popularyzatorski opis rezultatów projektu

Nr wniosku: 212890, nr raportu: 19594. Kierownik (z rap.): Dr Agata Weronika Pomorska
„Szczotki polimerowe szczepione z powierzchni tlenku cynku w formie nanokrystalicznego
filmu oraz nanocząstek”
Dr. Agata Pomorska- kierownik projektu, Prof. Szczepan Zapotoczny- opiekun naukowy
Staż podoktorski FUGA2 wykonywany przez dr Agatę Pomorską na Wydziale Chemii
Uniwersytetu Jagiellońskiego miał na celu opracowanie metody otrzymywania
uporządkowanych przewodzących i fotoaktywnych szczotek polimerowych na powierzchni
tlenku cynku o nanostrukturalnej topografii jako perspektywicznego nowego materiał do
otrzymania ogniw fotowoltaicznych. Struktura takich szczotek składających się z
pojedynczych łańcuchów polimerowych przyczepionych jednym końcem do powierzchni i
rozciągniętych w kierunku prostopadłym do niej (jak w szczotce) umożliwiałaby kierunkowe
przewodzenie prądu lub zbieranie i kierunkowe przekazywanie energii zaabsorbowanego
światła wzdłuż pojedynczych łańcuchów polimerowych, co jest istotne dla poprawy
wydajności przyszłych ogniw słonecznych.
Praca na rzecz tego projektu zaowocowała min. stworzeniem unikatowego układu do
monitorowania wzrostu szczotek polimerowych w czasie przy pomocy tzw. mikrowagi
kwarcowej (QCM) w atmosferze gazu szlachetnego. Urządzenie to umożliwia detekcję zmian
w strukturze polimerowej powłoki osadzanej na krysztale kwarcu. Początkowo monitorowano
struktury modelowego polimeru, PNIPAM, stosując kontrolowaną polimeryzację rodnikową
(SI-ATRP), która to metoda polimeryzacji jest wykorzystywana to syntezy przewodzących
szczotek. Struktura tej makrocząsteczki jest zależna od warunków polimeryzacji. PNIPAM
przyjmuje globularna bądź rozciągniętą strukturę w zależności od temperatury jak i składu
rozpuszczalnika. Otrzymane wyniki na płaskim złotym substracie oraz nanostrukturalnym
tlenku cynku w temperaturze pokojowej pozwoliły na opracowanie „przepisu” na otrzymanie
gęstych i rozprostowanych struktur szczotkowych.
Otrzymane rezultaty mają zasadniczy wpływ na dopasowanie parametrów analogicznej reakcji
syntezy dla przewodzących szczotek polimerowych w kontekście ich kształtu i
uporządkowania na danej topografii. Dlatego w kolejnym etapie skupiono się na syntezie
szczotek przewodzących na nanokrystalicznym tlenku cynku. Szczotki te maja strukturę
drabinkową, w której podstawowa część jest syntezowana przy pomocy SI-ATRP, a druga
poprzez polimeryzację matrycową grup bocznych. Powstałe makrocząstki mają zdolność do
przenoszenia ładunku. Standardowe warunki tych modyfikacji powodowały degradację
nanokrystalicznego tlenku cynku. W toku badań projektu udało się jednak zoptymalizować
warunki reakcji i wstępne badania mikroskopowe potwierdzają stabilność układu wybranych
szczotek przewodzących na nanokrystalicznym tlenku cynku.
W kolejnym etapie pracy wsparto opracowywanie syntezy fotoaktywnych szczotek
polimerowych na gładkich powierzchniach tlenku krzemu. Zmiany w ich strukturze były
monitorowane przy pomocy QCM w celu zoptymalizowania ich gęstości. Zsyntezowany
układ poddany zostały charakteryzacji fotofizycznej, której wyniki sugerują, że ma on
potencjał jako materiał efektywnie zbierający światło słoneczne i umożliwiający lepszą
kontrolę nad przekazywaniem zaabsorbowanej energii światła.
W toku równoległych badań w ramach projektu przeprowadzono szereg eksperymentów w
celu uzyskania nanostrukturalnego filmu tlenku cynku w formie cienkich igieł. Taki kształt
pozwala na zwiększenie powierzchni łączącej materię organiczną i nieorganiczną w
perspektywicznych ogniwach fotowoltaicznych.
Uzyskane wyniki opublikowane zostały w formie artykułu naukowego w czasopiśmie
Polymer, a dwa kolejne manuskrypty są przygotowywane do publikacji.