OMIEC skrywają potencjał dla przyszłej elektroniki, a naukowcy ze Stanford wykorzystali mikroskopię krioelektronową do zbadania ich integralności strukturalnej po rozszerzeniu ciekłym elektrolitem, wyjaśniając ich sprężystość i działanie elektrochemiczne.
Organiczne mieszane przewodniki jonowo-elektroniczne (OMIEC) należą do najbardziej obiecujących materiałów na baterie i urządzenia elektroniczne nowej generacji. Te elastyczne, miękkie polimery półprzewodniki wykazują doskonałe właściwości elektrochemiczne. Jednak ich mikrostruktura molekularna i mechanizmy przemieszczania się przez nie elektronów pozostają słabo poznane – stanowi to ważną lukę w wiedzy, którą należy wypełnić, zanim możliwe będzie komercjalizacja OMIEC.
Aby wypełnić tę pustkę, materiałoznawcy ze Stanford zastosowali niedawno specjalną technikę mikroskopii elektronowej, która współpracuje z miękkimi, tak zwanymi „wrażliwymi na wiązkę” materiałami, takimi jak biomolekuły, aby uzyskać jaśniejszy obraz wewnętrznego funkcjonowania strukturalnego OMIEC i dlaczego cieszą się tak korzystnymi właściwościami elektrochemicznymi.
Podobnie jak woda w akumulatorze samochodowym, pomiędzy warstwy polimeru OMIEC wlewa się ciekły elektrolit. Elektrolit jest ośrodkiem, w którym jony przemieszczają się pomiędzy biegunami dodatnimi i ujemnymi, tworząc prąd elektryczny.
„Polimery OMIEC zanurzone w ciekłym elektrolicie pęcznieją niczym akordeon, zachowując jednocześnie funkcjonalność elektroniczną. Dowiedzieliśmy się, że długie łańcuchy molekularne materiału polimerowego mogą się rozciągać i delikatnie zakrzywiać, tworząc ciągłą ścieżkę, nawet gdy materiał pęcznieje pod wpływem elektrolitu o 300%” – powiedział Alberto Salleo, Hong Seh i Vivian WM Lim Profesor w School of Engineering i starszy autor artykułu ukazującego się w czasopiśmie Materiały natury.
„Badania stanowią przełom koncepcyjny w wizualizacji mikrostruktury tych materiałów. Tam, gdzie wcześniej mogliśmy jedynie teoretyzować, teraz możemy zobaczyć, co się dzieje, co sprawia, że OMIEC działają tak dobrze” – powiedziała Yael Tsarfati, doktorantka w laboratorium Salleo i pierwsza autorka artykułu, który przeprowadził większość obserwacji za pomocą mikroskopu elektronowego. „Nauka działania materiału na poziomie strukturalnym jest kluczem do projektowania coraz lepszych materiałów”.
Nieuchwytny proces
Salleo i Tsarfati pracowali nad tym badaniem przez trzy lata. Jako pierwsi zastosowali mikroskopię krioelektronową (Cryo 4D-STEM) do obrazowania polimeru OMIEC nasączonego wodnym elektrolitem, w którym znajdują się ładunki elektryczne. Ten typ mikroskopu wykorzystuje do obrazowania silne wiązki elektronów, a nie światło, i wymaga, aby próbka była wyjątkowo zimna, aby zapobiec uszkodzeniu materiału przez elektrony.
Salleo mówi, że podwójne naprężenie wynikające z namaczania i ładowania elektrycznego powoduje, że struktura polimeru zmienia się w złożony, ale ważny sposób. Wizualizacja sposobu utrzymania wydajności polimeru pomimo tych naprężeń jest tajemnicą, która zaintrygowała społeczność. Jednak obrazowanie tych polimerów za pomocą tradycyjnych mikroskopów elektronowych było wyzwaniem.
Gdyby OMIEC były półprzewodnikami stałymi, badacze szybko zwróciliby się ku mikroskopii elektronowej, aby zbadać ich strukturę krystaliczną. Jednak OMIEC są tak miękkie, że potężne wiązki elektronów używane do oświetlania ich wewnętrznych struktur uszkadzają je podczas obserwacji.
Korzystając z tej nowatorskiej techniki mikroskopowej, Salleo i Tsarfati mogą teraz zobaczyć, jak miękki, plastyczny polimer zachowuje swoją integralność strukturalną podczas rozszerzania. Zespół jest obecnie przekonany, że struktura miękkiego polimeru ciekłokrystalicznego OMIEC rozciąga się i wygina, tworząc ciągłą ścieżkę elektronową wokół pęcherzyków elektrolitu, które tworzą się pomiędzy złożonymi wstęgami polimeru.
Miękki dotyk
Zasadniczo Cryo 4D-STEM zamraża badany materiał. Elektrolit nie staje się stały, ponieważ woda zamieniłaby się w lód. Zamiast tego wchodzi w inny, zeszklony stan, który pozwala Salleo i zespołowi zajrzeć do działającej mikrostruktury.
„Polimer tworzy rodzaj żelu, który może się zginać i rozciągać” – wyjaśnia Salleo. „Może znacznie spęcznieć, czasem 300 procent, co całkowicie zniszczyłoby właściwości elektroniczne większości materiałów. Ale w OMIEC właściwości elektroniczne są nadal zachowane.”
Tsarfati zauważa, że po spęcznieniu łańcuchy polimerowe ulegają minimalnym zmianom strukturalnym, nawet podczas ładowania i rozładowywania. Prowadzi to do bardziej wydajnej wymiany jonowej przy minimalnym obciążeniu samego materiału, co sprawia, że OMIEC są atrakcyjne z elektronicznego punktu widzenia.
„Polimery wykazują imponującą odporność na zmiany fizyczne i wnikanie jonów w porównaniu z innymi materiałami, które badaliśmy, i jest to pożądana cecha dla przyszłej elektroniki” – dodał Tsarfati, wskazując nowe kierunki badań zespołu.
Odniesienie: „Hierarchiczna struktura organicznych mieszanych przewodników jonowo-elektronicznych i jej ewolucja w wodzie” autorstwa Yael Tsarfati, Karen C. Bustillo, Benjamin H. Savitzky, Luke Balhorn, Tyler J. Quill, Adam Marks, Jennifer Donohue, Steven E. Zeltmann, Christopher J. Takacs, Alexander Giovannitti, Iain McCulloch, Colin Ophus, Andrew M. Minor i Alberto Salleo, 27 września 2024 r., Materiały natury.
DOI: 10.1038/s41563-024-02016-6
Badania te były finansowane ze środków Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych, Narodowej Fundacji Nauki, Instytutu Badawczego Toyoty oraz programu przywództwa Zuckerman-CHE STEM.
Część tych prac wykonano w źródle światła promieniowania synchrotronowego Stanford w laboratorium SLAC National Accelerator Laboratory, w Stanford Nano Shared Facilities oraz w ośrodku Donner Cryo-EM w LBNL.
