Plastic elektronica nu nog veelzijdiger

Het polymeer PVDF (Polyvinylideenfluoride) dat ferroelektrische eigenschappen heeft is te gebruiken om informatie op te slaan en kan als condensator energie opslaan. Een nadeel bij het gebruik van PVDF is dat het niet mogelijk is extra functionele groepen aan het molecuul toe te voegen zonder daarmee de ferroelektrische eigenschappen te schaden. Om dit op te lossen hebben onderzoekers van de RUG een blok co-polymeer gemaakt met PVDF die de eigenschappen intact laat, maar het mogelijk maakt om de eigenschappen van het materiaal af te stellen – zowel om te ontdekken hoe die eigenschappen tot stand komen als voor het gebruik in flexibele plastic elektronica. De resultaten zijn op 5 februari gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications.

PVDF polymeren bevatten polaire structuren, dipolen die in een elektrisch veld dezelfde stand aannemen. De oriëntatie van de dipolen is om te keren via dat elektrische veld. Het materiaal is dus schakelbaar en kan daarom gebruikt worden voor de opslag van informatie. Door de dipolen en de hoge diëlektrische constante betekent dat PVDF veel energie kan opslaan en dus kan dienen als condensator. Alleen blijken de ferromagnetische eigenschappen van het polymeer er voor te zorgen dat de energieopslag niet echt efficiënt is.

Fasescheiding

Dat probleem is mogelijk op te lossen door het materiaal aan te passen. ‘Maar wanneer je aanpassingen maakt door bijvoorbeeld zijketens aan het molecuul te zetten, tast dat de ferroelektrische eigenschappen weer aan’, legt Ivan Terzic, promovendus bij de afdeling Polymeerchemie van de RUG, uit. Hij is gedeeld eerst auteur van het artikel in Nature Communications.

Samen met mede-promovendus Niels Meereboer en hun begeleider Katja Loos ontwikkelde Terzic een manier om een co-polymeer van vinylideen fluoride en trifluoroethyleen te maken, die een eindgroep bevat waarmee het aan een isolerend polymeer kan worden verbonden om zo een blok co-polymeer te vormen. Vervolgens lieten de onderzoekers zien dat het materiaal kleine domeinen vormde van niet meer dan enkele nanometers, doordat er een fasescheiding ontstond tussen de blokken. De domeinen konden verschillende vormen aannemen, zoals gelaagd, ovaal of rond, afhankelijk van de verhouding tussen de verschillende blokken.

Dunne films

Terzic: ‘Anderen hebben wel geprobeerd om PVDF blok co-polymeren te maken, maar ze konden alleen blokken van korte polymeerketens maken. In dat geval mengen de blokken, je krijgt geen fasescheiding.’ Door verschillende soorten blokken te gebruiken en lange blok co-polymeren te maken lukte het om de eigenschappen van het materiaal naar believen aan te passen. Belangrijk was ook dat ze dunne films van het polymeer konden maken met goede mechanische eigenschappen. ‘Daarmee was het mogelijk de eigenschappen van het materiaal nauwkeurig te onderzoeken.’

Terzic gebruikte de blok co-polymeren onder meer om het PVDF beter te kunnen mengen met nanodeeltjes. Hij maakte onder meer PVDF met magnetische nanodeeltjes. Dat levert een zogeheten multi-ferroïsch materiaal op, dat zowel ferromagnetische als ferroelektrische eigenschappen heeft. Door verder de eigenschappen van het PVDF aan te passen is het ook mogelijk de het terugwinnen van opgeslagen energie efficiënter te maken. ‘Op die manier zouden we een goede condensator kunnen maken, die je kunt gebruiken voor toepassingen waarbij in korte tijd veel energie nodig is, zoals een defibrillator. Maar je kunt er ook de gelijkstroom van zonnepanelen mee omzetten naar wisselstroom.’

Gereedschapskist

Wat de onderzoekers gedaan hebben is een gereedschapskist ontwikkelen waarmee allerlei verschillende PVDF blok co-polymeren te maken zijn. ‘Daarmee kunnen we meer leren over de werking van dit polymeer, maar ook nieuwe toepassingen maken’, zegt Terzic. ‘Dit PVDF is flexibel, licht en niet giftig, terwijl andere ferroelektrische materialen vaak het schadelijke lood bevatten. En het is biocompatibel, je kunt het gebruiken in medische toepassingen.’

Referentie: Ivan Terzic, Niels L. Meereboer, Mónica Acuautla, Giuseppe Portale, Katja Loos: Electroactive materials with tunable response based on block copolymer self-assembly. Nature Communications, 5 February 2019