Nedávno vyšlo zajímavé a rozsáhlé review, které se zaobírá tzv. samoopravovacími polymery (Self-Healing Polymers) pro energetiku a elektroniku.[1]
Moderní elektronika je velice komplikovaná a obsahuje komponenty, které zvládnou poměrně neuvěřitelné věci. Jde např. o flexibilní displeje a další součástky. Flexibilita sebou přináší ale větší mechanické namáhání a tím pádem i větší pravděpodobnost vzniku poškození. Aby zároveň nedocházelo ke snižování životnosti zařízení, využívají se materiály, které dokáží mechanické poškození opravit bez nutnosti zásahu zvenčí.
Možností, jak tyto opravy realizovat je několik, asi nejjednodušší situace je u polymerů, ty vznikají řetězením menších jednotek (monomerů). K řetězení dochází např. vlivem působení UV záření nebo pomocí vhodného katalyzátoru. Pokud chceme zacelit mechanické poškození, můžeme do polymeru zabudovat mikroskopické kapsle s monomerem a katalyzátorem. Při vzniku poškození dojde zároveň k rozbití těchto kapslí a monomer se smísí s katalyzátorem, čímž dojde ke spuštění polymerace a zacelení praskliny.
Další část review se zabývá polymery pro jednotlivé typy zařízení.
Energetická zařízení
V dnešní době jsou velmi intenzivně studovány tzv. triboelektrické generátory,[2] tj. zařízení, která jsou schopná přeměnit mechanické vibrace (i velmi nepravidelné a pomalé) na elektrickou energii. Tyto generátory jsou důležité pro veškerou nositelnou elektroniku (např. zdravotní senzory, atd.), i internet věcí (IoT, Internet of Things), což jsou často zařízení, které mají velmi malý odběr a tyto generátory jsou schopny zastoupit velké a (relativně) těžké baterie.
Tyto generátory musí vydržet dlouhodobé mechanické namáhaní. Jednou z výhodných konfigurací je využití uhlíkových nanotrubic jako elektrod a jejich umístění do polymeru vzniklého polykondenzací kyseliny borité (H3BO3) s polydimethylsiloxanem. Vzniklý polymer je tvořen kombinací vodíkových a koordinačních vazeb, které umožňují reverzibilní vznik a rozpad vazeb a tím opravu mechanických poškození. Tuto vlastnost vnáší do materiálu přítomnost nezreagovaných OH skupiny z kyseliny borité.
Dalším příkladem jsou termoelektrická zařízení, ty mění tepelnou energii na elektrickou. Využívají tzv. Seebeckova jevu. Mezi běžné termoelektrické materiály patří selenidy a telluridy, např. Bi2Te3, Sb2Te3, PbTe nebo SnSe. Pro svou funkci potřebují teplotní gradient, příp. jsou schopny po vložení napětí teplotní gradient vytvořit. Toho se využívá např. v Peltierových článcích pro chlazení/ohřev.
Využívají se iontové polymery s vysokou hodnotou Seebeckova koeficientu, ty mají samoopravovací schopnosti i dostatečnou vodivost. Příkladem je ternární kompozitní polymer složený z poly(3,4-ethylendioxythifenu)/polystyren sulfonátu s polymerním surfaktantem Triton X-100, který slouží jako opravovací činidlo a dimethylsulfoxidem (DMSO), který zvyšuje termoelektrický výkon. Triton X-100 způsobuje viskoelasticitu kompozitu a zanáší do systému vodíkové vazby, které umožňují opětovné zacelení poškozených oblastí.
Ve výčtu nesmíme zapomenout ani na lithiové akumulátory, které jsou pro dnešní civilizaci nepostradatelné. Kromě kapacity je důležitou charakteristikou i životnost a rychlost poklesu kapacity akumulátoru. Velkým problémem je vznik mikroprasklin v článku, tím dochází ke snižování kapacity akumulátoru. Praskliny vznikají z důvodu objemových změn během nabíjení/vybíjení. Tento problém je ještě naléhavější v případě nositelné elektroniky, kdy je mechanické namáhání materiálu výrazně vyšší než u konvenčních aplikací.
Pro baterie potřebujeme vodivé polymery, které budou mít samoopravovací schopnost. S výhodou se zde využívají materiály obsahující vodíkové vazby, ty lze reverzibilně přerušit a znovu obnovit. Výhodné jsou polymery obsahující aminové i karbonylové skupiny, ty mohou vytvářet vodíkové můstky mezi řetězci polymeru.
Elektronická zařízení
Flexibilní vodiče, tranzistory, senzory a další součásti jsou důležité pro konstrukci nositelných zařízení.
V dnešní době se pro konstrukci průhledných vodičů využívá materiál ITO (Indium-Tin Oxide), jde o směsný oxid india a cínu. Z něj lze vyrábět tenké fólie, jejich tloušťkou lze reguovat průhlednost a odpor. Tenké fólie jsou dobře průhledné, ale mají větší odpor. Toho se využívá např. pro odmrazování skel na letadlech. Pokud je tloušťka větší, je průhlednost horší, ale klesá elektrický odpor. Tento materiál je ovšem náchylný na vznik poruch – prasklin a trhlin.
Samoopravovací alternativou jsou polymery vzniklé síťováním (cross-linkingem) N-heterocyklických karbenů a přechodných kovů. Nebo iontové polymery tvořené solemi rozpuštěnými v polymerní matrici.
Déle jsou v článku popsány FET tranzistory, optoelektrické prvky a další.
Další kapitoly popisují materiály optoelektronické součástky a také dielektrika. Poslední kapitla je věnována výhledu do budoucna.
2 Replies to “Review – Samoopravovací polymery pro elektroniku a energetiku”