Bekijk de bijbehorende PowerPoint

Natuurkunde in de
(r)evolutie van polymeren
Thijs Michels – TU Eindhoven
met inbreng van
Peter Bobbert
Leon Govaert
Rene Janssen
Alexey Lyulin
Kees Storm
[email protected]
1-01/29
Wat natuurkundigen doen - met polymeren
• Waarvandaan, waarvoor en met wie ?
– Geschiedenis, relevantie en omgeving
• Drie voorbeelden
– De sterkte van glasachtige polymeren  moleculaire
bewegingen
– Derde-generatie zonnecellen  elektronen, gaten en
excitonen
– Waarom is levend weefsel zacht en toch sterk  elasticiteit
van de cel
2-02/29
De (r)evolutie van polymeren
• Gebruik van biopolymeren: al zo oud als gebruik van stenen
(100-10 kj  metalen < 5 kj)
• Na ~1900: synthetische polymeren
polyetheen 1933, nylon 1938, …
• Na ~1950: van ‘goedkope plastics’ naar hoogwaardige
kunststoffen
• Na ~1980: extreme/niet-conventionele eigenschappen
supervezels, elektro-optische polymeren, bio(-geinspireerde)
polymeren,…
• 21e eeuw: polymeren als de materiaaloplossing voor
technologische ontwikkeling - ‘het polymere tijdperk’ ?
4-03/29
Relatieve aandeel van diverse materialen
(in kg/BNP, wereldwijd)
Kg/
$ GDP
The consumption of materials normalised by GDP
Plastics
10
Aluminum
Timber
Copper
Lead
1
Paper
Plastics
Steel
Timber
Copper
Paper
Lead
Aluminum
Steel
0.1
1900
(bron: Rockefeller University – New York)
1920
1940
1960
1980
2000
6-04/29
Polymeren blijken essentieel voor
nationale ontwikkeling
Polymer per capita consumption versus GDP per capita
Per capita 100
consumption
(kg)
USA
90
80
70
Japan
Germany
60
50
40
30
20
Brazil
10
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
Per capita GDP (1990, US $)
(bron: H.U. Schenk – AIM Magazine)
7-05/29
Toepassingsgebieden
• boterhamzakjes, Dyneema supervezel, heupgewrichten (alle polyetheen)
• auto’s (> 40%, structurele onderdelen en onder de motorkap)
• Airbus 380, Boeing Dreamliner (romp- en vleugeldelen)
• coatings (duurzame bescherming van andere materialen)
• (slimme) verpakking voor voedselveiligheid
• gecontroleerde afgifte van geneesmiddelen
• organische elektronica
• ……
9-06/29
De voordelen van polymeren
• Goedkope en herwinbare grondstoffen
• Bij lage temperatuur en in vloeistoffase verwerkbaar
• ‘Oneindige’ keuzevrijheid in samenstelling en
microstructuur
• Zeer brede range van eindeigenschappen
• Letterlijk en figuurlijk flexibele vormgeving
• Eindproducten licht van gewicht
11-07/29
Innovatie via consortia:
DPI - het Technologisch Top Instituut Polymeren
12-08/29
De rol van de natuurkunde
• Kennisketen:
chemie  materiaalkunde  verwerking  product
• Natuurkunde:
interdisciplinaire samenwerking langs hele keten
opheldering van (complexe !) structuren en mechanismen
alle lengte- en tijdschalen
focus op driehoek
microstructuur
dynamica
eigenschappen
14-09/29
Drie voorbeelden
– De sterkte van glasachtige polymeren
 moleculaire bewegingen
(Leon Govaert, Alexey Lyulin)
– Efficientie van derde-generatie zonnecellen
 kinetiek van elektronen, gaten en excitonen
– Waarom is levend weefsel zacht en toch sterk
 elasticiteit van de cel
15-10/29
Waarom is PS bros en PC taai ?
(en wat kun je eraan doen)
Brosse breuk
Taaie vervorming
Polystyreen (PS)
Polycarbonaat (PC)
(foto’s: L. Govaert – TU Eindhoven)
17-11/29
Verander de moleculaire omgeving !
monomeren zijn gevangen in elkaars kooien
relaxatie in kooi ~ 10-13 s,
relaxatie van kooi > 102 s
(film: L. Govaert – TU Eindhoven)
walsen
20-12/29
Vele lengte- en tijdschalen
(D.N. Theodorou – NTU Athens)
Vibraties
10-14 s
Chemische
binding
~ 0.1 nm
Conformatie
overgangen
10-11 s
Flexibel segment
~ 1 nm
Melt
Straal van
ketenkluwen
~ 10 nm
Domeingrootte
in fasescheidend
materiaal
~ 1 m
Keten
vervorming
10-3 s
Fasescheiding
1s
Glassy state
Fysische
veroudering
 1 yr
23-13/29
Fysische aanpak: Moleculaire Dynamica
• Zet K ketens van M monomeren in een supercomputer
(K ~ 50, M ~ 1000, een week op een snelle processor)
• Geef de chemische en fysische krachtenvelden
• Los > 105 gekoppelde vergelijkingen van Newton op
• Stel aan de computer (en vooral aan jezelf) de juiste
vragen !
- Generieke fysica van glas-achtige dynamica
- Relatie tussen chemie en relaxatietijden
24-14/29
Polystyreen in de computer
(films: A. Lyulin – TU Eindhoven)
25-15/29
Deformatie van glasachtig PS en PC:
Spannings-lokalisatie vs delokalisatie
Polystyreen
Polycarbonaat
(films: A. Lyulin – TU Eindhoven)
28-16/29
Drie voorbeelden
– De sterkte van glasachtige polymeren
 moleculaire bewegingen
– Efficientie van derde-generatie zonnecellen
 kinetiek van elektronen, gaten en excitonen
(Peter Bobbert, Rene Janssen)
– Waarom is levend weefsel zacht en toch sterk
 elasticiteit van de cel
29-17/29
Polymeren als intrinsieke geleiders (1977) !
30-18/29
Het mechanisme:
alternerend enkele en dubbele binding
A
B
32-19/29
Optisch actieve polymeren (1990) !
(1) injectie gaten/elektronen
(2)
–
(1)
–
(3)
(2) – +
+
(1) +
(2) transport gaten/elektronen
(3) exciton formatie
(4) recombinatie en emissie
h
(4)
kathode
polymeer (PPV=
anode (ITO=
(Ca of Al) polyphenyleenvinyleen) indiumtinoxide)
32-20/29
Revolutie in organische elektronica
34-21/29
Bulk-heterojunctie zonnecellen
Ladingsscheiding in organische p-n composiet
 foto-fysica, ladingstransport in wanordelijk energielandschap
LUMO
LUMO
glas
transparante elektrode
donor
HOMO
metalen
elektrode
-
-
100 nm
+
transparante
elektrode
HOMO
acceptor
metalen elektrode
exciton diffusielengte ~10 nm (levensduur ~ 1 ns) maakt
nanoscopische menging van donor en acceptor noodzakelijk
R.H. Friend et al. - Nature 376 (1995) 498
A.J. Heeger et al. - Science 270 (1995) 1789
37-22/29
Wat bepaalt de efficiency in PV
Vermogen = Stroom x Voltage
Stroom bepaald door
band gap  aantal geabsorbeerde fotonen
e-g recombinatie versus ladingsmobiliteit  ladingen bij elektrode
Voltage bepaald door
offset tussen HOMO donor en LUMO acceptor
O
Me
O
+ –
Polymeer (donor) / PCBM (acceptor) zonnecellen:
efficiency van 2.5% (2001) naar 5.5% (2007)
40-23/29
Drie voorbeelden
– De sterkte van glasachtige polymeren
 moleculaire bewegingen
– Efficientie van derde-generatie zonnecellen
 kinetiek van elektronen, gaten en excitonen
– Waarom is levend weefsel zacht en toch sterk
 elasticiteit van de cel
(Kees Storm)
41-24/29
Mechanica van cel en weefsel
Celstructuur: cytoskelet van microtubuli (transport) en actine (nabij
wand) rond kernen
(foto: M. Shipman et al. - UC London)
• Zachte respons tot
50- 100% vervorming
• Zeer sterk bij grote
vervorming:
hyper-elasticiteit !
• Actine bepaalt
cel-mechanica
44-25/29
Het mechanisch cytoskelet
Open netwerk van semi-flexibele actine-polymeren
(foto: M. Shipman et al. - UC London)
• Open structuur
 zachte respons
• Waar komt de
(biologisch zo
noodzakelijke)
hyper-elasticiteit
vandaan ?
46-26/29
Excitaties van een semiflexibel polymeer
excitatie
→ kracht
Een combinatie van buig (u’’) en strek (u’)
47-27/29
Zacht en toch sterk
C. Storm et al. – Nature 435 (2005) 191
• Excitatiemodes onderdrukt door belasting  hyper-elasticiteit
• Universeel voor semi-flexibele biopolymeren
• Nieuw principe voor biomedische materiaaltechnologie
49-28/29
Samenvatting
• Polymeren ‘materials of choice’ voor toekomst
• Doel: ‘bottom-up’ en specifiek materiaalontwerp
• Groeiende rol voor natuurkunde in multidisciplinair veld
‘soft-matter physics’
• Focus op complexe relatie
microstructuur-dynamica-eigenschappen
op alle lengte- en tijdschalen
50-29/29