Naukowcy z Uniwersytetu im. Christiana Albrechta w Kilonii (CAU) znaleźli teraz sposób na uniknięcie tego dodatkowego etapu polaryzacji. W czasopiśmie „Science” dr Stefan Schröder, kierujący niezależną podgrupą badawczą w ramach katedry profesora Franza Faupela, pokazuje, w jaki sposób jego zespół może polaryzować określone polimery już podczas ich produkcji za pomocą metody inicjowanego chemicznego osadzania z fazy gazowej (iCVD). Zjawisko to nie było dotychczas znane.

Podczas nakładania powłoki powstaje potencjał powierzchniowy

Odkrycie to powstało w ramach badań nad cienkimi warstwami elektretowymi. Elektrety to materiały, które trwale wytwarzają pole elektryczne – podobnie jak magnes na lodówce, który jest trwale namagnesowany. Zespół pracował z różnymi cząsteczkami, które nadają się jako surowce do powłok polimerowych. 

„Właściwie na początku chcieliśmy po prostu zrozumieć, jakie właściwości polaryzacji elektrycznej na powierzchniach wykazują cząsteczki, których używamy” – mówi Schröder. Kiedy wraz ze swoimi współpracownikami wytworzyli z nich warstwy polimerowe i zbadali ich potencjał powierzchniowy, dokonali nieoczekiwanego odkrycia: Warstwy wytwarzały potencjał powierzchniowy sięgający nawet 24 woltów, mimo że nikt wcześniej nie przyłożył do nich zewnętrznego pola elektrycznego. Najwyraźniej folie polimerowe uległy samoczynnej polaryzacji już podczas procesu ich wytwarzania.

„Polaryzacja powstaje już podczas nakładania powłoki” – wyjaśnia Schröder. Decydujące znaczenie ma tu z jednej strony struktura zastosowanych cząsteczek: ich ładunek elektryczny jest często rozłożony nierównomiernie, przez co uzyskują one określone ustawienie elektryczne. 

Polimeryzacja stabilizuje ten stan

Równie ważny jest proces wytwarzania: dzięki technologii iCVD naukowcy łączą te cząsteczki gazowe w cienką warstwę makrocząsteczek lub polimerów. W tym wyjątkowo delikatnym procesie polaryzacja zachodzi samoistnie. Natomiast w przypadku przetworzenia tych samych surowców na polimery inną metodą, nie za pomocą osadzania z fazy gazowej, zespół nie zaobserwował potencjału elektrycznego.

Naukowcy potrafią celowo wpływać na wielkość powstającego potencjału powierzchniowego. Obecnie są w stanie wytwarzać warstwy o potencjale sięgającym nawet 100 woltów. Wysokie potencjały powierzchniowe powstają w niezwykle cienkich powłokach: Warstwy badane przez naukowców mają grubość od zaledwie dziesięciu nanometrów do jednego mikrometra, przez co są niewidoczne gołym okiem. Potencjał powierzchniowy rośnie wraz z grubością warstwy polimerowej. Schröder i jego współpracownicy byli również w stanie celowo zmieniać kierunek polaryzacji poprzez dobór zastosowanych surowców.

Kolejną zaletą tej metody jest to, że polimeryzacja stabilizuje ten stan: po ułożeniu się w określonym kierunku cząsteczki nie mogą już swobodnie się poruszać i pozostają unieruchomione. Dzięki temu potencjał elektryczny utrzymuje się w warunkach otoczenia. W wyższych temperaturach, np. 90 stopni Celsjusza, powłoka ponownie traci polaryzację.

Nowe funkcje cienkich powłok polimerowych

Nowa metoda otwiera szerokie możliwości dla przyszłych zastosowań. Samopolaryzujące się folie polimerowe mogłyby znaleźć zastosowanie na przykład w elektronice, technice czujników, energetyce lub na granicach faz biologicznych. 

Szczególną zaletą tej metody jest to, że pozwala ona na równomierne pokrycie powłoką nawet powierzchni o skomplikowanych kształtach. Dzięki temu w przyszłości możliwe będzie celowe wytwarzanie pól elektrycznych na powierzchniach trójwymiarowych. Zespół przypuszcza, że w dłuższej perspektywie powłoki te mogą przyczynić się do zmniejszenia zapotrzebowania na energię w elementach elektronicznych.

„Z punktu widzenia zastosowań przemysłowych bardzo interesujące jest to, że folie polimerowe nie wymagają zewnętrznego polaryzowania i umożliwiają precyzyjne ustawianie potencjałów powierzchniowych” – mówi dr Torge Hartig, specjalista w dziedzinie materiałoznawstwa, który jest również autorem badania i który wraz ze Schröderem oraz innymi współpracownikami z Uniwersytetu Christiana Albrechta w Kilonii (CAU) założył firmę Conformally. „Ponadto dotychczasowe spolaryzowane folie polimerowe zazwyczaj zawierały PFAS. Dzięki nowemu efektowi możliwe jest teraz wytwarzanie bardziej zrównoważonych, spolaryzowanych folii polimerowych bez PFAS”.

Dzięki Conformally Hartig i jego zespół przenoszą technologię iCVD z etapu badań do zastosowań przemysłowych. Proces ten pozwala na nakładanie wyjątkowo cienkich i równomiernych powłok nawet na powierzchnie o skomplikowanych kształtach. Samopolaryzujące się folie polimerowe znalazłyby zastosowanie wszędzie tam, gdzie potrzebne są pola elektryczne bezpośrednio na powierzchniach: na przykład w czujnikach, detektorach lub elementach mikroelektronicznych, takich jak te stosowane w telefonach komórkowych. Zespół autorów uważa również, że możliwe są zastosowania w ogniwach słonecznych.