Una de las clases de materiales más prometedoras para baterías y dispositivos electrónicos de próxima generación son los conductores orgánicos mixtos iónico-electrónicos, OMIEC para abreviar.Estos semiconductores de polímeros blandos y flexibles tienen cualidades electroquímicas prometedoras, pero se sabe poco sobre su microestructura molecular y cómo se mueven los electrones a través de ellos, una importante brecha de conocimiento que deberá abordarse para llevar los OMIEC al mercado.

Para llenar ese vacío, los científicos de materiales de Stanford emplearon recientemente un electrón especialtécnica microscópicaque trabaja con materiales blandos, llamados "sensibles al haz", como biomoléculas, para obtener una imagen más clara del funcionamiento estructural interno de los OMIEC y por qué disfrutan de propiedades electroquímicas tan favorables.

Como el agua en la batería de un coche, unelectrolito liquidose infunde entre capas de polímero OMIEC.ElelectrólitoEs el medio a través del cual los iones se mueven entre los polos positivo y negativo creando corriente eléctrica.

"Cuando los polímeros OMIEC se sumergen en electrolito líquido, se hinchan como un acordeón, pero mantienen la funcionalidad electrónica. Hemos aprendido que las largas cadenas moleculares del material polimérico pueden estirarse y curvarse suavemente, creando un camino continuo, incluso cuandoel material se hincha un 300% con el electrolito", dijo Alberto Salleo, profesor Hong Seh y Vivian W. M. Lim en la Escuela de Ingeniería y autor principal del artículo.papelque aparece en el diarioMateriales de la naturaleza.

"La investigación representa un avance conceptual en la visualización de la microestructura de estos materiales. Donde antes sólo podíamos teorizar, ahora podemos ver qué está sucediendo que hace que los OMIEC funcionen tan bien", dijo Yael Tsarfati, investigador postdoctoral en el laboratorio de Salleo y primerautor del artículo que realizó la mayoría de las observaciones con microscopía electrónica."Aprender cómo funciona un material a nivel estructural es clave para diseñar materiales cada vez mejores".

Proceso esquivo

Salleo y Tsarfati llevan tres años trabajando en este estudio.Son los primeros en utilizar microscopía crioelectrónica (Cryo 4D-STEM) para obtener imágenes de un polímero OMIEC empapado en un electrolito acuoso mientras alberga cargas eléctricas.Este tipo de microscopio utiliza potentes haces de electrones, en lugar de luz, para obtener imágenes y requiere que la muestra esté extremadamente fría para evitar daños al material causado por los electrones.

La doble tensión de estar empapado y cargado eléctricamente hace que la estructura del polímero cambie de maneras complejas pero importantes, dice Salleo.Visualizar cómo se mantiene el rendimiento del polímero a pesar de estas tensiones es un misterio que ha intrigado a la comunidad.Pero ha sido un desafío obtener imágenes de estos polímeros con microscopios electrónicos tradicionales.

Si los OMIEC fueran semiconductores sólidos, los investigadores rápidamente recurrirían amicroscopía electrónicaestudiar su estructura cristalina.Pero los OMIEC son tan blandos que los potentes haces de electrones utilizados para iluminar sus estructuras internas los dañan durante la observación.

Utilizando esta novedosa técnica de microscopía, Salleo y Tsarfati ahora pueden ver cómo el polímero blando y maleable mantiene su integridad estructural a medida que se expande.El equipo ahora cree que la estructura de polímero de cristal líquido blando de los OMIEC se estira y dobla para formar un camino electrónico continuo alrededor de las burbujas de electrolito que se forman entre las cintas plegadas de polímero.

tacto suave

Cryo 4D-STEM, en esencia, congela el material mientras se estudia.El electrolito no se solidifica, ya que el agua se convertiría en hielo.En cambio, entra en un estado vitrificado diferente que permite a Salleo y su equipo ver la microestructura en funcionamiento.

"El polímero forma una especie de gel que puede doblarse y estirarse", explica Salleo."Puede hincharse mucho, a veces hasta un 300%, lo que destruiría completamente las propiedades electrónicas de la mayoría de los materiales. Pero en los OMIEC las propiedades electrónicas aún se conservan".

Tsarfati señala que una vez hinchados, loscadenas de polímerosexperimentan cambios estructurales mínimos, incluso durante la carga y descarga.Esto conduce a un intercambio iónico más eficiente con una tensión mínima sobre el material en sí, lo que hace que los OMIEC sean atractivos desde un punto de vista electrónico.

"Los polímeros exhiben una resiliencia impresionante a los cambios físicos y la inserción de iones en comparación con otros materiales que hemos estudiado y ese es un rasgo deseable para la electrónica del futuro", añadió Tsarfati, señalando nuevas direcciones para la investigación del equipo.