Una nueva técnica de polimerización totalmente seca utiliza vapores reactivos para crear películas delgadas con propiedades mejoradas, como resistencia mecánica, cinética y morfología. El proceso de síntesis es más respetuoso con el medio ambiente que la fabricación tradicional a alta temperatura o basada en soluciones y podría dar lugar a recubrimientos poliméricos mejorados para microelectrónica, baterías avanzadas y productos terapéuticos.

« Esta técnica escalable de polimerización por deposición de vapor químico iniciada nos permite fabricar nuevos materiales, sin rediseñar ni renovar toda la química. Simplemente agregamos un solvente ‘activo' », dijo Rong Yang, profesor asistente en la Escuela Smith de Química y Biomolecular. Ingeniería en Cornell Ingeniería. « Es un poco como un Lego. Te unes a una nueva pieza de conexión. Hay una tonelada que puedes construir ahora que no podías hacer antes ».

Esta imagen de micrografía muestra un recubrimiento de deposición de vapor químico iniciado realizado por el estudiante de doctorado Pengyu Chen en el laboratorio de Rong Yang, profesor asistente en la Escuela Smith de Ingeniería Química y Biomolecular en Cornell Engineering.

Yang colaboró ​​en el proyecto con Jingjie Yeo, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de Sibley, y Shefford Baker, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales.

El artículo del grupo, « Solvatación de ingeniería en la deposición química de vapor iniciada para el control de la cinética de polimerización y las propiedades del material », se publicó el 9 de febrero en Nature Synthesis. El autor principal es el estudiante de doctorado Pengyu Chen. Yang y Yeo son coautores principales.

La deposición química de vapor (CVD) es un proceso común que se utiliza para fabricar materiales de nanocapas inorgánicas libres de defectos en la fabricación de semiconductores y en la producción de microchips de computadora. Debido a que el proceso requiere que los materiales se calienten a miles de grados, a los polímeros orgánicos no les va bien. Las técnicas de polimerización CVD como CVD iniciado (iCVD) son contrapartes de baja temperatura desarrolladas para la síntesis de polímeros. Sin embargo, también es limitante, dijo Yang, porque « a lo largo de los años, la gente ha llegado al límite de la química que se puede hacer con este método ».

El laboratorio de Yang estudia cómo los polímeros depositados por vapor interactúan con los patógenos bacterianos y cómo las bacterias, a su vez, colonizan los revestimientos poliméricos, desde la pintura utilizada en los cascos de los barcos hasta el revestimiento de los dispositivos biomédicos. Ella y Chen buscaron desarrollar un enfoque diferente para diversificar los polímeros CVD tomando prestado un concepto de la síntesis de soluciones convencionales: el uso de un solvente « mágico », es decir, una molécula de vapor inerte, que no se incorpora al material final, sino que en su lugar interactúa con un precursor de una manera que produce nuevas propiedades materiales a temperatura ambiente.

« Es una química antigua pero con nuevas características », dijo Yang.

En este caso, el solvente interactuó con un monómero CVD común a través de enlaces de hidrógeno.

« Es un mecanismo novedoso, aunque el concepto es simple y elegante », dijo Chen. « Sobre la base de esta interesante estrategia, estamos desarrollando una ciencia robusta y generalizable de ingeniería de solvatación ».

Luego, Yang y Chen recurrieron a Yeo, cuyo laboratorio simuló la dinámica molecular detrás de la interacción del solvente y el monómero, y cómo se podría ajustar su estequiometría o equilibrio químico.

« Distinguimos los efectos de diferentes solventes a escala molecular y observamos claramente qué moléculas de solventes estaban más inclinadas a unirse con el monómero », dijo Yeo. « Por lo tanto, eventualmente podemos seleccionar qué piezas de Lego encajarán mejor entre sí ».

Los investigadores llevaron la película delgada resultante al laboratorio de Baker, que utilizó pruebas de nanoindentación para estudiarla y descubrió que el mecanismo de solvatación había fortalecido el material. El solvente también hizo que el revestimiento de polímero creciera más rápido y cambiara su morfología.

Este método ahora se puede aplicar a varios monómeros de metacrilato y vinilo, esencialmente para cualquier cosa con un recubrimiento de polímero, como los materiales dieléctricos en microelectrónica, el recubrimiento antiincrustante en cascos de barcos y las membranas de separación que permiten la purificación en el tratamiento de aguas residuales. La técnica también podría permitir a los investigadores manipular la permeabilidad de los productos farmacéuticos para la liberación controlada de fármacos.

« Esto agrega una nueva dimensión al diseño de materiales. Puede imaginar todo tipo de solventes que podrían formar enlaces de hidrógeno con el monómero y manipular la cinética de reacción de manera diferente. O puede tener moléculas de solventes incorporadas en su material de forma permanente, si diseña el molecular interacción correctamente », dijo Yang. « Hay mucho que explorar con este grado adicional de libertad en el futuro ».

Los coautores incluyen a Baker, Zheyuan Zhang ’21 MEng ’22 y Zach Rouse, MS ’19.

La investigación fue apoyada por la Fundación Nacional de Ciencias y la Oficina de Investigación Naval del Departamento de Marina de los EE. UU. y la Beca Fleming.

Los investigadores hicieron uso del Centro de Investigación de Materiales de Cornell, que cuenta con el apoyo del programa NSF MRSEC.