Het ferro-elektrische polymeer PVDF (polyvinylideenfluoride) heeft interessante eigenschappen en kan worden gebruikt om informatie of energie op te slaan. Een van de belangrijkste nadelen van PVDF is dat extra functionele groepen die worden toegevoegd om bepaalde eigenschappen te verbeteren, ook interfereren met de ferro-elektriciteit ervan. Om dit op te lossen, wetenschappers van de Rijksuniversiteit Groningen hebben blokcopolymeren gemaakt van PVDF die de ferro-elektriciteit intact laten, maar laat ze de kenmerken ervan afstemmen. Ze wilden niet alleen bestuderen hoe dit polymeer werkt, maar ook om het gebruik ervan uit te breiden met flexibele organische elektronica. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie op 6 februari.

PVDF-polymeren bezitten polaire structuren met dipolen die kunnen worden uitgelijnd met het aanleggen van een elektrisch veld. De oriëntatie van de dipolen kan worden omgekeerd door de richting van het elektrische veld te veranderen. Het materiaal vertoont dus schakelbaar gedrag, wat betekent dat het kan worden gebruikt voor informatieopslag. De aanwezigheid van dipolen in PVDF en de hoge diëlektrische constante betekent dat energieopslag in condensatoren ook een optie zou kunnen zijn, hoewel de ferro-elektriciteit de efficiëntie van dergelijke condensatoren zou verminderen.

Fase scheiding

Aanpassing van het materiaal zou dit probleem kunnen oplossen. "Echter, het modificeren van de moleculen door zijketens te bevestigen, beïnvloedt hun ferro-elektrische eigenschappen, " legt Ivan Terzic uit, een doctoraat student aan de afdeling Polymer Science van de Rijksuniversiteit Groningen en co-eerste auteur van de Natuurcommunicatie papier.

Samen met zijn collega Ph.D. student Niels Meereboer en hun begeleider, Professor Katja Loos, Terzic bedacht een manier om een ​​copolymeer van vinylideenfluoride en trifluorethyleen te produceren met een gefunctionaliseerde eindgroep die kan worden gekoppeld aan een isolerende polymeerketen om een ​​blokcopolymeer te vormen. Volgende, de wetenschappers toonden aan dat het materiaal kleine domeinen vormt op nanometerschaal door fasescheiding tussen de blokken. Deze domeinen nemen verschillende vormen aan:lamellaire, cilindrisch of bolvormig, afhankelijk van de verhouding tussen de blokken bijvoorbeeld.

Vrijstaande films

Terzic zegt, "Anderen hebben geprobeerd PVDF-blokcopolymeren te maken, maar ze konden alleen blokken maken met korte polymeerketens. In dat geval, de blokken vermengen zich en vertonen geen fasescheiding."

Door het type blok te variëren en blokcopolymeren van voldoende lengte te bereiden, de wetenschappers waren in staat om de eigenschappen van het materiaal af te stemmen. Een belangrijk onderdeel van dit werk was het vermogen om vrijstaande films van het polymeer te maken met bevredigende mechanische eigenschappen. Hierdoor konden ze de eigenschappen van het materiaal onderzoeken.

Terzic gebruikte blokcopolymeren om de interacties tussen PVDF en anorganische nano-objecten te verbeteren en om hun dispersie in het polymeer te verbeteren. Bijvoorbeeld, magnetische nanodeeltjes kunnen aan de PVDF worden toegevoegd om een ​​multiferroïsch materiaal te produceren dat zowel ferro-elektrische als ferromagnetische eigenschappen heeft, wat betekent dat het kan worden gekoppeld. Verder, het veranderen van het gedrag van PVDF zou het terugwinnen van energie efficiënter kunnen maken. "Dat zou ons in staat stellen een zeer efficiënte condensator te maken die overal kan worden gebruikt waar opgeslagen energie snel moet worden vrijgegeven, zoals in defibrillatoren of om gelijkstroom van zonnepanelen om te zetten in wisselstroom."

De auteurs hebben een toolbox gecreëerd voor de productie van op PVDF gebaseerde blokcopolymeren met afstembare eigenschappen. "We kunnen dit gebruiken om ons begrip van de ferro-elektrische en andere eigenschappen van PVDF te vergroten, maar ook voor nieuwe toepassingen, " zegt Terzic. "Het biologische PVDF is flexibel, lichtgewicht en niet giftig, in tegenstelling tot sommige anorganische ferro-elektriciteit die vaak lood bevat. En het is bio-compatibel, dus medische toepassingen zijn een andere interessante mogelijkheid."