Solvothermal Engineering: A Universal Route to High-Performance Free- standing PEDOT:PSS Thick Films

Nel mondo dell'elettronica moderna, i materiali in grado di condurre elettricità sono le autostrade invisibili che alimentano i nostri dispositivi. Per decenni, gli scienziati si sono affidati a metalli rigidi e fragili o al vetro rivestito con sottili strati di metallo per trasportare queste correnti elettriche. Tuttavia, una classe di materiali noti come polimeri conduttori offre un percorso diverso. Si tratta di plastiche che si comportano come i metalli, capaci di piegarsi, allungarsi e di essere modellate in forme complesse pur continuando a far fluire l'elettricità. Uno dei più promettenti tra questi è un materiale chiamato PEDOT:PSS. È una miscela di due parti: un polimero conduttore che trasporta la carica e una componente isolante e appiccicosa che tiene insieme la struttura. Sebbene questo materiale sia eccellente per la realizzazione di schermi flessibili o sensori indossabili, affronta un ostacolo significativo. Nel suo stato naturale, è un cattivo conduttore e, quando gli scienziati cercano di renderlo più spesso per gestire una maggiore potenza, le parti isolanti bloccano il flusso di elettricità, rendendo il materiale inefficace per applicazioni ad alte prestazioni come i supercondensatori, che immagazzinano energia per un rilascio rapido.

I ricercatori della Jiaxing University e della Zhejiang Sci-Tech University hanno scoperto un modo per superare questa limitazione, trasformando un normale foglio spesso di questa plastica in una centrale di prestazioni elettriche. Si sono concentrati su una sfida specifica: come rendere un film spesso di PEDOT:PSS capace di condurre elettricità bene quanto i migliori fili metallici, senza distruggerne la flessibilità. Il team si è reso conto che semplicemente immergere il film in solventi liquidi, un metodo comune usato per migliorare la conduttività, non era sufficiente. Il liquido non riusciva a penetrare abbastanza in profondità nel materiale spesso da riorganizzare efficacemente la struttura interna. Per risolvere il problema, si sono rivolti a una tecnica chiamata ingegneria solvotermica. Questo processo prevede l'inserimento del film all'interno di un contenitore sigillato con un solvente liquido specifico e il successivo riscaldamento. Man mano che il contenitore si scalda, il liquido crea la propria pressione interna, forzandolo in profondità nei pori microscopici del film dove normalmente non arriverebbe.

I ricercatori hanno testato tre diversi liquidi organici comuni: metanolo, dimetilsolfossido e N, N-dimetilformammide. Hanno posto i film di plastica autoportanti in questi liquidi all'interno di recipienti d'acciaio sigillati e li hanno riscaldati a varie temperature per sei ore. Il calore e la pressione autogenerata hanno agito congiuntamente per rimuovere le parti isolanti del materiale e costringere le parti conduttive ad allinearsi più strettamente tra loro. I risultati sono stati drammatici. Il film non trattato, che inizialmente conduceva elettricità a un livello molto basso, ha visto la sua capacità di trasportare corrente schizzare alle stelle. Il film trattato con metanolo ha raggiunto una conduttività di 2958 S cm-1, mentre i film trattati con gli altri due liquidi hanno raggiunto rispettivamente 2528 S cm-1 e 2438 S cm-1. Questi numeri rappresentano un salto enorme, superando le prestazioni dei film trattati con i metodi tradizionali e avvicinandosi alla conduttività di alcuni metalli.

Per capire perché ciò sia accaduto, il team ha esaminato da vicino cosa fosse cambiato all'interno del materiale. Hanno scoperto che l'ambiente ad alta pressione ha aiutato a rimuovere una parte significativa della componente isolante, esponendo più catene conduttive. Più importante ancora, il calore e la pressione hanno causato il riarrangiamento delle molecole. Inveve di essere sparse casualmente, le catene conduttive si sono allineate in modo ordinato, impilandosi strettamente l'una sull'altra come una pila di fogli ben organizzata. Questo allineamento ha creato un percorso chiaro per il flusso di elettricità. Il trattamento ha anche cambiato la natura chimica delle molecole stesse, spostandole verso uno stato che permette loro di trasportare una doppia carica, che si muove molto più velocemente di una carica singola. Questa riorganizzazione strutturale è avvenuta in tutto lo spessore del film, non solo sulla superficie, motivo per cui i film spessi hanno performato così bene.

Oltre a condurre meglio l'elettricità, i film trattati sono diventati molto più capaci di immagazzinare energia. Nel campo dei supercondensatori, la capacità di immagazzinare una grande quantità di carica in un piccolo volume è fondamentale. I ricercatori hanno misurato quanta carica potevano contenere i film e hanno scoperto che il film trattato con dimetilsolfossido poteva immagazzinare 251 F cm-3, un valore che supera significativamente quanto riportato in passato per materiali simili. Questo miglioramento deriva dalle stesse modifiche strutturali che hanno potenziato la conduttività. Rimuovendo le barriere isolanti e creando una rete porosa e interconnessa, il materiale permette agli ioni di un elettrolita di penetrare in profondità all'interno e interagire con la superficie conduttiva. Ciò crea una vasta superficie interna dove l'energia può essere immagazzinata e rilasciata rapidamente. Il film trattato con dimetilsolfossido ha formato una struttura a blocchi con molti canali, mentre il film trattato con metanolo ha formato un modello a punti; ogni struttura offriva un equilibrio unico tra la velocità con cui l'elettricità poteva muoversi e la quantità di energia che poteva essere immagazzinata.

Lo studio dimostra che questo approccio solvotermico è un metodo universale che funziona con diversi tipi di solventi comuni, non solo con un prodotto chimico specifico. Ciò suggerisce che la tecnica sia robusta e possa essere adattata a varie esigenze di produzione. I ricercatori hanno confermato che il miglioramento non era solo un effetto superficiale, ma un cambiamento fondamentale nell'architettura interna del materiale. I film sono rimasti autoportanti, il che significa che potevano essere staccati dai loro supporti e utilizzati come elettrodi flessibili autonomamente. Questa combinazione di alta conduttività, alto stoccaggio di energia e flessibilità meccanica rende il materiale un forte candidato per i dispositivi energetici di prossima generazione. Il lavoro fornisce una via chiara e pratica per trasformare una normale plastica conduttrice in un materiale ad alte prestazioni che potrebbe alimentare l'elettronica flessibile e i sistemi di accumulo energetico efficienti del futuro.