Ferroelektriske polymerer gjort mere alsidige

Den ferroelektriske polymer PVDF (polyvinylidenfluorid) har interessante egenskaber og kan bruges til at lagre information eller energi. En af de største ulemper ved PVDF er, at ekstra funktionelle grupper tilføjet for at forbedre visse egenskaber også interfererer med dets ferroelektricitet. For at løse dette, forskere fra University of Groningen har skabt blokcopolymerer fra PVDF, der efterlader sin ferroelektricitet intakt, men tillad dem at justere dens egenskaber. De ønskede ikke kun at studere, hvordan denne polymer virker, men også for at udvide brugen til at omfatte fleksibel organisk elektronik. Resultaterne blev offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation den 6. februar.

PVDF-polymerer har polære strukturer med dipoler, der kan justeres med påføringen af ​​et elektrisk felt. Orienteringen af ​​dipolerne kan vendes ved at ændre retningen af ​​det elektriske felt. Materialet viser således omskiftelig adfærd, hvilket betyder, at den kan bruges til informationslagring. Tilstedeværelsen af ​​dipoler i PVDF og dens høje dielektriske konstant betyder, at energilagring i kondensatorer også kunne være en mulighed, selvom dens ferroelektricitet ville reducere effektiviteten af ​​sådanne kondensatorer.

Faseadskillelse

Ændring af materialet kan løse dette problem. "Imidlertid, at modificere molekylerne ved at fæstne sidekæder påvirker deres ferroelektriske egenskaber, " forklarer Ivan Terzic, en ph.d. studerende ved University of Groningen's Department of Polymer Science og med-førsteforfatter af Naturkommunikation papir.

Sammen med sin ph.d.-kollega. studerende Niels Meereboer og deres vejleder, Professor Katja Loos, Terzic udtænkte en måde at fremstille en copolymer af vinylidenfluorid og trifluorethylen med en funktionaliseret endegruppe, der kan bindes til en isolerende polymerkæde for at danne en blokcopolymer. Næste, forskerne viste, at materialet danner små domæner på nanometerskala gennem faseadskillelse mellem blokkene. Disse domæner har forskellige former - lamellære, cylindrisk eller sfærisk, for eksempel – afhængigt af forholdet mellem blokkene.

Fritstående film

Terzic siger, "Andre har forsøgt at fremstille PVDF-blokcopolymerer, men de kunne kun producere blokke med korte polymerkæder. I det tilfælde, blokkene blandes og viser ingen faseadskillelse."

Ved at variere typen af ​​blok og forberede blokcopolymerer af tilstrækkelig længde, forskerne var i stand til at tune materialets egenskaber. En vigtig del af dette arbejde var evnen til at lave fritstående film af polymeren med tilfredsstillende mekaniske egenskaber. Dette gav dem mulighed for at undersøge materialets egenskaber.

Terzic brugte blokcopolymerer til at forbedre interaktionerne mellem PVDF og uorganiske nanoobjekter og for at forbedre deres spredning af polymeren. For eksempel, magnetiske nanopartikler kan tilføjes til PVDF for at producere et multiferroisk materiale, der har både ferroelektriske og ferromagnetiske egenskaber, hvilket betyder at den kan kobles. Desuden, ændring af PVDFs adfærd kunne gøre energiudvindingen mere effektiv. "Det ville give os mulighed for at lave en meget effektiv kondensator, der kan bruges overalt, hvor lagret energi skal frigives hurtigt, som i defibrillatorer eller til at konvertere jævnstrøm fra solpaneler til vekselstrøm."

Forfatterne har skabt en værktøjskasse til fremstilling af PVDF-baserede blokcopolymerer med afstembare egenskaber. "Vi kan bruge dette til at øge vores forståelse af de ferroelektriske og andre egenskaber ved PVDF, men også til nye applikationer, " siger Terzic. "Den økologiske PVDF er fleksibel, let og ikke-giftig, i modsætning til nogle uorganiske ferroelektriske stoffer, der ofte indeholder bly. Og det er biokompatibelt, så medicinske applikationer er en anden interessant mulighed."