Comprensión profunda de la ruptura dieléctrica en nanocompuestos

Comprensión profunda de la ruptura dieléctrica en nanocompuestos


En un estudio reciente publicado en la revista ACS Nano, los investigadores describen el comportamiento de ruptura dieléctrica en nanomateriales dieléctricos cuando están influenciados por interfaces orgánico-inorgánicas y muestran los efectos de la concentración y distribución de nanopartículas en las propiedades dieléctricas.

Comprensión profunda de la ruptura dieléctrica en nanocompuestos

Estudio: Caracterización multiescala de la influencia de la interfaz orgánico-inorgánica en la ruptura dieléctrica de nanocompuestos. Crédito: Kateryna Kon/Shutterstock.com

Ventajas de los dieléctricos

El aumento de la demanda de energía y la demanda de mejores sistemas de almacenamiento de energía requieren el desarrollo de aisladores de alto rendimiento con alta potencia y concentración de energía, grandes energías dieléctricas y un procesamiento simple.

Los capacitores dieléctricos son útiles en sistemas eléctricos de alto voltaje y equipos electrónicos modernos. Debido a su carga o descarga rápida, tienen una mayor densidad de energía en comparación con los enfoques de almacenamiento alternativos.

Por lo tanto, la concentración de energía total en la batería está determinada por la permitividad relativa del material y, en última instancia, limitada por la rigidez dieléctrica de la lámina.

Los dieléctricos cerámicos son sustancias dieléctricas ampliamente utilizadas; sin embargo, tienen baja tenacidad a la fractura dieléctrica y pobre degradabilidad. Por otro lado, los polímeros tienen una propiedad dieléctrica relativamente baja pero son materiales versátiles y fáciles de procesar con una alta tenacidad a la fractura dieléctrica.

El objetivo de los materiales nanoestructurados es combinar estas dos propiedades para crear materiales con una funcionalidad mejorada.

Importancia de la interfase orgánico-inorgánico

El diseño de la interfaz de estos materiales a menudo enfatiza dichas mejoras, ya que las propiedades de la sustancia en las nanopartículas no pueden verse simplemente como la suma de las propiedades de sus elementos. La durabilidad mejorada frente a la ruptura dieléctrica en nanomateriales demuestra el papel fundamental de la interfaz en la configuración de las propiedades finales del nanocompuesto.

Determinar la relación precisa entre las superficies a nanoescala y las propiedades macroscópicas generales del material sigue siendo un desafío. La producción de dieléctricos de alto rendimiento se ve favorecida por un control preciso del acabado de la superficie.

Cuando las nanopartículas (NP) se mezclan con una matriz de polímero, forman una amplia superficie de contacto que es de naturaleza extremadamente polar y capaz de condensar una variedad de portadores de carga por volumen.

Los nanomateriales cerámicos incorporados en una matriz polimérica pueden mejorar significativamente la constante dieléctrica relativa del material compuesto. Sin embargo, debido a un desajuste en las propiedades dieléctricas comparativas de las nanopartículas y las matrices poliméricas, el campo eléctrico no se propaga de manera homogénea sobre la superficie y se concentra centralmente en la matriz polimérica, lo que lleva a una reducción significativa en la velocidad de corrosión.

Los intentos de resolver este desafío se han centrado principalmente en la tecnología de interfaz a través de modificaciones de la superficie y el uso de compuestos de núcleo y cubierta.

Diferentes métodos para mejorar la eficiencia dieléctrica

El uso de nanopartículas metálicas dispersas en una matriz polimérica puede ayudar a mejorar la eficiencia dieléctrica de los nanomateriales. Se prevé que tales nanopartículas se polaricen bajo un campo eléctrico aplicado, filtren el campo eléctrico y tengan una permitividad relativa potencialmente infinita. De hecho, se han registrado enormes constantes dieléctricas relativas para nanopartículas, incluidos los polímeros conductores.

Los nanomateriales conductores actúan como conductores incrustados, encerrados en un polímero dieléctrico, que culminan en una serie de «nanocondensadores» vinculados dentro del nanocompuesto. Esto conduce a un aumento significativo en la permitividad dieléctrica relativa. De forma similar a los condensadores cerámicos de barrera de límite de grano, la polarización del dieléctrico entre las nanopartículas mejora la permitividad relativa aparente del dieléctrico.

Por otro lado, el aumento de la carga de relleno hasta el punto de saturación conduce al establecimiento de un camino conductor junto con la conexión de las nanopartículas. Como resultado, hay una pérdida drástica de propiedades dieléctricas.

Observaciones finales

En este estudio, se presentó un desglose completo de los procesos de almacenamiento de carga y propiedades dieléctricas en nanocompuestos al integrar estudios en muestras que cubren tres órdenes de magnitud en escala de tamaño. Usando nanopartículas de oro en SAM, se demostró cómo la composición química de la interacción afecta su capacidad para mantener cargas. Las simulaciones DFT revelaron una modificación geométrica que permitió un almacenamiento de carga significativo en el -NH2Interfaz /Au resaltada por el movimiento predicho de la densidad de carga en esta unión de conjunción particular.

La influencia de estas interacciones orgánicas/inorgánicas en las propiedades generales del material se demostró mediante el uso de nanopartículas metálicas como relleno en matrices poliméricas con un espesor de varias decenas a cientos de nanómetros. Si bien no tuvieron efecto sobre las propiedades dieléctricas a esta escala microscópica, la inclusión de estos rellenos inorgánicos provocó un aumento significativo en la tasa de corrosión en las muestras a nivel macroscópico.

Los resultados de este estudio arrojan luz sobre la influencia e importancia del contacto entre una nanopartícula inorgánica y una molécula orgánica en el comportamiento de ruptura dieléctrica. Los resultados brindan información sobre el inusual proceso de almacenamiento de carga que ocurre en la interfaz orgánico/inorgánico y enfatizan su especificidad molecular. El efecto final sobre el comportamiento de degradación del objeto está fuertemente influenciado por las morfologías del sistema y la carga de nanopartículas, favoreciendo diferentes dominios de transporte de electrones.

referencia

Pieters PF, Laine A. y otros. (2022). Caracterización multiescala de la influencia de la interfase orgánico-inorgánica en la ruptura dieléctrica de nanocompuestos. ACS nano. Disponible en: https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.2c01558

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