Name: Monitorowanie wpływu oświetlenia na strukturę sprzężonych żeli polimerowych z wykorzystaniem rozpraszania neutronów (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-12-21T12:30:00.000+00:00
Duration: 6 min 16 s
Description: Poznaj metodę analizy żeli polimerowych P3HT przy użyciu rozpraszania neutronów SANS i USANS. Technika ta pozwala nieinwazyjnie badać ewolucję strukturalną polimerów sprzężonych pod wpływem temperatury i światła.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Autorzy dziękują Narodowej Fundacji Nauki (DMR-1409034) za wsparcie tego projektu. Wyrażamy również uznanie dla wsparcia ze strony Narodowego Instytutu Standaryzacji i Technologii Departamentu Handlu Stanów Zjednoczonych w zakresie udostępniania obiektów USANS wykorzystywanych w tych pracach, przy czym obiekty te są częściowo wspierane przez Narodową Fundację Nauki na mocy umowy nr. DMR-0944772. Eksperymenty SANS w ramach tych badań zostały przeprowadzone w reaktorze izotopowym o wysokim strumieniu ORNL, który był sponsorowany przez Wydział Obiektów Użytkowników Naukowych, Biuro Podstawowych Nauk Energetycznych Departamentu Energii USA.

Wszelkie prace z odczynnikami chemicznymi należy prowadzić przy użyciu odpowiedniego sprzętu ochrony osobistej oraz w dygestorium. Wszystkie próbki poddane działaniu promieniowania jonizującego powinny być obsługiwane pod nadzorem techników kontroli radiologicznej placówki. Niniejszy protokół został wykonany przez osoby, które ukończyły odpowiednie szkolenie z zakresu ochrony radiologicznej.
1. Przygotowanie roztworów P3HT w d-ODCB
<ol>
	<li>Pozyskiwanie próbek
	<ol>
		<li>Nabyć 1 g P3HT o wysokiej regioregularności (&gt;90%) w zakresie masy cząsteczkowej 15 - 40 K.</li>
		<li>Nabyć 5 g wysokiej czystości (&gt;90 atom% deuterowanego) d-4 1,2-ODCB.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przygotowanie próbek
	<ol>
		<li>Przefiltrować cały roztwór d-ODCB przez sito 0,45 µm do szklanej fiolki.</li>
		<li>Połączyć 0,34 g P3HT z 1,6 g d-ODCB w szklanej fiolce o pojemności 5 g z zakrętką wyłożoną folią. 
		UWAGA: W całym procesie przygotowywania i przenoszenia próbki należy w każdej chwili minimalizować intensywność światła otoczenia, na które wystawiona jest próbka.</li>
		<li>Dodać do fiolki magnetyczny mieszadło, zabezpieczyć zakrętkę i uszczelnić parafilmem.</li>
		<li>Całkowicie owinąć fiolkę folią aluminiową, aby zapobiec ekspozycji roztworu na światło.</li>
		<li>Umieścić próbkę na płycie grzewczej w temperaturze 70 °C przez 1 - 3 h przy włączonym mieszadle magnetycznym.</li>
		<li>Zdjąć z grzania i przestać mieszać, gdy roztwór stanie się całkowicie jednorodny (zaleca się pozostawienie próbki do ogrzewania i mieszania przez noc, aby zapewnić pełną dyspersję).</li>
		<li>Przenieść roztwór z fiolki do odpowiednio oczyszczonej (oddzielnie płukanej acetonem i wodą) kwarcowej celi typu banjo o grubości 1 lub 2 mm za pomocą szklanej pipety. 
		UWAGA: Podgrzanie szklanej pipety w piecu do 70 °C bezpośrednio przed przenoszeniem znacznie ułatwia ten proces.</li>
		<li>Założyć zakrętkę celi banjo i uszczelnić parafilmem.</li>
		<li>Umieścić celę banjo w całkowitej ciemności (np. w zamkniętym pudełku lub owiniętą folią aluminiową).</li>
		<li>W podobny sposób przygotować próbkę zawierającą tylko d-ODCB (wypełnioną do pełna) oraz pustą celę banjo, aby służyły odpowiednio jako tło rozpuszczalnika i pusta cela w eksperymentach rozproszania.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Eksperymenty z rozpraszania neutronów
<ol>
	<li>Eksperymenty SANS w środowisku „ciemnym”
	<ol>
		<li>Przy wsparciu naukowca odpowiedzialnego za instrument upewnij się, że uchwyt próbki jest wyposażony w wymagane układy kontroli temperatury, zdolne do przeprowadzenia rampy temperaturowej od 70 do 20 °C.</li>
		<li>Umieść komórki typu banjo w odpowiednio dobranych blokach mocujących, zabezpiecz je i opisz.</li>
		<li>Owiń cały blok folią aluminiową o grubości 0,1 mm, aby zapobiec padaniu światła zewnętrznego na próbkę. Zminimalizuj odkształcenia folii, aby zapewnić prawidłowe dopasowanie owiniętego bloku w uchwycie próbki. Umieść tak przygotowany blok wraz z próbką w uchwycie.</li>
		<li>Przy wsparciu naukowca odpowiedzialnego za instrument przeprowadź prawidłowe wyrównanie i kalibrację urządzenia, korzystając z odpowiednich pomiarów wzorcowych. Ustaw odległość detektora blisko jego maksymalnego ustawienia (na przykład na 18 m), aby zapewnić dostęp do najniższego regionu Q (~0,01 Å-1), co ostatecznie pozwoli na uzyskanie pełnego zakresu Q od około 0,01 do 0,1 Å-1. Umożliwi to badanie skal długości do około 50 nm.</li>
		<li>Przy pomocy naukowca odpowiedzialnego za instrument zbierz wartości szybkości zliczania dla próbek P3HT oraz rozpuszczalnika i wykonaj obliczenia w celu określenia czasu rozpraszania wymaganego do uzyskania całkowitej liczby zliczeń detektora na próbkę w zakresie od około 50 0 do 1 0 00, co zapewni dobrą jakość statystyczną danych.</li>
		<li>Na podstawie tych informacji stwórz skrypt pomiarowy, który będzie sterował rampą temperaturową 70-20 °C oraz procesem zbierania danych. Wybierz zakres dyskretnych punktów temperatury, aby najlepiej pokryć cały zakres w ramach danych ograniczeń czasowych, na przykład co 2 °C. Dla każdego punktu na rampie wprowadź do skryptu 3 oddzielne wpisy: zmianę na żądaną temperaturę, okres oczekiwania (~15 minut) w celu termicznego wyrównania układu przed pomiarem rozpraszania oraz sam pomiar rozpraszania przeprowadzony w odpowiednim czasie trwania, aby osiągnąć wymaganą liczbę zliczeń detektora.</li>
		<li>Po przygotowaniu instrumentu i skryptu uruchom skrypt i rozpocznij eksperyment. Pamiętaj, aby zebrać również dane dla rozpuszczalnika i pustej komórki (bez rampy temperaturowej). Dodatkowo zbierz dane o transmisji dla każdej próbki oraz pomiar dla wiązki zablokowanej.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Eksperymenty SANS w środowisku „jasnym”
	<ol>
		<li>Po zakończeniu eksperymentu „ciemnego” wyjmij próbki z uchwytu, umieść je na stabilnym blacie i usuń całą folię aluminiową, przestrzegając protokołów bezpieczeństwa radiacyjnego.</li>
		<li>Ustaw oświetlacz optyczny z halogenowym źródłem światła w pobliżu uchwytu próbki w taki sposób, aby wiązki efektywnie oświetlały gniazdo próbki w uchwycie powiązanym z pozycją pomiaru rozpraszania.</li>
		<li>Używając skalibrowanego luksomierza, zarejestruj natężenie światła dostarczanego przez oświetlacz przy maksymalnej intensywności w miejscu, w którym znajdzie się próbka. Wartości natężenia będą się różnić w zależności od konfiguracji oświetlacza i uchwytu próbki, jednak pożądane jest natężenie oświetlenia wynoszące co najmniej 5 0 luksów.</li>
		<li>Po prawidłowym zamontowaniu układu oświetlenia ponownie umieść próbki w uchwycie, upewnij się, że oświetlacz prawidłowo oświetla aktywną próbkę, ponownie podgrzej do 70 °C, odczekaj do właściwego wyrównania i powtórz procedurę zbierania danych wykonaną dla próbek ciemnych, zapewniając nieprzerwaną, bezpośrednią ekspozycję na światło przez cały czas trwania tego kroku.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Eksperymenty USANS
	<ol>
		<li>Przygotuj próbki do USANS w podobny sposób, używając kwarcowych komórek typu banjo i umieszczając je w blokach miedzianych lub tytanowych w uchwycie próbki z kontrolą temperatury.</li>
		<li>Z pomocą naukowca odpowiedzialnego za instrument wyrównaj i skalibruj urządzenie, wykorzystując wymaganą liczbę buforów przy danej długości fali neutronów, aby umożliwić analizę wartości Q od około 10-5 do 10-3 Å-1, co pozwoli na badanie skal długości rzędu mikronów.</li>
		<li>Opracuj skrypt eksperymentalny w sposób podobny do eksperymentów SANS, uwzględniając wyrównanie termiczne i zbieranie danych dla każdej z temperatur badanych wcześniej.</li>
		<li>Powtórz eksperymenty SANS, wykonując skrypt raz w warunkach „ciemnych” i ponownie w warunkach „jasnych”.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Redukcja i analiza danych
<ol>
	<li>Redukcja i analiza danych SANS
	<ol>
		<li>Korzystając z odpowiedniego programu redukcji,32 wprowadź pliki danych dla pomiarów rozpraszania, tła (rozpuszczalnika), pustej kuwety, zablokowanej wiązki oraz transmisji, aby przeprowadzić prawidłowe odjęcie tła i przeliczyć dane o rozpraszaniu na bezwzględne jednostki natężenia w cm-1-1.</li>
		<li>Po odpowiednim zredukowaniu danych, należy rozpocząć analizę od dopasowania eksperymentalnych danych rozproszeniowych do modelu będącego liniową sumą dwóch równań dopasowujących, z których jedno reprezentuje agregaty nanofibryl za pomocą modelu cylindra eliptycznego,33 oraz inny, uwzględniający swobodne łańcuchy w roztworze poprzez model objętości wykluczonej polimeru.34,35 Poniższe równanie opisuje to podejście oparte na modelu kombinacyjnym: 
		<img alt="Wzór na intensywność I(q) w rozpraszaniu pod małymi kątami, prezentujący analizę danych; wizualizacja równania." src="/files/ftp_upload/56163/56163eq1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 1"> 
		W tym równaniu ϕP3HT opisuje całkowity ułamek objętościowy P3HT w roztworze, <img alt="Symbol Φ_ECM dla potencjału elektrochemicznego w równaniach i badaniach naukowych." src="/files/ftp_upload/56163/56163eq2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 2"> jest ułamkiem objętościowym zagregowanego P3HT, który jest obecny i modelowany jako cylinder eliptyczny, PPEV czy jest to czynnik kształtu objętości wykluczonej dla wolnego łańcucha P3HT, Pmacierz pozakomórkowa opisuje eliptyczny kształt cylindryczny agregatów oraz <img alt="równanie Δρ&lt;sub&gt;ECM&lt;/sub&gt;, równowaga statyczna, analiza naukowa, reprezentacja wzoru" src="/files/ftp_upload/56163/56163eq3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 3"> i <img alt="symbol ΔρPEV; oznacza zmianę parametru; istotny w obliczeniach lub równaniach naukowych." src="/files/ftp_upload/56163/56163eq4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 4"> odpowiednio gęstości kontrastu rozproszenia (SLD) pomiędzy agregatami P3HT a rozpuszczalnikiem oraz pomiędzy wolnymi łańcuchami P3HT a rozpuszczalnikiem. Wartości SLD dla wszystkich komponentów układu można obliczyć, znając ich skład chemiczny i gęstość masy, korzystając z kalkulatora SLD dostępnego w ramach większości programów do analizy neutrowej lub online.36</li>
		<li>Po przeprowadzeniu odpowiednich procedur dopasowania z wykorzystaniem makr dopasowujących NCNR Igor37 Za pomocą programu dopasowującego SASView wyznacz wartości kluczowych parametrów strukturalnych dla systemu żelowego w każdej temperaturze, zarówno w warunkach oświetlenia, jak i w ciemności, co pozwoli na ilościowe określenie ewolucji morfologicznej zachodzącej w tym procesie w funkcji temperatury i ekspozycji na światło. Parametry strukturalne te obejmują pola przekroju nanofibryli, promień gyracji wolnych łańcuchów (Rg) oraz wykładnik Poroda, a także jakościowa ocena całkowitej ilości materiału obecnego w fazie nanofibrylarnej.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Redukcja i analiza USANS
	<ol>
		<li>Korzystając z odpowiedniego programu do redukcji danych, wprowadź dane rozpraszania oraz dane tła dla każdego buforu, aby scalić dane w jedną zredukowaną krzywą w jednostkach intensywności absolutnej cm⁻¹-1.</li>
		<li>Przeanalizuj dane, stosując model prawa potęgowego Guiniera-Poroda, który umożliwia ilościową ocenę wzorców rozpraszania agregatów badanych w skali długości USANS oraz pozwala na wyznaczenie promienia agregatu Rg wartości.38 Dopasuj dane za pomocą tej metody, korzystając z makr dopasowujących NCNR Igor.37 lub programu do dopasowywania SASView, aby umożliwić porównanie promienia makroagregatów Rg przy wszystkich temperaturach i warunkach oświetlenia.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Günes, S., Neugebauer, H., Sariciftci, N. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Conjugated+Polymer-Based+Organic+Solar+Cells%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Rev%22%5BJournal%5D)">Conjugated Polymer-Based Organic Solar Cells.</a> Chem. Rev. 107 (4), 1324-1338 (2007).</li>
<li>Burroughes, J. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.nature.com/nature/journal/v347/n6293/abs/347539a0.html">Light-Emitting Diodes Based on Conjugated Polymers.</a> Letters to Nature. 347, 539-541 (1990).</li>
<li>Coakley, K. M., McGehee, M. D. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/cm049654n">Conjugated Polymer Photovoltaic Cells.</a> Chem. Mater. 16 (23), 4533-4542 (2004).</li>
<li>Tyler McQuade, D., Pullen, A. E., Swager, T. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Conjugated+Polymer-Based+Chemical+Sensors%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Rev%22%5BJournal%5D)">Conjugated Polymer-Based Chemical Sensors.</a> Chem. Rev. 100 (7), 2537-2574 (2000).</li>
<li>Wang, X., et al. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/-/content/articlelanding/2013/tc/c3tc30257a/">Self-Stratified Semiconductor/dielectric Polymer Blends: Vertical Phase Separation for Facile Fabrication of Organic Transistors.</a> J. Mater. Chem. C. 1 (25), 3989(2013).</li>
<li>Segalman, R., McCulloch, B., Kirmayer, S., Urban, J. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ma901350w">Block Copolymers for Organic Optoelectronics.</a> Macromolecules. 42 (23), 9205-9216 (2009).</li>
<li>Chen, H., Hsiao, Y., Hu, B., Dadmun, M. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/ta/c4ta01436g/">Control of Morphology and Function of Low Band Gap Polymer-bis-Fullerene Mixed Heterojunctions in Organic Photovoltaics with Selective Solvent Vapor Annealing.</a> J. Mater. Chem. A. 2, 9883(2014).</li>
<li>Li, Y., Vamvounis, G., Holdcroft, S. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ma020140o">Tuning Optical Properties and Enhancing Solid-State Emission of Poly (Thiophene) S by Molecular Control: A Postfunctionalization Approach.</a> Macromolecules. 35, 6900-6906 (2002).</li>
<li>Nguyen, T. -Q., Martini, I. B., Liu, J., Schwartz, B. J. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jp993190c">Controlling Interchain Interactions in Conjugated Polymers: The Effects of Chain Morphology on Exciton−,Exciton Annihilation and Aggregation in MEH−,PPV Films.</a> J. Phys. Chem. B. 104 (2), 237-255 (2000).</li>
<li>Chen, H., Hu, S., Zang, H., Hu, B., Dadmun, M. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201202035/abstract">Precise Structural Development and Its Correlation to Function in Conjugated Polymer: Fullerene Thin Films by Controlled Solvent Annealing.</a> Adv. Funct. Mater. 23, 1701-1710 (2013).</li>
<li>Schwartz, B. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Conjugated+Polymers+as+Molecular+Materials%3A+How+Chain+Conformation+and+Film+Morphology+Influence+Energy+Transfer+and+Interchain+Interactions%5BTitle%5D)+AND+%22Annu.+Rev.+Phys.+Chem%22%5BJournal%5D)">Conjugated Polymers as Molecular Materials: How Chain Conformation and Film Morphology Influence Energy Transfer and Interchain Interactions.</a> Annu. Rev. Phys. Chem. 54 (3), 141-172 (2003).</li>
<li>Haugeneder, A., et al. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/229428745_Exciton_Diffusion_and_Dissociation_in_Conjugated_PolymerFullerene_Blends_and_Heterostructures">Exciton Diffusion and Dissociation in Conjugated Polymer/fullerene Blends and Heterostructures.</a> Phys. Rev. B. 59 (23), 15346-15351 (1999).</li>
<li>Sirringhaus, H., et al. <a target="_blank" href="https://www.nature.com/nature/journal/v401/n6754/full/401685a0.html">Two-Dimensional Charge Transport in Self-Organized, High-Mobility Conjugated Polymers.</a> Nature. 401 (6754), 685-688 (1999).</li>
<li>Al-Ibrahim, M., Ambacher, O., Sensfuss, S., Gobsch, G. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.1929875">Effects of Solvent and Annealing on the Improved Performance of Solar Cells Based on poly(3-Hexylthiophene): Fullerene.</a> Appl. Phys. Lett. 86, 201120(2005).</li>
<li>Koppe, M., et al. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ma9005445">Influence of Molecular Weight Distribution on the Gelation of P3HT and Its Impact on the Photovoltaic Performance.</a> Macromolecules. 42, 4661-4666 (2009).</li>
<li>Malik, S., Jana, T., Nandi, A. K. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ma000977o">Thermoreversible Gelation of Regioregular poly(3-Hexylthiophene) in Xylene.</a> Macromolecules. 34 (2), 275-282 (2001).</li>
<li>Xu, W., et al. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2012/sm/c1sm06482g/">Sol–gel Transition of poly(3-Hexylthiophene) Revealed by Capillary Measurements: Phase Behaviors, Gelation Kinetics and the Formation Mechanism.</a> Soft Matter. 8, 726(2012).</li>
<li>Chan, K. H. K., Yamao, T., Kotaki, M., Hotta, S. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0379677910004182">Unique Structural Features and Electrical Properties of Electrospun Conjugated Polymer poly(3-Hexylthiophene) (P3HT) Fibers.</a> Synth. Met. 160 (23-24), 2587-2595 (2010).</li>
<li>Wicklein, A., Ghosh, S., Sommer, M., Würthner, F., Thelakkat, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Self-Assembly+of+Semiconductor+Organogelator+Nanowires+for+Photoinduced+Charge+Separation%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Self-Assembly of Semiconductor Organogelator Nanowires for Photoinduced Charge Separation.</a> ACS Nano. 3 (5), 1107-1114 (2009).</li>
<li>Newbloom, G. M., Weigandt, K. M., Pozzo, D. C. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ma202564k">Electrical, Mechanical, and Structural Characterization of Self-Assembly in poly(3-Hexylthiophene) Organogel Networks.</a> Macromolecules. 45, 3452-3462 (2012).</li>
<li>Li, L., Tang, H., Wu, H., Lu, G., Yang, X. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S156611990900202X">Effects of Fullerene Solubility on the Crystallization of poly(3-Hexylthiophene) and Performance of Photovoltaic Devices.</a> Org. Electron. physics, Mater. Appl. 10 (7), 1334-1344 (2009).</li>
<li>Bu, L., Pentzer, E., Bokel, F. A., Emrick, T., Hayward, R. C. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn3043836">Growth of Polythiophene / Perylene Tetracarboxydiimide Donor / Acceptor Shish-Kebab Nanostructures by Coupled Crystal Modi Fi Cation.</a> ACS Nano. 6 (12), 10924-10929 (2012).</li>
<li>Yang, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanoscale+Morphology+of+High-Performance+Polymer+Solar+Cells%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Nanoscale Morphology of High-Performance Polymer Solar Cells.</a> Nano Lett. 5 (4), 579-583 (2005).</li>
<li>Newbloom, G. M., Kim, F. S., Jenekhe, S. a, Pozzo, D. C. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ma2000515">Mesoscale Morphology and Charge Transport in Colloidal Networks of Poly(3-Hexylthiophene).</a> Macromolecules. 44, 3801-3809 (2011).</li>
<li>Tretiak, S., Saxena, A., Martin, R., Bishop, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Conformational+Dynamics+of+Photoexcited+Conjugated+Molecules%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Conformational Dynamics of Photoexcited Conjugated Molecules.</a> Phys. Rev. Lett. 89 (9), 97402(2002).</li>
<li>Botiz, I., Freyberg, P., Stingelin, N., Yang, A. C. -M., Reiter, G. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ma400120z">Reversibly Slowing Dewetting of Conjugated Polymers by Light.</a> Macromolecules. 46, 2352-2356 (2013).</li>
<li>Botiz, I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Enhancing+the+Photoluminescence+Emission+of+Conjugated+MEH-PPV+by+Light+Processing%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Appl.+Mater.+Interfaces%22%5BJournal%5D)">Enhancing the Photoluminescence Emission of Conjugated MEH-PPV by Light Processing.</a> ACS Appl. Mater. Interfaces. 6 (7), 4974-4979 (2014).</li>
<li>Morgan, B., Dadmun, M. D. <a target="_blank" href="https://advanceseng.com/chemical-engineering/illumination-alters-structure-gels-formed-model-optoelectronic-material-p3ht/">Illumination Alters the Structure of Gels Formed from the Optoelectronic Material P3HT.</a> Polymer. 108, 313-321 (2017).</li>
<li>Morgan, B., Dadmun, M. D. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.macromol.6b00527">Illumination of Conjugated Polymer in Solution Alters Its Conformation and Thermodynamics.</a> Macromolecules. 49 (9), 3490-3496 (2016).</li>
<li>Ilavsk, M. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ma00231a019">Phase Transition in Swollen Gels. 2. Effect of Charge Concentration on the Collapse and Mechanical Behavior of Polyacrylamide Networks.</a> Macromolecules. 15, 782-788 (1982).</li>
<li>Tanaka, T. <a target="_blank" href="https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.40.820">Collapse of Gels and the Critical Endpoint.</a> Phys. Rev. Lett. 40 (12), 820-823 (1978).</li>
<li>NIST. SANS & USANS Data Reduction and Analysis. , Available from:
 <a target="_blank" href="https://www.ncnr.nist.gov/programs/sans/data/red_anal.html">https://www.ncnr.nist.gov/programs/sans/data/red_anal.html</a> (2017).</li>
<li>Feigin, L., Svergun, D. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aFeigin%2C+L+%22Structure+Analysis+by+Small-Angle+X-Ray+and+Neutron+Scattering%22">Structure Analysis by Small-Angle X-Ray and Neutron Scattering</a>. , Plenum. New York. (1987).</li>
<li>Mittelbach, P. Zur Rontgenkleinwinkelstreuung verdunnter kolloider systeme. Acta Phys. Austriaca. 14, 185-211 (1961).</li>
<li>Schulz, G. Z. Über die Kinetik der Kettenpolymerisationen. Z. Phys. Chem. 43, 25(1935).</li>
<li>NIST. Neutron activation and scattering calculator. , Available from:
 <a target="_blank" href="https://www.ncnr.nist.gov/resources/activation">https://www.ncnr.nist.gov/resources/activation</a> (2017).</li>
<li>Kline, S. R. <a target="_blank" href="http://scripts.iucr.org/cgi-bin/paper?do5025">Reduction and Analysis of SANS and USANS Data Using IGOR Pro.</a> J. Appl. Crystallogr. 39 (6), 895-900 (2006).</li>
<li>Guinier, A., Fournet, G. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aGuinier%2C+A+%22Small-Angle+Scattering+of+X-Rays%22">Small-Angle Scattering of X-Rays</a>. , John Wiley and Sons. New York. (1955).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Po pierwsze, patrząc na dane SANS w funkcji temperatury, wzrost współczynnika skali eliptycznego modelu cylindra wskazuje na wyraźny wzrost ilości P3HT obecnego w fazie nanofibryli, co jest zgodne z postępem procesu żelowania. Jednocześnie spadek wolnego łańcucha Rg w połączeniu ze wzrostem wykładnika Poroda ujawnia, że pogarszające się warunki termodynamiczne związane ze spadkiem temperatury powodują załamanie się łańcucha w łańcuchach P3HT nadal obecnych w roztworze. Wyniki te, w połączeniu z danymi USANS wy...

Sprzężone polimery obiecują funkcjonalne materiały, które mogą być wykorzystane w szerokiej gamie urządzeń, takich jak organiczne diody elektroluminescencyjne, organiczne półprzewodniki, czujniki chemiczne i organiczne fotowoltaiki. 1,2,3,4,5,6 Kluczowym aspektem wydajności w tych urządzeniach jest uporządkowanie i upakowanie sprzężonego polimeru w stanie stałym w warstwie aktywnej. 7,8,9,10,11,12,13,14 Ta morfologia jest w dużej mierze z góry zdeterminowana zarówno przez konformację łańcucha polimerowego w roztworze, jak i struktury, które ewoluują w miarę odlewania tych roztworów substratu i rozpuszczalnika usuwa się. Badając struktury obecne podczas typowego przejścia zol-żel modelowego polimeru optoelektronicznego w odpowiednim rozpuszczalniku, systemy te mogą być skutecznie modelowane i można uzyskać ilościowy wgląd w samoorganizację, która zachodzi podczas osadzania materiału. 15,16,17,18,19,20
Konkretnie, badamy wzorzec sprzężonego polimeru P3HT w deuterowanym rozpuszczalniku orto-dichlorobenzenu (ODCB), systemie polimer-rozpuszczalnik, który był szeroko stosowany ze względu na jego przydatność do różnych technik produkcji organicznych urządzeń elektronicznych. 23,24,25 W tym danym środowisku rozpuszczalnika, łańcuchy P3HT zaczynają się agregować pod wpływem odpowiednich bodźców środowiskowych, takich jak spadek temperatury lub utrata jakości rozpuszczalnika. Dokładny mechanizm tego procesu składania jest obecnie badany, a jedną z wiodących proponowanych ścieżek uważa się za stopniowy proces, w którym poszczególne cząsteczki P3HT π układają się w stos, tworząc blaszkowate nano-agregaty znane jako nanofibryle, które następnie same aglomerują, tworząc makroagregaty w skali większej mikronów. 24 Zrozumienie tych ścieżek i powstałych w ich wyniku struktur jest kluczem do prawidłowego przewidywania i wpływania na tworzenie optymalnych morfologii warstwy aktywnej urządzenia.
W kierunku tego ostatecznego celu, jakim jest dokładniejsze ukierunkowanie tworzenia tych aktywnych architektur warstwowych, istnieje potrzeba opracowania dodatkowych eksperymentalnych i przemysłowych metod nieniszczącej zmiany morfologii sprzężonego polimeru in situ. Jedna ze stosunkowo nowych metodologii koncentruje się na wykorzystaniu ekspozycji na światło jako niedrogiego sposobu zmiany morfologii łańcucha polimerowego, a zarówno wyniki obliczeniowe, jak i eksperymentalne wskazują na jej wykonalność. 25,26,27 Ostatnie prace naszego laboratorium wykazały istnienie indukowanej światłem zmiany w sprzężonej interakcji polimer-rozpuszczalnik w rozcieńczonym roztworze, prowadzącej do zauważalnej zmiany rozmiaru łańcucha polimerowego po oświetleniu. 30,31 Tutaj przedstawiamy protokół kontynuacji tej pracy poprzez skuteczne monitorowanie efektów wystawienia znacznie bardziej skoncentrowanego sprzężonego roztworu polimeru na bezpośrednie światło podczas procesu żelowania, który jest kierowany przez sterowaną termostatem rampę temperatury. Stosujemy rozpraszanie neutronów, ponieważ umożliwia ono rzetelną analizę parametrów strukturalnych układu polimer-rozpuszczalnik-zol-żel w skalach długości od angstremów do mikronów, co nie jest możliwe przy użyciu innych, bardziej powszechnych metod reologicznych lub spektroskopowych. 16,17,30,31 Tak więc, porównując prawidłowo przeanalizowane dane neutronowe o małym i bardzo małym kącie dla montażu żeli powstałych w świetle z identycznymi danymi zebranymi w całkowitej ciemności, różnice strukturalne spowodowane efektami sterowanymi oświetleniem mogą być kompleksowo zidentyfikowane i określone ilościowo.

<table><tbody><tr><td>M(106) poli(3-heksyliotiofen-2,5-diyl) (P3HT)</td><td>Ossila</td><td>104934-50-1</td><td>Sprzężony polimer</td></tr><tr><td>deuterowany 1,2 orto-dichlorobenzen (ODCB)</td><td>Sigma Aldrich</td><td>AC321260050</td><td>rozpuszczalnik</td></tr></tbody></table>

monitorowanie wpływu oświetlenia na strukturę sprzężonych żeli polimerowych z wykorzystaniem rozpraszania neutronów

Monitoring the Effects of Illumination on the Structure of Conjugated Polymer Gels Using Neutron Scattering

Demonstrujemy protokół skutecznego monitorowania procesu żelowania roztworu sprzężonego polimeru o wysokim stężeniu, zarówno w obecności, jak i bez ekspozycji na światło białe. Dzięki wprowadzeniu kontrolowanego wzrostu temperatury, żelowanie tych materiałów może być precyzyjnie monitorowane w miarę przechodzenia przez tę ewolucję strukturalną, która skutecznie odzwierciedla warunki występujące podczas fazy osadzania roztworu w produkcji organicznych urządzeń elektronicznych. Korzystając z rozpraszania neutronów pod małym kątem (SANS) i rozpraszania neutronów pod bardzo małym kątem (USANS) wraz z odpowiednimi protokołami dopasowania, określamy ilościowo ewolucję wybranych parametrów strukturalnych w całym tym procesie. Dokładna analiza wskazuje, że ciągła ekspozycja na światło przez cały proces żelowania znacząco zmienia strukturę ostatecznie utworzonego żelu. W szczególności na proces agregacji agregatów w skali nano(3-heksylotiofeno-2,5-diylo) (P3HT) negatywnie wpływa obecność oświetlenia, co ostatecznie prowadzi do opóźnienia wzrostu sprzężonych mikrostruktur polimerowych i tworzenia klastrów makroagregatów na mniejszą skalę.

Za pomocą eksperymentów SANS i USANS skutecznie monitorowano proces żelowania P3HT w d-ODCB, od stanu rozproszonego roztworu w 70 °C do stanu w pełni żelowanego w 20 °C. Eksperymenty te przeprowadzono zarówno w całkowitej ciemności, jak i pod wpływem białego światła. Rycina 1 przedstawia przykładowe krzywe zredukowanych danych SANS z tych doświadczeń, a przykład dopasowania krzywej pokazano na Rycynie 2. Na podstawie tych danych ...

Przedstawiono protokół analizy żeli utworzonych z optoelektronicznego sprzężonego polimeru poli(3-heksyliofen-2,5-diylu) (P3HT) przy użyciu rozpraszania neutronów pod małym i ultramałym kątem zarówno w obecności jak i bez oświetlenia.

Monitorowanie wpływu oświetlenia na strukturę sprzężonych żeli polimerowych z wykorzystaniem rozpraszania neutronów

We demonstrate a protocol to effectively monitor the gelation process of a high concentration solution of conjugated polymer both in the presence and ...

Ogólnym celem tego eksperymentu jest ilościowe określenie ewolucji strukturalnej polimerów sprzężonych podczas procesu żelowania w zależności od zmian temperatury oraz ekspozycji na światło in situ. Metoda ta może pomóc w udzieleniu odpowiedzi na kluczowe pytania dotyczące zachowania polimerów sprzężonych. Pozwala ona uzyskać wgląd w znaczenie obecności ekzytonu dla ich struktury i organizacji.Główną zaletą tej techniki jest to, że umożliwia ona nieinwazyjną i nieniszczącą analizę skal długości polimerów istotnych dla formy struktury podczas procesu żelowania polimeru sprzężonego. Aby rozpocząć procedurę, przefiltruj pięć gramów d4-ODCB o wysokiej czystości przez sito o oczkach 0,45 µm. Następnie umieść 0,34 g P3HT oraz 1,66 g przefiltrowanego d4-ODCB w szklanej fiolce o pojemności pięciu gramów zawierającej mieszadło magnetyczne.Zakręć fiolkę nakrętką z wyściółką z folii i uszczelnij ją plastikową folią parafinową. Owiń fiolkę folią aluminiową, aby całkowicie odciąć dopływ światła. Kluczowe jest zminimalizowanie ekspozycji próbki na światło otoczenia, takie jak fluorescencyjne oświetlenie pomieszczenia.Próbek nie należy pozostawiać na blatach ani w strefach przygotowawczych bez odpowiedniej osłony przed światłem. Mieszać roztwór w temperaturze 70 °C przez co najmniej od jednej do trzech godzin. Jeśli roztwór nie jest jeszcze jednorodny, należy kontynuować mieszanie go w temperaturze 70 °C.Po uzyskaniu jednorodnego roztworu, należy podgrzać szklaną pipetę do 70 °C w piekarniku. Za pomocą podgrzanej pipety szybko przenieść lepki roztwór do czystej i suchej kwarcowej kuwety typu banjo o grubości od jednego do dwóch milimetrów. Zakryć kuwetę i uszczelnić ją plastikową folią parafinową.Owiń ogniwo w folię aluminiową lub przechowuj je w pojemniku chroniącym przed światłem. W celu przygotowania tła przygotuj ogniwo typu banjo zawierające wyłącznie przefiltrowany d4-ODCB oraz puste ogniwo typu banjo. Przed rozpoczęciem eksperymentu sprawdź, czy stolik z próbką instrumentu jest wyposażony w układy kontroli temperatury umożliwiające regulację w zakresie od 70 do 20 stopni Celsjusza.Umieść próbki i komórki tła w odpowiednio dobranym bloku trzymającym i opisz uchwyty. Owiń blok folią aluminiową o grubości 0,1 mm, aby odciąć dostęp światła podczas przenoszenia próbek na stoły pomiarowy. Rozwiń próbki, zamocuj je w stole pomiarowym, a następnie przykryj stół pomiarowy folią aluminiową.Wyrównaj i skalibruj instrument SANS. Ustaw odległość detektora blisko jego maksymalnego ustawienia. Na podstawie szybkości zliczeń dla próbki P3HT oraz ślepej próby rozpuszczalnika określ odpowiedni czas rozpraszania dla eksperymentu.Skonfiguruj skrypty ogrzewania próbek tak, aby temperatura spadała stopniowo od 70 do 20 stopni Celsius, z 15-minutowym utrzymaniem na każdym punkcie rampy w czasie rozpraszania. Ogrzej stolik z próbką do 70 stopni Celsius i utrzymuj tę temperaturę przez 15 minut w celu wyrównania stanu próbki. Pozyskaj dane SANS, dane transmisyjne oraz pomiar zablokowanej wiązki dla próbki.Pozyskaj dane SANS w temperaturze pokojowej zarówno dla blanku rozpuszczalnika, jak i dla pustej celi. Po zakończeniu eksperymentu w ciemności usuń folię aluminiową z podstawy próbki. Ustaw iluminator optyczny z halogenowym źródłem białego światła w taki sposób, aby slot na próbkę w pozycji zbierania rozproszenia był w pełni oświetlony.Zmierz i zapisz maksymalne natężenie światła w pozycji próbki. W razie potrzeby dostosuj oświetlacz, aby uzyskać natężenie co najmniej 5 000 lux. Próbkę doprowadź do stanu równowagi w temperaturze 70 °C, a następnie zbierz dane próbki i tła, stosując dokładnie tę samą procedurę, która była użyta w eksperymencie w ciemności.Przetworzono i przeanalizowano dane w celu wyznaczenia kluczowych parametrów strukturalnych. Zredukowane dane SANS dopasowano do liniowej kombinacji równań dopasowujących, reprezentujących agregaty nanofibryli za pomocą modelu cylindra eliptycznego oraz wolne łańcuchy w roztworze za pomocą modelu objętości wykluczonej polimeru. Zaobserwowano, że intensywność absolutna wzrastała wraz ze spadkiem temperatury zarówno w eksperymentach w ciemności, jak i naświetlonych.Wyraźna różnica między eksperymentami w ciemności i w świetle dla każdej temperatury wskazuje, że ekspozycja na światło znacząco wpłynęła na agregację P3HT. Poszczególne parametry strukturalne zostały wyodrębnione z dopasowanego modelu łączonego. Powierzchnia nanofibryli była konsekwentnie większa w przypadku próbek badanych w ciemności.Współczynnik skali modelu cylindra eliptycznego, opisujący ilość P3HT w fazie agregatów, był również większy dla próbek ciemnych. Promień bezwładności wolnych łańcuchów był konsekwentnie mniejszy, a wykładnik Poroda wyższy dla próbek ciemnych. Przy użyciu niskokątnego rozpraszania neutronów stwierdzono, że promień bezwładności agregatów był większy dla próbek ciemnych w niższych temperaturach.Ogólnie dane wskazują, że ekspozycja na światło utrudniała agregację P3HT. Po opanowaniu technika ta powinna zająć od trzech do czterech godzin dla każdej próbki. Podczas wykonywania tej procedury należy pamiętać o wyborze odpowiedniego modelu dopasowania, który obejmuje cały interesujący zakres długości.Przegląd literatury, badania oraz optymalizacja metodą prób i błędów pomogą w znalezieniu najbardziej odpornego modelu dopasowania, który najlepiej odpowiada Twojemu systemowi przy minimalnej rozbieżności resztowej.

monitoring-effects-illumination-on-structure-conjugated-polymer-gels

Research

JoVE Journal

Chemistry

Chemia

Poczyniono postępy w wykorzystaniu rozpraszania częstości występowania echa spinowego (SERGIS) jako techniki rozpraszania neutronów do badania skal długości w próbkach o nieregularnym charakterze. Krystality estru metylowego kwasu [6,6]-fenylo-C61-masłowego przebadano techniką SERGIS, a wyniki potwierdzono mikroskopią sił optycznych i atomowych.

Wykorzystanie neutronowego echa spinowego do rozwiązania problemu rozpraszania padania w celu zbadania organicznych materiałów ogniw słonecznych

Przedstawiono metodę funkcjonalizacji nanorurek węglowych z polimerowymi warstwami enkapsulacyjnymi o zmiennej strukturze oraz charakterystyki strukturalnej za pomocą rozpraszania neutronów pod małym kątem.

Funkcjonalizacja jednościennych nanorurek węglowych z termoodwracalnymi kopolimerami blokowymi i charakterystyka za pomocą rozpraszania neutronów pod małym kątem

Tutaj prezentujemy niezawodną metodę monitorowania inkorporacji nanocząstek do matrycy gospodarza polimeru poprzez enkapsulację pęcznienia. Pokazujemy, że stężenie powierzchniowe kropek kwantowych selenku kadmu można dokładnie zobrazować za pomocą przekrojowego obrazowania fluorescencyjnego.

Zaawansowana analiza składu kompozytów nanocząstkowo-polimerowych z wykorzystaniem bezpośredniego obrazowania fluorescencyjnego

Polimeryzacja wytrącająca bez mieszania zapewnia szybkie, powtarzalne podejście do prototypowania syntezy wrażliwych na bodźce mikrożeli poli(N-izopropyloakrylamidowych) o wąskim rozkładzie rozmiarów. W tej syntezie protokołu demonstruje się charakterystykę rozpraszania światła i śledzenie fluorescencji pojedynczych cząstek tych mikrożeli w mikroskopii szerokokątnej.

Kontrolowana synteza i śledzenie fluorescencji wysoce jednorodnych mikrożeli poli(N-izopropyloakrylamidowych)

Tutaj prezentujemy protokół do badania miękkiej materii i systemów biofizycznych w szerokiej mezoskopowej skali długości, od nm do μm, która obejmuje użycie dyfraktometru KWS-2 SANS o wysokiej intensywności i regulowanej rozdzielczości.

Badanie miękkiej materii i układów biologicznych w szerokiej skali długości od rozmiarów nanometrów i mikrometrów na małokątowym dyfraktometrze neutronowym KWS-2

Tutaj prezentujemy protokoły analiz detekcji różnicowej czasowo-rozdzielczej spektroskopii oscylacyjnej w podczerwieni i dyfrakcji elektronów, które umożliwiają obserwacje deformacji lokalnych struktur wokół fotowzbudzonych cząsteczek w kolumnowym ciekłym krysztale, dając atomową perspektywę na związek między strukturą a dynamiką tego fotoaktywnego materiału.

Nowatorskie techniki obserwacji dynamiki strukturalnej fotoczułych ciekłych kryształów

Tutaj prezentujemy, jak można wykorzystać rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego pod małym kątem (SAXS) do uzyskania informacji o obwiedniach o niskiej rozdzielczości reprezentujących struktury makromolekularne. W połączeniu z technikami strukturalnymi o wysokiej rozdzielczości, takimi jak krystalografia rentgenowska i magnetyczny rezonans jądrowy, SAXS może dostarczyć szczegółowych informacji na temat wielodomenowych białek i kompleksów makromolekularnych w roztworze.

Badania strukturalne makrocząsteczek w roztworze z wykorzystaniem rozpraszania promieniowania rentgenowskiego pod małym kątem

Obecny protokół opisuje metody badania struktury i dynamiki dwóch modelowych białek, które odgrywają ważną rolę w zdrowiu człowieka. Technika ta łączy laboratoryjną charakterystykę biofizyczną ze spektroskopią echa spinowego neutronów, aby uzyskać dostęp do dynamiki w skalach czasu i długości istotnych dla ruchów międzydomenowych białek.

Badanie dynamiki białek za pomocą spektroskopii neutronowego echa spinowego

Ten protokół przedstawia wykorzystanie środowiska próbek o zatrzymanym przepływie do szybkiego mieszania wielu płynnych roztworów in situ podczas pomiaru rozpraszania neutronów pod małym kątem oraz do badania procesów kinetycznych w skali nanometrowej i drugiej skali czasowej.

Pomiar ewolucji w czasie materiałów w nanoskali z zatrzymanym przepływem i rozpraszaniem neutronów pod małym kątem

Spektroskopia wstecznego rozpraszania neutronów oferuje nieniszczący i wolny od znaczników dostęp do dynamiki ps-ns białek i wody do ich hydratacji. Przebieg pracy przedstawiono w dwóch badaniach nad białkami amyloidowymi: nad czasowo-rozdzielczą dynamiką lizozymu podczas agregacji oraz nad dynamiką wody hydratacyjnej tau po tworzeniu włókien.

Spektroskopia neutronów o wysokiej rozdzielczości do badania dynamiki pikosekund-nanosekund białek i wody hydratacyjnej

Opisujemy procedurę stosowaną do zbierania pomiarów fotoreologicznych in situ materiałów polimerowych ulegających światłoczułym przemianom ciecz w ciało stałe.

In situ Fotoreologia monitoruje zmiany lepkosprężyste w światłoczułych sieciach polimerowych

Poznaj metodę analizy żeli polimerowych P3HT przy użyciu rozpraszania neutronów SANS i USANS. Technika ta pozwala nieinwazyjnie badać ewolucję strukturalną polimerów sprzężonych pod wpływem temperatury i światła.

Monitorowanie wpływu oświetlenia na strukturę sprzężonych żeli polimerowych z wykorzystaniem rozpraszania neutronów

Przeglądaj więcej filmów