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  當前，聚合物的形成需要溶劑，這會破壞環境，但來自于美國能源部橡樹嶺國家實驗室的科學家們利用表面活性劑（類似于洗滌劑分子）作為模板已經找到了一種更加“綠色環保”的方式來控制光伏聚合物在水中的組裝。相關成果發表于英國皇家化學學會（Royal Society of Chemistry）旗下的Nanoscale期刊上。

  “采用表面活性劑實現聚合物自組裝為制備具有分子水平可控性的納米結構提供了巨大的潛力。”該論文通訊作者、ORNL散裂中子源（Spallation Neutron Source (SNS)）研究人員Changwoo Do如是說。

  該項目研究人員利用了美國能源部科學辦公室的三個用戶設施來合成和表征這些聚合物，分別是位于ORNL納米材料科學中心（Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS)）和SNS以及阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）的先進光子源（Advanced Photon Source (APS)）。

  “中子核X射線的散射是觀察這些結構的完美方法�！盌o如是說。

  該研究表明了利用中子核光學探針跟蹤分子動力學的價值。

  “我們希望制備出一種非常特殊的堆垛在溶液當中的聚合物，并轉化成無缺陷的薄膜，從而在光伏應用中實現電荷的快速輸運。我們的結果表明了，這可以通過對動力學和熱力學機理的理解，從而控制聚合物的聚集而實現�！痹撜撐墓餐ㄓ嵶髡咧弧NMS研究人員Ilia Ivanov如是說。

  這一成果為光電及傳感材料的設計提供了分子結構模塊。這種半導體聚合物的設計包含了一個疏水骨干和親水支鏈。水溶性支鏈使得這種可自組裝成有機光伏材料的聚合物生產更加“綠色環保”。研究人員將這種聚合物添加到含有表面活性劑分子的水溶液當中，其中表面活性劑同樣具有疏水和親水端。不同的溫度和濃度下，表面活性劑自組裝成不同的模板，誘導聚合物形成不同的納米尺度形狀——六邊形、球形膠束及片層狀。

  這種半導體聚合物當中，原子經組織使其容易共享電子。該研究為聚合物體系不同結構相以及重復形狀形成功能性晶體的自組裝生長提供了深入見解。這些晶體形成了光伏薄膜的基礎，可為沙漠、外太空等環境提供電力。

  “合理編碼的分子間相互作用導致了共軛聚合物在溶液中的分子幾何結構和分子間包裝方式，這是光電產品和納米技術中一直期望的。這項發展基本的阻礙在于原位表征難度�！痹撜撐牡谝蛔髡�、博士后研究人員Jiahua Zhu如是說。

  原位（“現場”）是指在現象（如分子形態發生改變）發生的同時進行測量。他們在已經觀察到現象的體系上分離出材料后、或者是現象被首次觀察到后改變測試條件以后才進行測量。該小組開發了一個測試室，可以在變化發生時利用光學探針進行表征。

  中子可在溶液中探測結構（Neutrons can probe structures in solutions）

  SNS（世界上最高強度的脈沖中子束）的專業知識和設備使人們有可能發現功能光伏聚合物在綠色環保溶劑中的自組裝。相反的，通過選擇性氘化技術來提高中子散射的效果，聚合物當中的特殊氫原子被更重的氘原子所取代——提高了對比效果。CNMS非常擅長后一項技術。

  “我們需要能夠看到這些分子隨時間變化，從液態到固態變化時到底發生了什么�！痹撜撐淖髡逤NMS的Bobby Sumpter說到，“這很困難，但對于聚合物和生物分子等來說，中子是你能想到的最好探頭。”他們提供的信息可引導先進材料的設計。

  結合中子散射、高通量數據分析、理論、模型和仿真，科學家們開發出了一個檢測相變的測試室，跟蹤分子在變化溫度、壓力、濕度、光、溶劑組成等條件下的狀態，從而使研究人員可以評估隨著時間及其他條件的變化，材料發生了什么樣的變化從而提高其性能。

  科學家將樣品放置在測試室內，并運用不同的測試儀器進行測試。測試室有一面透明，可使激光束進入從而對材料進行探測。探測模式——包括光子、電荷、磁自旋，并輔以高性能計算機——可以同時在寬范圍內對要表征的物質進行操作。這個測試室未來將采用中子和X射線作為附加及互補的探針。

  “原位技術在光電性能發生變化的同時測量材料的結果，可以獲取材料在溶液和薄膜中動力學和熱力學的變化信息。它為研究完全組裝的光伏電池和亞穩態結構開辟了一個機會，可能會導致未來功能材料的獨特性質�！�

  鑒于目前關于升溫過程中相變的研究（即亞穩態和化學反應），下一步原位診斷將會對其在高壓下進行表征。此外，研究人員將實施神經網絡來分析具有多個反饋的復雜非線性過程。

  發表于Nanoscale期刊上的論文標題為“液態共軛聚合物的分子順序控制”（Controlling molecular ordering in solution-state conjugated polymers）。