Ferroelektrika: Hochleistungskondensatoren aus Nylon

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Nylon trägt nicht auf und „polarisiert“. Diese Eigenschaften machen den hauchdünnen Kunststoff nun nach einem achtzigjährigem textilen Strumpfdasein auch für tragbare, transparente Elektronik attraktiv.

Ob Smartphone, Smartwatch, Fitnessarmband oder Datenbrille – ohne Elektronik verlässt nahezu niemand mehr das Haus. Und schon warten sogenannte „Smart Clothes“ darauf, uns elektronisch zu umgarnen. Schließlich wäre es einfacher, zumindest Teile der Gerätschaften einfach in der Kleidung verbaut zu haben. Dazu braucht es allerdings Materialien, die dünn sowie flexibel und außerdem mit den passenden elektrischen Eigenschaften ausgestattet sind. Als geeignet haben sich sogenannte Ferroelektrika herausgestellt. Sie bilden bei Anlegen eines elektrischen Feldes zwei Pole unterschiedlicher Ladung, die aufrechterhalten oder auch umgeschaltet werden können.

Eines der wichtigsten Materialien mit diesen Eigenschaften sind wohl die Perowskite. Sie finden bereits in Keramikkondensatoren, Solarzellen, Sensoren oder keramischen Hochtemperatursupraleitern Verwendung.

Ferroelektrika aus Nylon

Dass Nylonstrümpfe sich durch den Kontakt mit anderen Materialien und anschließender Trennung elektrisch Aufladung ist hinlänglich bekannt. Den dafür verantwortlichen triboelektrischen Effekt sollen die Griechen vor über 2000 Jahren durch das Reiben (tribere = reiben) eines Katzenfells an Bernstein entdeckt haben.

Daneben fungieren einige Nylonvarianten wie das Nylon-11 eben auch als Ferroelektrika. Haben gegenüber anderen Materialien aber den Vorteil, dass sie sich mit geeigneten Lösungsmitteln verflüssigen lassen. So können kostengünstig flexible Dünnschichten hergestellt und zu elektronischen Komponenten wie Kondensatoren, Transistoren und Dioden verarbeitet werden. Dies macht ferroelektrische Polymere zu einer geeigneten Wahl für die Integration in Textilien.

In elektronischen Geräten wurden sie bislang nur selten eingesetzt, da solche hochwertigen, dünnen Schichten aus ferroelektrischem Nylon durch Lösungsverarbeitung nicht herzustellen waren.

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) in Mainz 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. Dazu wurde Nylon in einer Mischung aus Trifluoressigsäure und Aceton aufgelöst und im Vakuum wieder verfestigt. Die resultierenden Nylonschichten sind typischerweise nur wenige 100 Nanometer dick – also mehrere 100 mal dünner als ein menschliches Haar.

Mit dieser Methode entstehen außerdem extrem glatte Dünnschichten, was den elektrischen Durchbruch von beispielsweise Kondensatoren verhindert. Gleichzeitig sind die dünnen Filme aufgrund der Glätte transparent, was wiederum durchsichtige elektronische Geräte ermöglicht.

Mit ihrem neu entwickelten Verfahren produzierten die Wissenschaftler Hochleistungs-Nylonkondensatoren, die selbst bei Millionen von Auf- und Entladevorgängen stabil blieben. Die dünnen Nylonschichten könnten in Zukunft ein wichtiger Bestandteil flexibler Elektronik in biegsamen elektronischen Geräten oder smarten Kleidungsstücken werden. Die neuen Erkenntnisse weisen zudem den Weg in Richtung multifunktionales Gewebe, das sowohl als Kleidungsstoff dient als auch gleichzeitig aus Körperbewegung Strom erzeugt.

 

 

 

Nylonkondensator (Bild: Frank Keller/MPI-P)

Transparentes Nylon könnte in Zukunft einen wichtigen Baustein für die Entwicklung transparenter elektronischer Schaltungen darstellen. (Bild: Frank Keller/MPI-P).