Doktorand utvecklar multifunktionella smarta material som lagrar energi och ändrar färg

Forskningen utvecklade nya typer av tunna polymerfilmer baserade på porfyriner. Porfyriner är energikonverterande molekyler som finns i stor utsträckning i naturen, t.ex. i klorofyll och hemoglobin.  

– Porfyrinstrukturen i klorofyll gör det möjligt för växter att tillvarata energi från solljus genom fotosyntes. Denna naturliga molekyls förmåga att överföra elektroner och ändra sitt tillstånd på ett kontrollerat sätt är också en intressant utgångspunkt för oss materialforskare, säger doktoranden Sachin Kochrekar.

I doktorandstudien konstruerades nya membranstrukturer på två olika sätt: som en hybridstruktur tillsammans med ett elektriskt ledande material, och med en enklare metod där porfyrinerna kopplades till varandra med hjälp av en bryggmolekyl för att bilda ett polymermembran.

Dessutom undersökte studien metallens effekt på materialets egenskaper. Antingen nickel, zink eller ingen metall placerades i mitten av porfyrinerna. Små strukturella förändringar visade sig ha en signifikant effekt på materialens funktion.

Resultaten visade att det nickelbaserade membranet kan ändra färg mellan tre olika färger, medan det zinkbaserade och metallfria membranet ändrade färg mellan två tillstånd.

Alla material reagerade snabbt, på mindre än två sekunder, visade tydlig visuell kontrast och bibehöll färgförändringen även efter att strömmen stängts av.

Filmerna testades också för energilagring i en vatteninnehållande elektrolyt, vilket är säkrare och mer miljövänligt än vanligt förekommande alternativ. Detta är den första studien hittills där porfyrinbaserade polymerfilmer används som elektrokroma superkondensatorer i ett vatteninnehållande elektrolytsystem.

Alla tre materialen visade goda energilagringsegenskaper, vilket gör dem till lovande material för framtida multifunktionella energilösningar.

— Materialen är billiga att tillverka, enkla att hantera och mycket anpassningsbara och lätta att integrera för ett brett spektrum av tillämpningar, inklusive flexibla och töjbara substrat. I framtiden skulle dessa material kunna användas inom sensorteknik, flexibel elektronik, smarta kläder och solenergilösningar. Till exempel skulle nya typer av smarta fönster kunna lagra solenergi och bli mörka i starkt solljus, vilket skulle minska byggnadens behov av kylning, säger Kochrekar.

Kochrekars doktorsavhandling genomfördes i professor Carita Kvarnströms forskargrupp inom materialkemi, den är en del av materialforskningslinjen vid kemiinstitutionen vid Åbo universitet. Forskningen om organiska färgförändrande material, dvs. elektrokroma material, har bedrivits och utvecklats i ett decennium i forskargruppen. Forskningen har till stor del möjliggjorts tack vare understöd från Kiinteistösäätiö.

Tillämpningar av dessa nya materialtyper inkluderar till exempel smarta fönster och olika glasytor, bländfria backspeglar och takfönster som används inom bil- och flygindustrin, displaytekniker som skyltar och glasögonlinser samt energilagringsenheter, där materialen synligt ändrar färg för att indikera enhetens laddningsnivå. Dessutom kan materialen användas som visuella indikatorer för kemiska sensorer, där de ändrar färg när de utsätts för vissa gaser eller biologiska markörer.

Disputation torsdagen den 4 juni

MSc Sachin Kochrekar presenterar sin avhandling Porphyrin Based Electroactive copolymers: From Electropolymerization to Energy and Environmental Applications för offentlig granskning vid Åbo universitet torsdagen den 4 juni.

Länk till avhandlingen