导电聚合物的新ID照片发现了ABBA的惊喜

有关共轭聚合物结构的第一张详细图片是由华威大学的Giovanni Costantini教授领导的研究小组制作的。

这些聚合物导电的能力使它们受到高度追捧，但直到现在它们也被描述为极度相机害羞，因为没有简单的手段来确定它们的结构。这项新技术不仅可以让研究人员确定它，而且可以用自己的眼睛清楚地看到它。

共轭聚合物能够导电，因为它们是共轭分子链，其中电子可以由于它们重叠的电子p轨道而自由移动。实际上，它们是优良的分子线。此外，它们类似于半导体材料(它们具有能隙)，因此它们可用于电子(塑料电子)和光伏(有机太阳能电池)应用。

现代功能聚合物通常是共聚物，即它们由(理想的常规)不同单体序列制成。这些单体的顺序对于它们的光电性质是必不可少的，这些性质可能因单体在链中实际连接形成聚合物的错误而被多次损坏(在这些材料的合成过程中发生所谓的聚合错误)。然而，用当前的分析方法检测这些误差的性质和确切位置已证明是有问题的。质谱法不提供解决方案，因为较短的聚合物链通常更可能被电离，因此在光谱中往往过多。

Costantini及其同事提出并实施了一种全新的方法来克服这一基本的分析问题。基本思想非常简单，但同时具有变革性：将聚合物沉积在表面上并通过高分辨率扫描隧道显微镜(STM)对其成像。这种方法有效地实现了理查德·费曼(Richard Feynman)在其着名的1959年演讲中的一个有远见的预测，即底部有很多房间，他说在未来“对任何复杂的化学物质进行分析是非常容易的;所有的必须做的就是看它，看看原子在哪里。“

STM的原子级分辨率对于这个目标是理想的，但问题仍然是聚合物分子链首先在真空中完整地沉积在原子清洁和平坦的表面上。这样做的常用方法包括加热分子材料直至其升华，但对于与聚合物一样大的分子，这有效地熔化了应该研究的结构。因此，作者选择了一种新的方法，通过一系列微小的开口将聚合物云喷射到真空室中，允许单个未混杂的层沉积在完全代表原始聚合物样品的表面上。这些层的STM产生了令人惊叹的分辨图像，清楚地揭示了共轭聚合物的亚单体细节。

华威大学的Giovanni Costantini教授带着来自帝国，剑桥和利物浦的同事领导的研究人员在2018年6月15日星期五科学进展中出现的题为“用眼睛测序共轭聚合物”的论文中公布了这些结果。他们的高分辨率共轭聚合物结构的STM图像非常详细，它们不仅有助于质量控制和聚合物设计的微调，而且它们甚至可以用作类似于聚合物的知识产权(IP)护照照片的东西。据推测，这些精确而清晰的图像可以帮助合成研究人员通过显着改善可用于支持知识产权保护应用的信息来准确地展示他们希望合法保护的设计。

在他们的论文中，研究人员通过检查共轭聚合物来证明新技术的强大功能：“聚四甲基 - 二酮吡咯并吡咯 - 呋喃 - 呋喃”。这是基于DPP的家族的共轭聚合物，目前在光电器件中显示出一些最佳性能。

当该聚合物链以一个大的“A”单体和一个较小的“B”单体的交替顺序形成时，该材料是最有效的。然而，在合成过程中可能发生缺陷，破坏了理想的序列，从而也损害了其吸引人的导电和捕光性能。迄今为止的推测是，这主要发生在两个较大的“A”单体在BAAB序列中直接连接在一起时。

当这些缺陷发生时，在共轭聚合物组件中形成间隙或空隙，与链中的那些误差相对应。华威大学领导的研究团队能够使用他们的新可视化技术非常清楚地显示所有这些间隙，然后进一步放大到聚合物链上，精确地发现每个有缺陷的单体序列。在这样做时，令他们惊讶的是，他们发现不是预期的BAAB缺陷而是ABBA缺陷。

华威大学化学系物理学家Giovanni Costantini教授说：

这种具有亚单体空间分辨率的共轭聚合物成像能力，使我们第一次能够通过简单地观察它来对聚合物材料进行测序。我们使用这种技术制作的第一批图像非常详细，当合成聚合物的研究人员首次看到它们时，他们喜出望外的印象让我想起新父母对婴儿的第一次超声波扫描的反应。

除了代表重大的技术突破外，这种将真空电喷雾沉积与高分辨率扫描隧道显微镜相结合的新技术还有可能彻底改变共轭聚合物应用相关领域的分析能力，而其他现有技术极为有限。