Un equipo internacional liderado por persoal investigador da Universidade da Coruña (UDC) conseguiu medir directamente e nun único paso a cristalización de polímeros semicondutores en escalas de tempo inferiores ao segundo, un proceso que ata o de agora resultaba moi difícil de estudar coas técnicas convencionais. A investigación, publicada na revista Journal of the American Chemical Society (JACS), forma parte da tese de doutoramento que Josep Tent desenvolve no Laboratorio de Polímeros Funcionais do Centro de Investigación en Tecnoloxías Navais e Industriais (CITENI) baixo a supervisión do investigador Oportunius Jaime Martín.
O estudo presenta unha metodoloxía baseada na calorimetría de varrido rápido (Fast Scanning Calorimetry, FSC), que permite medir como estes materiais pasan do estado fundido a un estado cristalino. A principal dificultade é a enorme rapidez do proceso: nas condicións estudadas, a cristalización pode completarse en menos dunha décima de segundo.
De reconstruír o proceso a medilo directamente
Ata o de agora, era necesario realizar varios experimentos e analizar o material en diferentes momentos do proceso para coñecer como avanzaba a cristalización. A nova metodoloxía permite facer algo diferente: rexistrar de maneira inmediata o proceso mentres ocorre e obter toda a información nun único experimento. “Sabiamos que estes materiais podían cristalizar moi rápido, pero non podiamos estudar directamente e con suficiente detalle o que ocorría durante ese proceso. A metodoloxía que desenvolvemos permítenos seguir a evolución da cristalización mentres está a ocorrer”, detalla Josep Tent.
A rapidez do proceso é especialmente salientable: no caso do polímero PTQ10, a cristalización prodúcese en só 0,025 segundos. Nos experimentos realizados, o proceso completo dura menos dunha décima de segundo.
A temperatura determina como se organizan as moléculas
O traballo analiza dous polímeros semicondutores, PTQ10 e D18, e mostra que a temperatura inflúe na forma en que se organizan as súas moléculas. No PTQ10, prodúcese un cambio arredor dos 341 graos, mentres que no D18 ten lugar contra os 320 graos.
Para estudar como se produce esta organización, o equipo combinou calorimetría, difracción de raios X e microscopia electrónica. Os resultados mostran que, segundo a temperatura, as cadeas do polímero ordénanse de maneira diferente e dan lugar a estruturas con distinta organización. A investigación tamén permite comprender mellor por que a cristalización é tan rápida. Os resultados indican que non se trata dun proceso no que aparecen primeiro uns poucos cristais e despois van medrando. Nestes polímeros, fórmanse moitos pequenos dominios ordenados practicamente ao mesmo tempo, o que fai que o material se organice nunha fracción de segundo.
No caso do D18, as imaxes obtidas mediante microscopia electrónica permiten observar estes pequenos dominios, cun tamaño medio duns 40 nanómetros.
Mellorar a fabricación de células solares orgánicas
Os polímeros semicondutores estudados presentan interese para aplicacións como as células solares orgánicas, a electrónica flexible e outros dispositivos electrónicos. As propiedades destes materiais non dependen só da súa composición, senón tamén de como se organizan as súas moléculas durante a fabricación. Por iso, coñecer que ocorre durante a cristalización pode axudar a relacionar as condicións do procesamento, como a temperatura ou a velocidade de arrefriamento, coa estrutura interna que finalmente adquire o material e coas súas propiedades.
“A forma en que se organiza o material durante a cristalización inflúe directamente nas súas propiedades finais. Poder medir este proceso mentres ocorre axúdanos a comprender como se estrutura o polímero e como podemos influír nesa organización durante o seu procesamento”, explica Jaime Martín.
O estudo proporciona así unha nova ferramenta para a investigación e optimización de materiais semicondutores destinados á electrónica orgánica e aos dispositivos fotovoltaicos. Aínda que se trata de investigación básica, permite avanzar no coñecemento dunha etapa fundamental da súa fabricación: como as condicións de procesamento determinan a organización interna do material.
O traballo contou coa participación de persoal investigador da UDC; da 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; e do Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2). Ademais, os experimentos de difracción de raios X realizáronse coa colaboración do sincrotrón ALBA.
