Aufgrund ihrer Flexibilität und ihres geringen Gewichts haben Polymere in Anwendungen wie tragbaren Elektronikgeräten an Bedeutung gewonnen, ihre geringe elektrische Leitfähigkeit war jedoch ein großer Nachteil.
Obwohl verschiedene Forschungsanstrengungen zur Verbesserung der Leitfähigkeit unternommen wurden, gibt es immer noch technische Einschränkungen, wie z. B. die Notwendigkeit der Verwendung schädlicher Lösungsmittel und Leistungseinbußen in extremen Umgebungen.
Das Korea Institute of Science and Technology (KIST) hat durch gemeinsame Forschung mit Dr. Jang Ji-soo vom Center for Electronic Materials Research des KIST und Professor Mingjiang Zhong von der Yale University eine Methode zur Synthese von Polymeren auf der Basis von gemischten Ionen-Elektronen-Leitern entwickelt Vereinigte Staaten.
Die Studie ist veröffentlicht im Tagebuch Fortschrittliche Funktionsmaterialien.
Die Forschung überwindet die Einschränkungen bestehender Polymerleiter und erregt Aufmerksamkeit als innovative Technologie, die zur Entwicklung leistungsstarker chemischer Sensoren der nächsten Generation beitragen kann.
Die Forscher führten ionische Seitengruppen in die Polymerstruktur ein, um konjugierte Polymere zu synthetisieren, die sich leicht in umweltfreundlichen Lösungsmitteln statt in giftigen Lösungsmitteln lösen lassen. Insbesondere weisen die Polymere in umweltfreundlichen Prozessen eine hohe Gaserkennungsleistung auf und können in Umgebungen mit hoher Temperatur und Luftfeuchtigkeit eine stabile Leistung aufrechterhalten.
Dieser technologische Fortschritt eröffnet die Möglichkeit von Anwendungen in tragbaren Geräten, tragbaren Elektronikgeräten und anderen elektronischen Geräten, die in extremen Umgebungen zuverlässig funktionieren.
Im Mittelpunkt dieser Forschung steht die Entwicklung eines ionisationsbasierten konjugierten Polymers, das in einem umweltfreundlichen Lösungsmittel (2-Methylanisol) löslich ist. Während herkömmliche leitfähige Polymere typischerweise giftige Lösungsmittel zum Auflösen benötigen, verbessert das neue Polymer die elektrische Leitfähigkeit durch die Bindung ionischer Spezies und elektronischer Ladungsträger erheblich.
Durch die Einführung von Anionen (TFSI-) und Kationen (IM+) in das Polymer, um die Dichte und Mobilität der Ladungsträger zu erhöhen, maximierte das Team die Leitfähigkeit und Stabilität.
Das von den Forschern entwickelte leitfähige Polymer auf N-Typ-Basis, N-PBTBDTT, zeigte eine sehr hohe Empfindlichkeit bei der Erkennung schädlicher Gase wie Stickstoffdioxid (NO2). Die Empfindlichkeit für den NO2-Nachweis betrug bis zu 189 % und zeigte selbst bei einer sehr geringen Konzentration von 2 ppb eine hohe Nachweisfähigkeit.
Diese Leistung übertrifft die herkömmlicher Sensortechnologien und das Polymer war auch in Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit von 80 % und hohen Temperaturen von bis zu 200 °C äußerst langlebig. Dies ermöglicht eine stabile Gasdetektion in einer Vielzahl extremer Umgebungen und wird voraussichtlich in großem Umfang auf tragbare Geräte und Industriesensoren angewendet.
„Die in dieser Forschung entwickelten Sensoren gehen über einfache chemische Sensoren hinaus und können revolutionäre Veränderungen in verschiedenen Anwendungen bewirken“, sagte Dr. Jang Ji-soo von KIST.
„Insbesondere kann es als lebensrettendes Material für diejenigen verwendet werden, die in extremen Umgebungen arbeiten, etwa für Feuerwehrleute, die an Brandorten schädliche Gase aufspüren müssen, und für Soldaten, die in Kriegszeiten chemischen Waffen ausgesetzt sind“, sagte Prof. Junwoo Lee und Dr. Juncheol Shin, beide Erstautoren der Studie.
Weitere Informationen:
Junwoo Lee et al., Covalently Merging Ionic Liquids and Conjugated Polymers: A Molecular Design Strategy for Green Solvent-Processable Mixed Ion-Electron Conductors Toward High-Performance Chemical Sensors, Fortschrittliche Funktionsmaterialien (2024). DOI: 10.1002/adfm.202408146