En förbättrad metod för att förutsäga temperaturen när plast ändras från smidig till spröd, vilket potentiellt kan påskynda framtida utveckling av flexibel elektronik, utvecklades av Penn State College of Engineering -forskare.

Nästa generations flexibel elektronik, såsom böjbara skärmar och medicinska implantat, kommer att förlita sig på halvledarmaterial som är mekaniskt flexibla. Exakta förutsägelser av temperaturen när sprödhet inträffar, kallas glasövergångstemperaturen, är avgörande för att utforma ledande polymerer som förblir flexibla vid rumstemperatur.

"Tidigare arbete med att förutsäga glasövergången för polymerer förlitade sig på komplex, flerparametermodeller men ledde ändå till dålig noggrannhet, "sade Enrique Gomez, professor i kemiteknik och huvudutredare. "Dessutom, noggranna experimentella mätningar av konjugerade polymerers glasövergång är utmanande. "

Alla polymerer blir spröda när de kyls. Dock, några polymerer, såsom polystyren som används i frigolitmuggar, bli spröda vid temperaturer högre än rumstemperatur medan andra polymerer, såsom polyisopren som används i gummiband, bli spröda vid mycket lägre temperaturer.

Renxuan Xie, tidigare doktorand vid Penn State och nu postdoktor vid University of California i Santa Barbara, hittat ett sätt att mäta glasövergångstemperaturer genom att hålla reda på de mekaniska egenskaperna när sprödhet inträffar, lägga grunden för att förstå förhållandet mellan glasövergången och strukturen. Uppföljningsstudier bestämde sedan glasövergången för 32 olika polymerer genom att mäta mekaniska egenskaper som en funktion av temperaturen.

"Detta framsteg, tillsammans med data för olika polymerer i våra senare studier, avslöjade ett enkelt samband mellan den kemiska strukturen och glasövergången, "Sa Gomez." Därför, vi kan nu förutsäga sprödhetspunkten från den kemiska strukturen. "

Enligt Gomez, detta jobb, rapporterade i ett nyligen utgåva av Naturkommunikation , tillåter forskare att förutsäga glasövergångstemperaturen från den kemiska strukturen hos ledande polymerer innan de syntetiseras för användning i elektronik. Mest använda ledande polymerer är spröda och oflexibla, så detta framsteg kan påskynda utvecklingen av flexibel elektronik.

"Även om det låter enkelt, vi är de första som använder de mekaniska egenskaperna hos ledande polymerer för att mäta glasövergångstemperaturen, "Gomez sa." Vi kombinerar data från många olika polymerer för att härleda ett enkelt förhållande som förutsäger glasövergångstemperaturen baserat på den kemiska strukturen på ett mer exakt sätt än tidigare möjligt. "

Gomez studie finansierades av en fyraårig, 1,75 miljoner dollar bidrag beviljat 2019 av National Science Foundation för att utforska integrationen av teori, simuleringar och experiment för att påskynda utvecklingen av flexibel elektronik baserad på organiska föreningar. Nästa steg för denna forskning, Gomez sa:är mer omfattande tester och utforskning av praktiska tillämpningar.

"Vi vill nu använda vår modell för att utforma ledande polymerer för att göra extremt flexibel och töjbar elektronik, "Gomez sa." Vi vill också driva vår modell för att hitta gränserna och se var modellen går sönder. "