Elektronische Nylonfäden

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymer­forschung MPI-P in Mainz haben unter der Leitung von Kamal Asadi eine vier Jahrzehnte alte Heraus­forderung gelöst. Sie haben dünne Nylon­schichten hergestellt, die beispielsweise in elektronischen Speicher­komponenten eingesetzt werden können. Die extrem dünnen Nylon­schichten könnten daher für Anwendungen in biegsamen elek­tronischen Geräten oder für Elektronik in Kleidungs­stücken attraktiv sein.

Da sich die Elektronik-Industrie heutzutage immer mehr in Richtung tragbarer Geräte sowie elek­tronischer Textilien verlagert, könnten in Zukunft elektronische Materialien wie Ferro­elektrika in unsere Kleidung integriert werden. Nylon, eine Familie synthetischer Polymere, wurde erstmals in den 1920er Jahren für Damenstrümpfe eingeführt und gehört heute zu den am häufigsten verwendeten syn­thetischen Fasern in Textilien. Es besteht aus einer langen Kette von Polymeren, wobei jede sich wieder­holende Einheit eine bestimmte Anordnung von Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff sowie Kohlenstoff­atomen enthält. 

Neben der Verwendung in Textilien wurde gezeigt, dass einige Nylons auch ferro­elektrische Eigen­schaften aufweisen. Dies bedeutet, dass positive und negative elektrische Ladungen getrennt werden können und dieser Zustand aufrecht­erhalten werden kann. Ferro­elektrische Materialien werden beispielsweise in Sensoren, Aktuatoren, Speichern und Geräten zur Energie­gewinnung eingesetzt. Der Vorteil beim Einsatz solcher Polymere besteht darin, dass sie mit geeigneten Lösungsmitteln verflüssigt und somit in gelöstem Zustand kostengünstig zu flexiblen Dünn­schichten verarbeitet werden können, die sich für elek­tronische Komponenten wie Kondensatoren, Transistoren und Dioden eignen. Dies macht ferro­elektrische Polymere zu einer geeigneten Wahl für die Integration in Textilien.

Obwohl Nylon­polymere im Laufe der Jahre bedeutende kommerzielle Anwendungen in Geweben und Fasern gefunden haben, wurde sie bisher in elektronischen Geräten nur selten eingesetzt, da es unmöglich war, hochwertige dünne Schichten aus ferro­elektrischem Nylon durch Lösungs­verarbeitung herzustellen. Die Wissenschaftler haben nun in Zusammen­arbeit mit Forschern der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und der Universität Lodz dieses vierzig Jahre alte Problem gelöst und ein Verfahren zur Herstellung ferro­elektrischer Nylon-Dünnschicht­kondensatoren entwickelt, indem sie Nylon in einer Mischung aus Trifluor­essigsäure und Aceton aufgelöst und im Vakuum wieder verfestigt haben. Sie konnten dünne Nylon­schichten herstellen, die typischer­weise nur wenige hundert Nanometer dick sind. „Mit dieser Methode haben wir extrem glatte Dünn­schichten hergestellt. Dies ist sehr wichtig, da es den elektrischen Durchbruch von beispielsweise Konden­satoren und somit die Zerstörung elek­tronischer Schaltungen verhindert. Gleichzeitig sind die dünnen Filme aufgrund der Glätte transparent, was transparente elektronische Geräte ermöglicht“, sagt Kamal Asadi.

Mit ihrem neu entwickelten Verfahren konnte die Gruppe Hochleistungs-Nylon­kondensatoren herstellen. Die Wissenschaftler unterzogen die Prototypen ausgedehnten Spannungs­zyklen und bewiesen die Stabilität des ferro­elektrischen Nylons bei Millionen von Auf- und Entlade­vorgängen. Die dünnen Nylonschichten könnten in Zukunft zu einem wichtigen Bestandteil für den Einsatz in der flexiblen Elektronik werden und Anwendung in biegsamen elek­tronischen Geräten oder für Elektronik in Kleidungs­stücken finden. Diese neuen Erkenntnisse ebnen den Weg zu multi­funktionalem Gewebe, das sowohl als Stoff für Kleidung dient als auch gleichzeitig aus unserer Körper­bewegung Strom erzeugen kann.

MPI-P / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  S. Anwar et al.: Solution-processed transparent ferroelectric nylon thin films, Sci. Adv. 5, eaav3489 (2019; DOI: 10.1126/sciadv.aav3489
• Arbeitsgruppe von Kamal Asadi, Max-Planck-Instituts für Polymerforschung, Mainz