Forskere identificerer bristepunktet for at udføre materiale

En forbedret metode til at forudsige temperaturen, når plastik skifter fra smidig til skør, som potentielt kan fremskynde fremtidig udvikling af fleksibel elektronik, blev udviklet af Penn State College of Engineering-forskere.

Næste generation af fleksibel elektronik, såsom bøjelige skærme og medicinske implantater, vil stole på halvledermaterialer, der er mekanisk fleksible. Nøjagtige forudsigelser af temperaturen, når der opstår skørhed, kendt som glasovergangstemperaturen, er afgørende for at designe ledende polymerer, der forbliver fleksible ved stuetemperatur.

"Tidligere arbejde med at forudsige glasovergangen af ​​polymerer var baseret på komplekse, multi-parameter modeller, men førte ikke desto mindre til dårlig nøjagtighed, " sagde Enrique Gomez, professor i kemiteknik og hovedforsker. "Ud over, nøjagtige eksperimentelle målinger af glasovergangen af ​​konjugerede polymerer er udfordrende."

Alle polymerer bliver skøre, når de afkøles. Imidlertid, nogle polymerer, såsom polystyren brugt i Styrofoam kopper, bliver sprøde ved temperaturer højere end stuetemperatur, mens andre polymerer, såsom polyisopren brugt i gummibånd, bliver sprøde ved meget lavere temperaturer.

Renxuan Xie, tidligere ph.d.-studerende ved Penn State og nu postdoc-forsker ved University of California i Santa Barbara, fundet en måde at måle glasovergangstemperaturer ved at holde styr på de mekaniske egenskaber, når der opstår skørhed, lægger grundlaget for at forstå sammenhængen mellem glasovergangen og strukturen. Opfølgende undersøgelser bestemte derefter glasovergangen for 32 forskellige polymerer ved at måle mekaniske egenskaber som funktion af temperatur.

"Dette fremskridt, kombineret med data for forskellige polymerer i vores senere undersøgelser, afslørede et simpelt forhold mellem den kemiske struktur og glasovergangen, " sagde Gomez. "Derfor, vi kan nu forudsige skørhedspunktet ud fra den kemiske struktur."

Ifølge Gomez, dette arbejde, rapporteret i et nyligt nummer af Naturkommunikation , giver forskere mulighed for at forudsige glasovergangstemperaturen ud fra den kemiske struktur af ledende polymerer, før de syntetiseres til brug i elektronik. De fleste i øjeblikket anvendte ledende polymerer er skøre og ufleksible, så dette fremskridt kunne accelerere udviklingen af ​​fleksibel elektronik.

"Selvom det lyder simpelt, vi er de første til at bruge de mekaniske egenskaber ved ledende polymerer til at måle glasovergangstemperaturen, " sagde Gomez. "Vi kombinerer data fra mange forskellige polymerer for at udlede et simpelt forhold, der forudsiger glasovergangstemperaturen baseret på den kemiske struktur på en mere nøjagtig måde end tidligere muligt."

Gomez' undersøgelse blev finansieret af en fire-årig, 1,75 millioner dollars tilskud tildelt i 2019 af National Science Foundation for at udforske integrationen af ​​teori, simuleringer og eksperimenter for at accelerere udviklingen af ​​fleksibel elektronik baseret på organiske forbindelser. De næste skridt for denne forskning, Gomez sagde, er mere omfattende test og udforskning af praktiske anvendelser.

"Vi vil nu bruge vores model til at designe ledende polymerer til at lave ultrafleksibel og strækbar elektronik, " sagde Gomez. "Vi ønsker også at presse vores model for at finde grænserne og se, hvor modellen går i stykker."