Una nuova, materiale composito leggero per l'accumulo di energia nell'elettronica flessibile, è stato dimostrato sperimentalmente che i veicoli elettrici e le applicazioni aerospaziali immagazzinano energia a temperature operative ben al di sopra degli attuali polimeri commerciali, secondo un team di scienziati della Penn State. Questo a base di polimeri, materiale ultrasottile può essere prodotto utilizzando tecniche già utilizzate nell'industria.

"Questo fa parte di una serie di lavori che abbiamo svolto nel nostro laboratorio sui dielettrici ad alta temperatura da utilizzare nei condensatori, " disse Qing Wang, professore di scienze e ingegneria dei materiali, Penn State. "Prima di questo lavoro avevamo sviluppato un composito di nanofogli di nitruro di boro e polimeri dielettrici, ma mi sono reso conto che c'erano problemi significativi con il ridimensionamento economico di quel materiale".

La scalabilità, o la produzione di materiali avanzati in quantità commercialmente rilevanti per i dispositivi, è stata la sfida decisiva per molti dei nuovi, materiali bidimensionali in fase di sviluppo nei laboratori accademici.

"Dal punto di vista dei materiali morbidi, I materiali 2D sono affascinanti, ma come produrli in serie è una domanda, " disse Wang. "Inoltre, essere in grado di combinarli con materiali polimerici è una caratteristica chiave per future applicazioni elettroniche flessibili e dispositivi elettronici."

Risolvere questo problema, Il laboratorio di Wang ha collaborato con un gruppo della Penn State lavorando sui cristalli bidimensionali.

"Questo lavoro è stato concepito in conversazioni tra il mio studente laureato, Amin Azizi, e studente laureato del Dr. Wang, Matteo Gadinski, " disse Nasim Alem, assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali e membro di facoltà presso il Center for 2-Dimensional and Layered Materials di Penn State. "Questo è il primo esperimento robusto in cui un materiale polimerico morbido e un materiale cristallino 2D duro si sono uniti per creare un dispositivo dielettrico funzionale".

Azizi, ora borsista post-dottorato presso l'Università della California-Berkeley, e Gadinski, ora ingegnere senior presso DOW Chemical, sviluppato una tecnica che utilizza la deposizione chimica da vapore per realizzare multistrato, film esagonali di nanocristalli di nitruro di boro e trasferiscono i film su entrambi i lati di un film di polieterimmide (PEI). Successivamente hanno unito i film usando la pressione in una struttura a sandwich a tre strati. In un risultato sorprendente per i ricercatori, pressione da sola, senza alcun legame chimico, era sufficiente per realizzare una pellicola autoportante abbastanza resistente da poter essere potenzialmente prodotta in un processo roll-to-roll ad alta produttività.

I risultati sono stati riportati in un recente numero della rivista Materiale avanzato in un documento intitolato "Polimeri ad alte prestazioni inseriti a sandwich con nitruri di boro esagonali depositati da vapore chimico come materiali dielettrici ad alta temperatura scalabili".

Il nitruro di boro esagonale è un materiale a banda proibita con elevata resistenza meccanica. La sua ampia banda proibita lo rende un buon isolante e protegge il film PEI dalla rottura dielettrica alle alte temperature, la ragione del guasto in altri condensatori polimerici. A temperature di esercizio superiori a 176 gradi Fahrenheit, gli attuali migliori polimeri commerciali iniziano a perdere efficienza, ma il PEI rivestito di nitruro di boro esagonale può funzionare ad alta efficienza a oltre 392 gradi Fahrenheit. Anche ad alte temperature, il PEI rivestito è rimasto stabile per oltre 55, 000 cicli di carica-scarica in fase di test.

"Teoricamente, tutti questi polimeri ad alte prestazioni così preziosi dal punto di vista commerciale possono essere rivestiti con nanofogli di boro per bloccare l'iniezione di carica, "Ha detto Wang. "Penso che questo renderà questa tecnologia fattibile per la futura commercializzazione".

Alem ha aggiunto, "Ci sono molti dispositivi realizzati con cristalli 2D su scala di laboratorio, ma i difetti li rendono un problema per la produzione. Con un ampio materiale a banda proibita come il nitruro di boro, fa un buon lavoro nonostante le piccole caratteristiche microstrutturali che potrebbero non essere l'ideale."

I calcoli dei primi principi hanno determinato che la barriera elettronica, stabilito all'interfaccia della struttura PEI/esagonale nitruro di boro e gli elettrodi metallici applicati alla struttura da erogare, la corrente è significativamente superiore rispetto ai tipici contatti in polimero dielettrico-elettrodo metallico, rendendo più difficile l'iniezione di cariche dall'elettrodo nel film. Questo lavoro è stato svolto dal gruppo di ricerca teorica di Long-Qing Chen, Donald W. Hamer Professore di Scienza e Ingegneria dei Materiali, professore di scienze ingegneristiche e meccaniche, e matematica, Penn State.