Een verbeterde methode om de temperatuur te voorspellen wanneer kunststoffen veranderen van soepel naar broos, die de toekomstige ontwikkeling van flexibele elektronica mogelijk zou kunnen versnellen, is ontwikkeld door onderzoekers van het Penn State College of Engineering.

Flexibele elektronica van de volgende generatie, zoals buigbare displays en medische implantaten, zal vertrouwen op halfgeleidermaterialen die mechanisch flexibel zijn. Nauwkeurige voorspellingen van de temperatuur wanneer verbrossing optreedt, bekend als de glasovergangstemperatuur, is cruciaal voor het ontwerpen van geleidende polymeren die flexibel blijven bij kamertemperatuur.

"Eerder werk om de glasovergang van polymeren te voorspellen, was gebaseerd op complexe, modellen met meerdere parameters, maar leidden niettemin tot een slechte nauwkeurigheid, " zei Enrique Gomez, hoogleraar chemische technologie en hoofdonderzoeker. "In aanvulling, nauwkeurige experimentele metingen van de glasovergang van geconjugeerde polymeren zijn een uitdaging."

Alle polymeren worden bros bij afkoeling. Echter, sommige polymeren, zoals polystyreen dat wordt gebruikt in piepschuimbekers, broos worden bij temperaturen hoger dan kamertemperatuur, terwijl andere polymeren, zoals polyisopreen gebruikt in elastiekjes, broos worden bij veel lagere temperaturen.

Renxuan Xie, voorheen een doctoraatsstudent aan Penn State en nu een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Californië in Santa Barbara, een manier gevonden om glasovergangstemperaturen te meten door de mechanische eigenschappen bij te houden wanneer verbrossing optreedt, de basis leggen voor het begrijpen van de relatie tussen de glasovergang en structuur. Vervolgstudies bepaalden vervolgens de glasovergang voor 32 verschillende polymeren door mechanische eigenschappen als functie van temperatuur te meten.

"Deze vooruitgang, gekoppeld aan gegevens voor verschillende polymeren in onze latere studies, onthulde een eenvoudige relatie tussen de chemische structuur en de glasovergang, "Zei Gomez. "Daarom, we kunnen nu het brosheidspunt voorspellen aan de hand van de chemische structuur."

Volgens Gomez, dit werk, gemeld in een recent nummer van Natuurcommunicatie , stelt onderzoekers in staat om de glasovergangstemperatuur te voorspellen op basis van de chemische structuur van geleidende polymeren voordat ze worden gesynthetiseerd voor gebruik in elektronica. De meeste momenteel gebruikte geleidende polymeren zijn bros en inflexibel, dus deze vooruitgang zou de ontwikkeling van flexibele elektronica kunnen versnellen.

"Hoe eenvoudig het ook klinkt, we zijn de eersten die de mechanische eigenschappen van geleidende polymeren gebruiken om de glasovergangstemperatuur te meten, "Zei Gomez. "We combineren de gegevens van veel verschillende polymeren om een ​​eenvoudige relatie af te leiden die de glasovergangstemperatuur op basis van de chemische structuur op een nauwkeuriger manier dan voorheen mogelijk voorspelt."

De studie van Gomez werd gefinancierd door een vierjarige, $ 1,75 miljoen subsidie ​​toegekend in 2019 door de National Science Foundation om de integratie van theorie te onderzoeken, simulaties en experimenten om de ontwikkeling van flexibele elektronica op basis van organische verbindingen te versnellen. De volgende stappen voor dit onderzoek, Gomez zei, zijn uitgebreidere tests en verkenning van praktische toepassingen.

"We willen ons model nu gebruiken om geleidende polymeren te ontwerpen om ultraflexibele en rekbare elektronica te maken, "Zei Gomez. "We willen ons model ook pushen om de limieten te vinden en te zien waar het model kapot gaat."