridiini-b-oligosakkaridi) johdannaiset, mahdollistavat sub-3 nm:n ominaisuudet. Koostumuskoostumussekoitukset homopolymeereihin tai nanopartikkeleihin sisältävät hierarkkisia strukturoituja ja toiminnallisia ominaisuuksia. Koneoppimista (ML) käytetään nyt ennustamaan vaihekaavioita ja optimoimaan ärsytystä, vähentämään merkittävästi koe- ja errorikokeita. Esimerkiksi ]Luontoviestintä [] ilmoitti ML-mallin, joka tarkasti ennustaa itsekoostuneita morfomeerejä polymeerikemiasta ja käsittelyparametreistä.

Block Collection Blends ja Hybridit

Kaksi lohkokopolymeerejä tai lisäämällä epäorgaanisia nanopartikkeleita laajentaa rakennekirjastoa. Systeemisten ja epäsymmetristen diblokkien yhdistäminen tuottaa levitysverkkoja tai skackerboard-malleja. Kulta tai piidioksidi nanopartikkeleita, jotka on valikoivasti eristetty yhdeksi verkkoalueeksi, antaa plasmonisia tai katalyyttisiä toimintoja. Tällaiset hybridimateriaalit ovat lupaavia antureille, katalyyteille ja dielektrisille peileille.

Skaalattavuus ja integraatio

Teollisuuden omaksumiseksi on kehitetty rullalta rolleille -prosessointia ja nopeaa lämpöä tuottavaa aineistoa, jotta voidaan käsitellä suuraluefilmejä, joiden läpivienti on yhteensopiva valmistuksen kanssa. DSA:n kanssa näitä menetelmiä on nyt puhdistettu EUV:n litografian .yhteensopivia prosesseja varten, mikä vähentää kalliiden kolminkertaistamisen tarvetta.

Nanostrukturoitujen materiaalien sovellukset lohkokonvektorista Itseasennettuna

Nanoelementtien tarkkuus ja tonnikalan tarkkuus ovat mahdollistaneet edistymisen useilla eri aloilla.

Elektroniikka ja lithografia

Kehittynein sovellus on puolijohdelitografiassa, jossa DSA:ta käytetään luomaan 10 nm:n ali- ja viiva-/avaruusreikiä. Toshiba, IBM ja IMEC ovat osoittaneet DSA-integroinnin logiikka- ja muistilaitteiden pilottilinjoihin. Block-kopolymeerimallit toimivat myös naamioina kuvion siirtämiseksi pii-, piinitrioksidi- ja metallikerroksiin, mikä mahdollistaa nanomittakaavatransistorit, yhdysliitännät ja bittitallennetut kiintolevyihin tarkoitetut mediat.

Lääke- ja lääketoimitukset

Hiirille, rakkulalle (polymersomeille) ja lyotrooppisille nestekiteisille vaiheille tehdään laaja tutkimus kontrolloidusta vapautumisesta. Kyky ladata hydrofiilisiä ja hydrofobisia lääkkeitä erillisissä haaroissa yhdistettynä reagoiviin lohkoihin (pH, lämpötila, redokse), mahdollistaa kohdennetun synnytyksen, jossa sivuvaikutukset vähenevät. Esimerkiksi [Kansainvälinen lehti Pharmaceutics arvioi blokkikopolymeeri nanopartikkeleita syöpähoitoon. Kudostekniikassa mikrofaasin erotetut telineen, joissa on kontrolloitu huokoisuus ja mekaaninen anisotropia, edistävät solujen linjausta ja kudosten uudistumista.

Energian varastointi ja muuntaminen

Nanostrukturoitua kopolymeeriä elektrolyyttejä litium-ion-paristot tarjoavat korkean ionijohtavuus johtuu perkolaatio polkuja ionillisesti johtava aloilla, kun taas jäykkä lohko tarjoaa mekaaninen eheys. Samoin, lohko kopolymeeri-johdettu mesoporous hiiliä (hiiletys) käytetään superkapasitori elektrodeja poikkeuksellisen pinta-ala ja nopeus kyky. Orgaanisissa aurinkosähkö, lohkokopolymeeri compatibilizers vakauttaa morfologia irtotavarana heterokonktiot, parantaa tehon muuntamisen tehokkuutta ja pitkän aikavälin vakautta.

Haasteet ja tulevaisuuden linjaukset

Merkittävästä edistyksestä huolimatta useat haasteet jatkuvat. Täydellisen pitkän kantaman tilauksen saavuttaminen kieppejä sisältävillä alueilla ilman vikoja on edelleen vaikeaa. Viantuhokinetiikka on hidasta ja viat voivat heikentää laitteen suorituskykyä. Lisäksi monet korkean x:n kopolymeerit vaativat erikoismonomeerejä, jotka ovat kalliita tai vaikeasti syntetisoituja. Fluorattuja tai piitä sisältäviä lohkoja koskevat ympäristönäkökohdat vaativat myös vihreämpiä vaihtoehtoja. Edessäpäin blokkikopolymeerin itsekoostumus additiivisen valmistuksen (3D-tulostuksen) ja bioinspiroitujen materiaalien yhdistäminen voisi johtaa älykkäisiin pinnoitteisiin, mukautuviin kalvoihin ja chiral metamateriaaleihin. Koneoppimisen yhdistäminen automaattiseen synteesiin ja luonnehdintaan nopeuttaa uusien kopolymeerijärjestelmien ja prosessointiikkunoiden löytämistä. Lisäksi laboratoriomenestys teollisissa tuotteissa edellyttää vankkaa metrologiaa ja prosessien hallintaa, jotka ovat aktiivisia tutkimusalueita.

Päätelmät

Block kopolymeeri itse-kokoonpano on kehittynyt kiehtova tieteellinen ilmiö käytännön nanotuotantoalusta. Advances korkean-χ polymeereja, suunnattu kokoonpano, ja in-situ luonnehdinta ovat mahdollistaneet ominaisuuskoot alle 5 nm, monimutkainen 3D morfologia, ja integrointi laitteisiin. Laajuus sovelluksia. Seuraavan sukupolven tietokonesirut kohdistettuun huumeiden toimitus.Tässä on monipuolisuus nanostrukturoituja materiaaleja. Koska synteettinen kemia, käsittelytekniikka ja laskenta mallintaminen edelleen lähentyä, lohko kopolymeeri itse-kokoonpano todennäköisesti on yhä keskeisempi rooli kestävässä valmistuksessa kehittyneitä materiaaleja.