Un proceso que sucede en menos tempo do que dura un pestanexo e que ata agora resultaba especialmente difícil de observar acaba de ser medido directamente grazas a unha investigación desenvolvida desde o Centro de Investigación en Tecnoloxías Navais e Industriais (CITENI) do Campus Industrial de Ferrol.
Un equipo internacional liderado por persoal investigador da Universidade da Coruña (UDC) conseguiu estudar en tempo real como cristalizan determinados polímeros semicondutores, materiais que presentan interese para o desenvolvemento de dispositivos electrónicos e células solares orgánicas.
O traballo, publicado na prestixiosa revista científica Journal of the American Chemical Society (JACS) baixo o título ‘Understanding the Ultrafast Crystallization Kinetics of Donor–Acceptor Semiconducting Polymers’, forma parte da tese de doutoramento de Josep Tent, desenvolvida no Laboratorio de Polímeros Funcionais do CITENI baixo a supervisión do investigador Jaime Martín.
A principal novidade reside na posibilidade de medir directamente, nun único experimento, un proceso que pode completarse en apenas unhas centésimas de segundo.
Observar en tempo real o que antes había que reconstruír
A cristalización é o proceso mediante o cal as moléculas dun material se organizan ao pasar dun estado fundido a outro cunha estrutura máis ordenada.
No caso dos polímeros semicondutores analizados, esta transformación prodúcese a unha velocidade extraordinaria, o que dificultaba o seu estudo mediante os métodos convencionais.
Ata agora, para comprender como avanzaba a cristalización era necesario realizar diferentes experimentos e examinar o material en distintos momentos, reconstruíndo posteriormente a evolución do proceso.
A metodoloxía desenvolvida polo equipo investigador permite cambiar esta maneira de traballar.
Mediante unha técnica denominada calorimetría de varrido rápido (Fast Scanning Calorimetry, FSC), os científicos poden seguir a transformación do material mentres está ocorrendo e obter a información necesaria nun único experimento.
“Ata o de agora sabiamos que estes materiais podían cristalizar moi rápido, pero non podiamos estudar directamente e con suficiente detalle o que ocorría durante ese proceso”, explica Josep Tent.
O investigador destaca que a nova metodoloxía permite seguir a evolución da cristalización en tempo real.
Os resultados mostran que, no caso do polímero PTQ10, a cristalización pode producirse en só 0,025 segundos, é dicir, 25 milésimas de segundo. Nas condicións estudadas, o proceso completo dura menos dunha décima de segundo.
A temperatura condiciona a estrutura dos materiais
A investigación centrouse en dous polímeros semicondutores, denominados PTQ10 e D18, para analizar como inflúe a temperatura na organización das súas moléculas.
O equipo identificou cambios na maneira de estruturarse destes materiais arredor dos 341 graos centígrados no PTQ10 e dos 320 graos no D18.
Para comprender estas transformacións, os investigadores combinaron a calorimetría de varrido rápido con técnicas de difracción de raios X e microscopia electrónica.
Os resultados permitiron comprobar que as cadeas dos polímeros poden adoptar diferentes organizacións dependendo da temperatura á que se produce a cristalización.
O estudo tamén achega información sobre a extraordinaria rapidez deste fenómeno. Ao contrario do que podería esperarse, a cristalización non se desenvolve necesariamente mediante a aparición duns poucos cristais que van aumentando progresivamente de tamaño.
Nos materiais analizados, fórmanse numerosos dominios pequenos e ordenados practicamente ao mesmo tempo, permitindo que a estrutura interna se organice nunha fracción de segundo.
No caso do polímero D18, as imaxes obtidas mediante microscopia electrónica permitiron identificar estes dominios, cun tamaño medio aproximado de 40 nanómetros.
Posibles aplicacións nas células solares e na electrónica flexible
A relevancia deste avance está relacionada coas propiedades dos polímeros semicondutores, empregados na investigación de novas tecnoloxías como as células solares orgánicas ou os dispositivos electrónicos flexibles.
O comportamento destes materiais non depende unicamente da súa composición química, senón tamén da maneira en que as moléculas quedan organizadas durante a súa fabricación.
Por este motivo, comprender a cristalización pode resultar fundamental para coñecer como inflúen factores como a temperatura ou a velocidade de arrefriamento na estrutura final do material.
“A forma en que se organiza o material durante a cristalización inflúe directamente nas súas propiedades finais”, sinala Jaime Martín.
O investigador explica que a posibilidade de medir esta transformación mentres sucede facilita comprender como se estrutura o polímero e de que maneira se pode influír na súa organización durante o procesamento.
Aínda que se trata dunha investigación básica e non do desenvolvemento inmediato dun novo dispositivo comercial, os resultados proporcionan unha ferramenta para avanzar no estudo e na optimización dos materiais semicondutores.
O coñecemento obtido podería contribuír, en futuras investigacións, a mellorar o control dos procesos de fabricación de compoñentes destinados á electrónica orgánica e ás tecnoloxías fotovoltaicas.
Un traballo internacional liderado desde a Universidade da Coruña
A investigación contou coa participación de especialistas de diferentes institucións científicas europeas.
Xunto á Universidade da Coruña colaboraron a Université Grenoble Alpes, o Comisariado da Enerxía Atómica e das Enerxías Alternativas (CEA), o Centro Nacional de Investigación Científica (CNRS) e Grenoble INP, en Francia, ademais do Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2).
Os experimentos de difracción de raios X realizáronse tamén coa colaboración do sincrotrón ALBA, unha infraestrutura científica especializada no estudo da estrutura dos materiais.
O traballo sitúa así ao Laboratorio de Polímeros Funcionais do CITENI, vinculado ao Campus Industrial de Ferrol, no desenvolvemento dunha metodoloxía que permite estudar con maior precisión unha das etapas fundamentais na fabricación de materiais semicondutores.
