Biologisch abbaubare und umweltfreundliche Sensoren basierend auf Polymilchsäure-Ferroelektreten mit einstellbarer Lebensdauer

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Mario Kupnik; Professor Dr.-Ing. Heinz von Seggern; Professorin Dr.-Ing. Christiane Thielemann
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 509096131

Ein großer Schritt in Richtung umweltfreundliche Zukunft ist die Einführung von biologisch abbaubarer Kunststoffelektronik. Eine solche Perspektive zeigt sich in der wachsenden Nachfrage nach kleinen Sensoren, welche Informationen von verschiedenen Orten wie ganzen Städten, landwirtschaftlichen Infrastrukturen, Produktionsanlagen und öffentlichen Energie- sowie Wasserversorgungsnetzen bis hin zur Überwachung einzelner Vitalfunktionen sogar im menschlichen Körper sammeln und verarbeiten. Diesem Trend folgend, konzentriert sich dieser Projektantrag auf mechanisch basierte Sensoren für Größen wie Kraft, Druck, Drehmoment und Beschleunigung. Elektrete und neuerdings auch Ferroelektrete bilden aufgrund ihres quasi-permanenten eingebauten elektrischen Feldes eine Materialklasse, welche eine hohe Effizienz und manchmal sogar Unabhängigkeit von externer Energie ermöglichen (Energy Harvesting), wie kürzlich geförderte Projekte zeigen. Die Materialbasis in diesen Projekten sind Polymere wie Teflon FEP und PTFE, welche nicht biologisch abbaubar sind (in einem angemessenen Zeitraum) und definitiv zu einer wachsenden Umweltverschmutzung beitragen. Daher schlagen wir vor, eine neue Klasse biologisch abbaubarer Elektrete und Ferroelektrete auf Basis von Polylactidsäure (PLA) und deren Derivaten zu untersuchen. Diese haben das Potential einer einstellbaren biologischen Abbaubarkeit bei guter elektrischer Performanz, d.h. eine ausreichende Ladungsspeicherung und thermische Ladungsstabilität. Basierend auf unseren früheren Forschungen zur Erzielung einer energieeffizienten elektromechanischen Wandlung für diese mechanisch basierten Sensoren, schlagen wir die Verwendung einer Polymer-Luft-Komposit-(Hybrid-)Struktur mit geometrisch definierten luftgefüllten und elektrisch geladenen Hohlräumen vor. Diese mechanisch weichen Hybridsysteme erlauben es, hohe piezoelektrische Koeffizienten auch für sehr schwach polare Polymere wie PLA zu erreichen. Daher sind die Untersuchung und Verbesserung der Ladungsspeicherung und ihrer thermischen Stabilität essentiell, da diese die wichtigsten Eigenschaften sind, um hohe und dauerhafte piezoelektrische Koeffizienten in biologisch abbaubaren Elektret- und Ferroelektret-Hybriden zu erhalten, die dann in mechanisch basierten Sensoren eingesetzt werden sollen. Wir planen, eine Strategie für die Materialverarbeitung, Modellierung, Verbesserung und Charakterisierung von PLA-basierten Ferroelektreten mit dem Ziel einer maßgeschneiderten Ladungsstabilität zu erreichen. Die Ferroelektrete sollen unter normalen Umweltbedingungen funktionieren, wobei sich die wissenschaftliche Frage stellt, ob der Betrieb von PLA-basierten Sensoren auch unter feuchten Umweltbedingungen möglich ist, während diese einem fortlaufenden Degradationsprozess ausgesetzt sind. Ziel ist es, die Lebensdauer eines PLA-basierten Sensors im Bereich von Wochen bis Monaten maßzuschneidern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen