Den ferroelektriska polymeren PVDF (polyvinylidenfluorid) har intressanta egenskaper och skulle kunna användas för att lagra information eller energi. En av de största nackdelarna med PVDF är att extra funktionella grupper som läggs till för att förbättra vissa egenskaper också stör dess ferroelektricitet. För att lösa detta, forskare från University of Groningen har skapat blocksampolymerer från PVDF som lämnar dess ferroelektricitet intakt, men låt dem justera dess egenskaper. De ville inte bara studera hur denna polymer fungerar, men också för att bredda användningen till att omfatta flexibel organisk elektronik. Resultaten publicerades i tidskriften Naturkommunikation den 6 februari.

PVDF-polymerer har polära strukturer med dipoler som kan ställas i linje med appliceringen av ett elektriskt fält. Orienteringen av dipolerna kan vändas genom att ändra riktningen på det elektriska fältet. Materialet visar alltså omkopplingsbart beteende, vilket innebär att den kan användas för informationslagring. Närvaron av dipoler i PVDF och dess höga dielektricitetskonstant gör att energilagring i kondensatorer också kan vara ett alternativ, även om dess ferroelektricitet skulle minska effektiviteten hos sådana kondensatorer.

Fasseparation

Ändring av materialet kan lösa detta problem. "Dock, modifiering av molekylerna genom att fästa sidokedjor påverkar deras ferroelektriska egenskaper, " förklarar Ivan Terzic, en Ph.D. student vid universitetet i Groningens institution för polymervetenskap och medförfattare till Naturkommunikation papper.

Tillsammans med sin doktorskollega. student Niels Meereboer och deras handledare, Professor Katja Loos, Terzic utarbetade ett sätt att producera en sampolymer av vinylidenfluorid och trifluoreten med en funktionaliserad ändgrupp som kan kopplas till en isolerande polymerkedja för att bilda en blocksampolymer. Nästa, forskarna visade att materialet bildar små domäner på nanometerskala genom fasseparation mellan blocken. Dessa domäner har olika former - lamellära, cylindrisk eller sfärisk, till exempel – beroende på förhållandet mellan blocken.

Fristående filmer

Terzic säger, "Andra har försökt framställa PVDF-segmentsampolymerer, men de kunde bara producera block med korta polymerkedjor. Isåfall, blocken blandas och visar ingen fasseparation."

Genom att variera typen av block och framställa blocksampolymerer med tillräcklig längd, forskarna kunde justera materialets egenskaper. En viktig del av detta arbete var förmågan att göra fristående filmer av polymeren med tillfredsställande mekaniska egenskaper. Detta gjorde att de kunde undersöka materialets egenskaper.

Terzic använde blocksampolymerer för att förbättra interaktionen mellan PVDF och oorganiska nanoobjekt och för att förbättra deras spridning av polymerens insida. Till exempel, magnetiska nanopartiklar kan läggas till PVDF för att producera ett multiferroiskt material som har både ferroelektriska och ferromagnetiska egenskaper, vilket betyder att den kan kopplas. Vidare, att ändra beteendet hos PVDF kan göra energiåtervinningen mer effektiv. "Det skulle tillåta oss att göra en mycket effektiv kondensator som kan användas varhelst lagrad energi behöver frigöras snabbt, som i defibrillatorer eller för att omvandla likström från solpaneler till växelström."

Författarna har skapat en verktygslåda för tillverkning av PVDF-baserade blocksampolymerer med avstämbara egenskaper. "Vi kan använda detta för att öka vår förståelse för de ferroelektriska och andra egenskaperna hos PVDF, men också för nya applikationer, " säger Terzic. "Den organiska PVDF är flexibel, lätt och giftfri, i motsats till vissa oorganiska ferroelektriska produkter som ofta innehåller bly. Och det är biokompatibelt, så medicinska tillämpningar är en annan intressant möjlighet."