Une méthode améliorée pour prédire la température lorsque les plastiques passent de souples à cassants, qui pourrait potentiellement accélérer le développement futur de l'électronique flexible, a été développé par des chercheurs du Penn State College of Engineering.

Electronique flexible de nouvelle génération, tels que les écrans pliables et les implants médicaux, reposera sur des matériaux semi-conducteurs qui sont mécaniquement flexibles. Prédictions précises de la température en cas de fragilisation, connue sous le nom de température de transition vitreuse, est cruciale pour concevoir des polymères conducteurs qui restent flexibles à température ambiante.

"Des travaux antérieurs pour prédire la transition vitreuse des polymères s'appuyaient sur des complexes, modèles multi-paramètres mais conduit néanmoins à une faible précision, " a déclaré Enrique Gomez, professeur de génie chimique et chercheur principal. "En outre, des mesures expérimentales précises de la transition vitreuse des polymères conjugués sont difficiles."

Tous les polymères deviennent cassants lorsqu'ils sont refroidis. Cependant, certains polymères, comme le polystyrène utilisé dans les gobelets en polystyrène, deviennent cassants à des températures supérieures à la température ambiante tandis que d'autres polymères, comme le polyisoprène utilisé dans les élastiques, deviennent cassants à des températures beaucoup plus basses.

Renxuan Xie, auparavant doctorant à Penn State et maintenant chercheur postdoctoral à l'Université de Californie à Santa Barbara, trouvé un moyen de mesurer les températures de transition vitreuse en gardant une trace des propriétés mécaniques au fur et à mesure que la fragilisation se produit, jeter les bases pour comprendre la relation entre la transition vitreuse et la structure. Des études de suivi ont ensuite déterminé la transition vitreuse de 32 polymères différents en mesurant les propriétés mécaniques en fonction de la température.

« Cette avancée, couplé avec des données pour divers polymères dans nos études ultérieures, a révélé une relation simple entre la structure chimique et la transition vitreuse, " Gomez a dit. " Par conséquent, nous pouvons maintenant prédire le point de fragilisation à partir de la structure chimique."

Selon Gomez, ce travail, rapporté dans un récent numéro de Communication Nature , permet aux chercheurs de prédire la température de transition vitreuse à partir de la structure chimique des polymères conducteurs avant qu'ils ne soient synthétisés pour une utilisation en électronique. Les polymères conducteurs les plus couramment utilisés sont cassants et inflexibles, cette avancée pourrait donc accélérer le développement de l'électronique flexible.

"Bien que cela semble simple, nous sommes les premiers à utiliser les propriétés mécaniques des polymères conducteurs pour mesurer la température de transition vitreuse, " Gomez a déclaré. "Nous combinons les données de nombreux polymères différents pour dériver une relation simple qui prédit la température de transition vitreuse basée sur la structure chimique d'une manière plus précise qu'auparavant."

L'étude de Gomez a été financée par un programme de quatre ans, Subvention de 1,75 million de dollars attribuée en 2019 par la National Science Foundation pour explorer l'intégration de la théorie, simulations et expérimentations pour accélérer le développement d'une électronique flexible à base de composés organiques. Les prochaines étapes de cette recherche, Gomez a dit, sont des tests plus approfondis et l'exploration d'applications pratiques.

"Nous voulons maintenant utiliser notre modèle pour concevoir des polymères conducteurs pour faire de l'électronique ultra-souple et extensible, " a déclaré Gomez. "Nous voulons également pousser notre modèle pour trouver les limites et voir où le modèle tombe en panne."