Neue Chemiemethode erhöht Haltbarkeit weicher Elektronik

Ein neuer Ansatz zur Untersuchung konjugierter Polymere ermöglichte Forschern erstmals, die individuellen mechanischen und kinetischen Eigenschaften einzelner Moleküle während der Polymerisationsreaktion zu messen.

Konjugierte Polymere sind im Wesentlichen Cluster von Molekülen, die entlang eines Rückgrats aufgereiht sind und Elektronen leiten sowie Licht absorbieren können. Das macht sie perfekt für die Erstellung weicher Optoelektronik wie tragbarer elektronischer Geräte; jedoch sind diese Polymere, so flexibel sie auch sind, im Bulk schwer zu untersuchen, weil sie aggregieren und aus der Lösung ausfallen.

Der Ansatz, magnetische Pinzetten genannt, erlaubt Forschern, einzelne Moleküle des konjugierten Polymers Polyacetylen zu dehnen und zu verdrehen. Frühere Ansätze basierten auf chemischer Derivatisierung, bei der die Strukturen mit funktionellen Atomgruppen modifiziert werden; dieser Ansatz kann jedoch die inhärenten Eigenschaften des Polymers beeinflussen.

Der Prozess funktioniert, indem ein Ende eines Polymerstrangs an einen Glasdeckel und das andere Ende an ein winziges magnetisches Teilchen befestigt wird. Die Forscher nutzen dann ein Magnetfeld, um das konjugierte Polymer zu manipulieren, es zu dehnen oder zu verdrehen, und messen die Reaktion einer einzelnen Polymerkette, die wächst. Die Mengen sind so klein, dass sie löslich in der Lösung bleiben, wie es Bulk-Mengen normalerweise nicht würden.

Das Team maß, wie lange Ketten konjugierter Polymere, die aus Hunderttausenden von Monomereinheiten bestehen, in Echtzeit wachsen. Sie entdeckten, dass die Polymere ein neues Monomer pro Sekunde hinzufügen, ein viel schnelleres Wachstum als ihre nicht-konjugierten Analoga. Durch Ziehen und Dehnen einzelner konjugierter Polymere, sogenannte Kraft-Dehnungs-Messungen, konnten die Forscher ihre Steifigkeit beurteilen und besser verstehen, wie sie sich in verschiedene Richtungen biegen können, während sie konjugiert bleiben und die Elektronenleitfähigkeit beibehalten.

Sie entdeckten auch, dass die Polymere vielfältige mechanische Verhaltensweisen von einer einzelnen Kette zur nächsten zeigten – Verhaltensweisen, die von der Theorie vorhergesagt, aber nie experimentell beobachtet worden waren. Die Ergebnisse heben sowohl die Einzigartigkeit konjugierter Polymere für eine Reihe von Anwendungen als auch die Stärke der Einzelmolekül-Manipulations- und Bildgebungstechnik an synthetischen Materialien hervor.