Polymere nanomaterialen kunnen schadelijke stoffen detecteren in extreme omgevingen

Polymeren hebben bekendheid gekregen in toepassingen zoals draagbare elektronica vanwege hun flexibiliteit en lichtgewicht, maar hun lage elektrische geleidbaarheid was een groot nadeel.

Hoewel er verschillende onderzoeksinspanningen zijn gedaan om de geleidbaarheid te verbeteren, zijn er nog steeds technische beperkingen, zoals de noodzaak om schadelijke oplosmiddelen te gebruiken en prestatieverlies in extreme omgevingen.

Het Korea Institute of Science and Technology (KIST) heeft een methode ontwikkeld voor het synthetiseren van polymeren op basis van ion-elektron gemengde geleiders door middel van gezamenlijk onderzoek met Dr. Jang Ji-soo van KIST’s Center for Electronic Materials Research en professor Mingjiang Zhong van Yale University in de Verenigde Staten. Verenigde Staten.

De studie is gepubliceerd in het journaal Geavanceerde functionele materialen.

Het onderzoek overwint de beperkingen van bestaande polymere geleiders en trekt de aandacht als een innovatieve technologie die kan bijdragen aan de ontwikkeling van hoogwaardige chemische sensoren van de volgende generatie.

De onderzoekers introduceerden ionische hangende groepen in de polymeerstructuur om geconjugeerde polymeren te synthetiseren die gemakkelijk kunnen oplossen in milieuvriendelijke oplosmiddelen in plaats van giftige oplosmiddelen. In het bijzonder vertonen de polymeren hoge gasdetectieprestaties in milieuvriendelijke processen en kunnen ze stabiele prestaties behouden in omgevingen met hoge temperaturen en vochtigheid.

Deze technologische vooruitgang opent de mogelijkheid voor toepassingen in draagbare apparaten, draagbare elektronica en andere elektronische apparaten die betrouwbaar kunnen werken in extreme omgevingen.

Centraal in dit onderzoek staat de ontwikkeling van een op ionisatie gebaseerd geconjugeerd polymeer dat oplosbaar is in een milieuvriendelijk oplosmiddel (2-methylanisol). Terwijl conventionele geleidende polymeren doorgaans giftige oplosmiddelen nodig hebben om op te lossen, verbetert het nieuwe polymeer de elektrische geleidbaarheid aanzienlijk door de binding van ionische soorten en elektronische ladingsdragers.

Door het introduceren van anionen (TFSI^–) en kationen (IM⁺) in het polymeer om de dichtheid en mobiliteit van de ladingsdragers te vergroten, maximaliseerde het team de geleidbaarheid en stabiliteit.

Het door de onderzoekers ontwikkelde, op n-type gebaseerde geleidende polymeer, N-PBTBDTT, vertoonde een zeer hoge gevoeligheid bij het detecteren van schadelijke gassen zoals stikstofdioxide (NO₂). De gevoeligheid voor NO₂ de detectie was maar liefst 189% en vertoonde een hoog detectievermogen, zelfs bij een zeer lage concentratie van 2 ppb.

Deze prestaties overtreffen die van conventionele sensortechnologieën, en het polymeer was ook zeer duurzaam in omgevingen met een hoge luchtvochtigheid van 80% en hoge temperaturen tot 200°C. Dit maakt stabiele gasdetectie mogelijk in een verscheidenheid aan extreme omgevingen en zal naar verwachting op grote schaal worden toegepast op draagbare apparaten en industriële sensoren.

“De in dit onderzoek ontwikkelde sensoren gaan verder dan eenvoudige chemische sensoren en kunnen revolutionaire veranderingen in verschillende toepassingen teweegbrengen”, aldus Dr. Jang Ji-soo van KIST.

“Het kan met name worden gebruikt als levensreddend materiaal voor mensen die in extreme omgevingen werken, zoals brandweerlieden die schadelijke gassen moeten detecteren op brandscènes en soldaten die in oorlogstijd worden blootgesteld aan chemische wapens”, aldus prof. Junwoo Lee en Dr. Juncheol Shin, beide eerste auteurs van de studie.