Δομή και δυναμική άμορφων συστημάτων
Authors: Ιωάννου Ειρήνη 
Published: January 2014

Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε συστηματικά η επίδραση της εισαγωγής ιοντικών ενώσεων στην αυτο-οργάνωση και τη δυναμική συμπολυμερών κατά συστάδες. Το ενδιαφέρον για τέτοια συστήματα πηγάζει από την ανάγκη για υλικά στερεάς κατάστασης τα οποία εμφανίζουν αυξημένη ιοντική αγωγιμότητα. Οι στερεοί πολυμερικοί ηλεκτρολύτες, βασισμένοι σε συμπολυμερή κατά συστάδες, αποτελούν μία κατηγορία των παραπάνω υλικών με υψηλές προοπτικές για τεχνολογικές εφαρμογές, επειδή υπό κατάλληλες συνθήκες ευνοείται η αυτο-οργάνωσή τους σε νανοδομές λόγω του νανοφασικού διαχωρισμού μεταξύ των ασύμβατων συστάδων. Στο πρώτο μέρος της διατριβής εξετάστηκε η επίδραση της εισαγωγής ιόντων λιθίου σε συστήματα συμπολυμερών κατά συστάδες πολυστυρενίου – πολυμεθακρυλικού οξέος (PS-b-PMAA) διαφορετικού μοριακού βάρους και σύστασης, τα οποία χρησιμοποιούνται ως μήτρες για την ανάπτυξη πολυηλεκτρολυτών κατά συστάδες ‘ενός-ιόντος’. Τα ιόντα Li+ εισήχθησαν στη συστάδα PMAA και αποτέλεσαν το αίτιο για την αλλαγή στη μορφολογία και την ενίσχυση της αγωγιμότητας των πολυηλεκτρολυτικών συστημάτων. Η μελέτη της δομής με φασματοσκοπία υπερύθρου και Raman κατέδειξε το σχηματισμό διακριτών ιοντικών οντοτήτων μεταξύ των ιόντων λιθίου και των καρβοξυλικών ανιόντων COO- της νανοφάσης του PMAA, οι οποίες παίζουν σημαντικό ρόλο στη μορφολογία και τη δυναμική των αντίστοιχων πολυηλεκτρολυτικών συστημάτων. Η μελέτη της μορφολογίας με σκέδαση ακτίνων- Χ σε μικρές γωνίες κατέδειξε αλλαγή της μορφολογίας των αρχικών συμπολυμερών κατά συστάδες προς πιο ισχυρά διαχωρισμένες περιοχές του διαγράμματος φάσης, σε χαμηλά περιεχόμενα PMAA-Li. Η μελέτη της δυναμικής με διηλεκτρική φασματοσκοπία κατέδειξε αύξηση της ιοντικής αγωγιμότητας κατά τρεις τάξεις μεγέθους σε σχέση με τα αρχικά συμπολυμερή κατά συστάδες, στα πολυηλεκτρολυτικά συστήματα με χαμηλό περιεχόμενο PMAA-Li. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής εξετάστηκε η επίδραση της εισαγωγής διαφορετικών ιοντικών ενώσεων σε συμπολυμερή κατά συστάδες πολυισοπρενίου – πολυαιθυλενοξείδιου (PI-b- PEO). Το ΡΕΟ επιλέχθηκε ως μια από τις συστάδες λόγω της μηχανικής σταθερότητάς του, άλλα και της ισχυρής ικανότητάς του να ‘διαλύει’ άλατα. Με αυτό τον τρόπο μπορεί να ευνοηθεί η δημιουργία συνεχών, μακροσκοπικών ‘καναλιών’ αγωγιμότητας στη νανοφάση του. Τριφλικά άλατα ανόργανης (LiTf, NaTf και KTf) ή οργανικής (EMITf) φύσης, με διαφορετικού μεγέθους μονοσθενή κατιόντα (Li+, Na+, K+ και EMI+) εισήχθησαν στη συστάδα ΡΕΟ ώστε να μελετηθεί η επίδρασή τους στην αυτο- οργάνωση και τη δυναμική των αντίστοιχων υβριδικών υλικών. Η μελέτη της δομής με φασματοσκοπία υπερύθρου και Raman κατέδειξε στην περίπτωση των ανόργανων άλατων, το σχηματισμό διακριτών ιοντικών οντοτήτων μεταξύ των κατιόντων του άλατος και των τριφλικών ανιόντων, οι οποίες παίζουν σημαντικό ρόλο στη μορφολογία και τη δυναμική των αντίστοιχων υβριδικών συστημάτων. Η μελέτη της μορφολογίας με σκέδαση ακτίνων-Χ σε μικρές γωνίες κατέδειξε αλλαγές στην αυτό-οργάνωση των υβριδικών συστημάτων, όπως μεταβάσεις προς ισχυρότερα οργανωμένες μορφολογίες στη νανοκλίμακα και έκταση των πολυμερικών αλυσίδων, για την περίπτωση των ανόργανων αλάτων που το κατιόν είναι μικρό (LiTf) ή όταν το άλας δρα ως πλαστικοποιητής (EMITf). Τέλος, η μελέτη της δυναμικής με διηλεκτρική φασματοσκοπία αποκάλυψε το ρόλο της φύσης αλλά και της συγκέντρωσης του άλατος στην ιοντική αγωγιμότητα, καταδεικνύοντας αύξησή της σε χαμηλά περιεχόμενα ανόργανων άλατων (LiTf) και σε όλες τις συγκεντρώσεις αλάτων-πλαστικοποιητών (EMITf). Γενικότερα, καταδείχθηκε ότι με την εισαγωγή ιοντικών ενώσεων σε συμπολυμερή κατά συστάδες επιτυγχάνεται διαχείριση του διαγράμματος φάσης των αρχικών συμπολυμερών, παρέχοντας έτσι τη δυνατότητα για το σχεδιασμό πολυμερικών ηλεκτρολυτών με ρυθμιζόμενες ηλεκτρικές και μηχανικές ιδιότητες.