I ricercatori dell’Università Christian-Albrechts di Kiel (CAU) hanno ora trovato un modo per fare a meno di questa fase aggiuntiva di polarizzazione. Nell'rivista Science, il dott. Stefan Schröder, che dirige un sottogruppo indipendente presso la cattedra del professor Franz Faupel, illustra come il suo team sia in grado di polarizzare determinati polimeri già durante la loro produzione mediante il processo di deposizione chimica in fase gassosa indotta (iCVD). Questo effetto non era finora noto.

Il potenziale superficiale si genera durante il rivestimento

La scoperta è avvenuta nell’ambito di alcuni studi sui film sottili di elettretto. Gli elettretti sono materiali che generano un campo elettrico permanente, proprio come una calamita da frigorifero è permanentemente magnetica. Il team ha lavorato con diverse molecole adatte come materie prime per rivestimenti polimerici. 

«In realtà, all’inizio volevamo solo capire quali proprietà di polarizzazione elettrica presentassero sulle superfici le molecole che utilizziamo», afferma Schröder. Quando lui e i suoi colleghi hanno realizzato delle pellicole polimeriche con esse e ne hanno esaminato il potenziale superficiale, hanno fatto un’osservazione inaspettata: gli strati generavano un potenziale superficiale fino a 24 volt, sebbene nessuno avesse precedentemente applicato un campo elettrico esterno. A quanto pare, i film polimerici si erano polarizzati spontaneamente già durante la loro produzione.

«La polarizzazione si verifica già durante il processo di rivestimento», spiega Schröder. Da un lato, è determinante la struttura delle molecole utilizzate: la loro carica elettrica è spesso distribuita in modo non uniforme, per cui assumono un determinato orientamento elettrico. 

La polimerizzazione stabilizza lo stato

Altrettanto importante è il processo di produzione: grazie alla tecnica iCVD, i ricercatori uniscono queste molecole gassose per formare un sottile strato di macromolecole o polimeri. In questo processo particolarmente delicato, la polarizzazione avviene spontaneamente. Se invece le stesse materie prime venivano trasformate in polimeri con un metodo diverso, non tramite deposizione in fase gassosa, il team non riusciva a osservare alcun potenziale elettrico.

I ricercatori sono in grado di influenzare in modo mirato l’intensità del potenziale superficiale che si genera. Ormai sono in grado di produrre strati con un potenziale fino a 100 volt. Questi elevati potenziali superficiali si generano in rivestimenti estremamente sottili: gli strati esaminati dai ricercatori hanno uno spessore compreso tra soli dieci nanometri e un micrometro e sono quindi invisibili a occhio nudo. Il potenziale superficiale aumenta con lo spessore dello strato polimerico. Schröder e i suoi colleghi sono inoltre riusciti a modificare in modo mirato la direzione della polarizzazione scegliendo le materie prime da utilizzare.

Un ulteriore vantaggio di questo processo è che la polimerizzazione stabilizza lo stato: una volta allineate, le molecole non possono più muoversi liberamente e rimangono fissate. In questo modo, il potenziale elettrico viene mantenuto a condizioni ambientali. A temperature più elevate, ad esempio 90 gradi Celsius, il rivestimento perde nuovamente la sua polarizzazione.

Nuove funzionalità per rivestimenti polimerici sottili

Il nuovo metodo apre numerose possibilità per future applicazioni. Le pellicole polimeriche autopolarizzanti potrebbero, ad esempio, trovare impiego nell’elettronica, nella tecnologia dei sensori, nella tecnologia energetica o sulle interfacce biologiche. 

Un vantaggio particolare di questo procedimento è che consente di rivestire in modo uniforme anche superfici dalla forma complessa. In questo modo, in futuro sarà possibile generare campi elettrici in modo mirato su superfici tridimensionali. Il team ritiene che, a lungo termine, questi rivestimenti possano contribuire a ridurre il fabbisogno energetico dei componenti elettronici.

«Per le applicazioni industriali è molto interessante il fatto che i film polimerici non debbano essere polarizzati esternamente e che sia possibile regolare con precisione i potenziali superficiali», afferma il dottor Torge Hartig, scienziato dei materiali, anch’egli autore dello studio e cofondatore dell’azienda Conformally insieme a Schröder e ad altri colleghi dell’Università di Kiel (CAU). «Inoltre, i film polimerici polarizzati esistenti contengono tipicamente PFAS. Grazie a questo nuovo effetto, ora è possibile realizzare film polimerici polarizzati più sostenibili e privi di PFAS».

Con Conformally, Hartig e il suo team portano la tecnologia iCVD dalla ricerca all’applicazione industriale. Il processo consente di rivestire in modo particolarmente sottile e uniforme anche superfici dalle forme complesse. Le pellicole polimeriche autopolarizzanti sarebbero richieste ovunque siano necessari campi elettrici direttamente sulle superfici: ad esempio nei sensori, nei rilevatori o nei componenti microelettronici, come quelli che si trovano nei telefoni cellulari. Il team di autori ritiene possibili anche applicazioni nelle celle solari.