Authors: Daniela Galliani
Source: BOA (University of Milano-Bicocca) (article, 2018-03-06)
Field: Materials Science — Materials Chemistry

Poly(3,4-ethylendioxythiophene) based materials for thermoelectric applications I polimeri intrinsecamente conduttori sono una classe di materiali con caratteristiche uniche. In quanto materiali polimerici sono leggeri e flessibili, possono essere facilmente processati e stampati. Al contempo, però, possono condurre corrente elettrica, raggiungendo anche conducibilità metalliche. Questa combinazione eccezionale ha consentito lo sviluppo di dispositivi elettronici stampati e flessibili, i quali risultano interessanti nell’ambito dei dispositivi portabili, sia integrati nel corpo umano sia indossabili. L’applicazione termoelettrica di questi polimeri conduttori ha recentemente guadagnato rilievo in campo scientifico. Un dispositivo termoelettrico (organico) può convertire il calore in energia elettrica grazie all’effetto Seebeck. Il dispositivo può così recuperare il calore di scarto dissipato in tutti i processi che coinvolgono il consumo di energia e trasformarlo in energia utilizzabile. Anche se i polimeri conduttori hanno già mostrato interessanti proprietà termoelettriche, il loro utilizzo in questo campo è ancora molto limitato per via delle basse efficienze di conversione termoelettrica raggiunte finora, che impediscono a questi materiali di essere competitivi con i più diffusi materiali inorganici per questa applicazione, ovvero i tellururi. Il design di un polimero conduttore che abbia elevate prestazioni termoelettriche parte necessariamente da una conoscenza approfondita di quali tecniche e trattamenti influenzino le proprietà finali di trasporto di carica. La complessità intrinseca di questi sistemi, tuttavia, rende spesso difficoltoso ottenere queste informazioni, impedendo la comprensione di fenomeni coinvolti. Questo progetto di dottorato ha riguardato lo studio dell’impatto di diversi parametri sulle proprietà termoelettriche dei polimeri conduttori, con lo scopo di raggiungere una comprensione approfondita di come il trasporto di carica ne venga influenzato. Nello specifico, lo studio ha riguardato il poli(3,4-etilendiossitiofene) -PEDOT-, il quale è stato studiato modificando diversi parametri a tre livelli di perturbazione del sistema. In primo luogo, un’indagine è stata svolta sul ruolo delle condizioni di polimerizzazione e su quello dei trattamenti effettuati dopo la polimerizzazione. In particolare, è stata studiata l’influenza di diverse tecniche di polimerizzazione, diversi ossidanti e diversi solventi sulla vi qualità finale del film polimerico. Inoltre, il livello di ossidazione del PEDOT è stato modificato dopo la polimerizzazione, ottenendo un’ottimizzazione dell’efficienza termoelettrica. Ad un secondo livello di perturbazione, la struttura molecolare del monomero è stata modificata per preparare un copolimero. Il copolimero includeva una porzione centrale coniugata (e quindi, conduttiva) e due porzioni laterali non coniugate (isolanti), che hanno comportato una modifica sostanziale delle proprietà di trasporto del materiale finale. I risultati ottenuti sulla nuova struttura mostrano la versatilità di questa strategia e come le proprietà di trasporto possano essere finemente modificate grazie all’introduzione di modifiche della struttura molecolare. Infine, al terzo livello, le proprietà macroscopiche del PEDOT sono state modificate grazie all’introduzione di nanostrutture di natura inorganica. Questa strategia è solitamente utilizzata per migliorare l’efficienza termoelettrica dei materiali inorganici, grazie agli effetti benefici dovuti alla nanostrutturazione. Due tipologie diverse di nanoparticelle di ossidi metallici (CuO e Mn3O4) sono state sintetizzate in diverse forme e dimensioni e introdotte nella matrice di PEDOT in diverse concentrazioni. Grazie allo studio dell’effetto dell’umidità sulle proprietà di trasporto ed allo studio sulla variazione dello stato di ossidazione è stato possibile ottenere nuove informazioni sul comportamento elettrico dei nanocompositi. Thermoelectric effect ; Materials science ; Physics ; Thermodynamics Advanced Thermoelectric Materials and Devices ; Conducting polymers and applications