Neutron and X-ray Surface Scattering Reveals the Morphology of Soft Matter Thin Films
Tid: Fr 2020-12-11 kl 10.15
Plats: Live-streaming via Zoom: https://kth-se.zoom.us/j/66585510106, Stockholm (English)
Ämnesområde: Teknisk mekanik
Respondent: Calvin Brett , Teknisk mekanik, Wallenberg Wood Science Center
Opponent: Professor Orlando Rojas, University of British Columbia
Handledare: Daniel Söderberg, Linné Flow Center, FLOW, Mekanik, Wallenberg Wood Science Center; Stephan V. Roth, Biokompositer; Mats Johansson, Fiber- och polymerteknologi, Polymerteknologi, Fiber- och polymerteknologi
Abstract
Den ökande användningen av fossilbaserade resurser representerar en global samhällsutmaning som kan mötas genom utveckling av nya materialkoncept. Vårt samhälle fylls även av smarta produkter, vilka både förväntas bidra till ökad hållbarhet och att kontinuerligt bli mindre i storlek. För att möjliggöra denna utveckling och samtidigt minska användningen av fossilbaserade material behöver vi öka vår kunskap om nya biobaserade material och deras användning. Målet med denna avhandling är en ökad insikt i egenskaperna hos tunna biobaserade filmer, och att utveckla metoder för att karakterisera dessa egenskaper. Utgångspunkten har varit att använda vedbaserad nanocellulosa, en biobaserad och förnyelsebar råvara som är biologiskt nedbrytbar, har mycket goda mekaniska egenskaper, och kan användas för framställningen av materialkoncept med låg densitet, transparens och flexibilitet. Detta gör nanocellulosa till en perfekt grundkomponent i framtida avancerade biobaserade tunnfilmsapplikationer såsom organiska solceller, superkondensatorer eller sensorer, vilket möjliggörs genom inblandning av komponenter som ger önskad funktion. Olika materialkoncept har därför studerats med syftet att öka förståelsen för interaktionerna mellan olika komponenter och hur dessa påverkar prestanda och funktion. De makroskopiska egenskaperna av ett material ges av dess hierarkiska struktur, från ångströms- och nanometerskalan och upp till variationer på mikrometer och millimeterskalan. Ergo har fokus varit på att studera kinetik relaterat till framställning av filmer uppbyggda genom ytdeponering av nanopartiklar, inkluderande studier av effekter av omgivande atmosfär. Dessa studier har genomförts med hjälp av ytselektiva neutron- och röntgenspridningsmetoder och har resulterat i goda insikter i morfologin hos tunna nanoporösa nanocellulosafilmer. Vidare har även effekter av att fylla dessa nanoporer med vattenlösliga ledande polymerer studerats, då detta är en intressant funktionaliseringsväg som möjliggör tillverkning av transparenta och ledande templat för organisk elektronik. I detta sammanhang studerades även effekter av fuktvariationer i omgivningen, vilket är en viktig frågeställning för många biobaserade material och cellulosabaserade material i synnerhet. Med hjälp av neutronspridningsexperiment kunde skillnader mellan rena nanocellulosafilmer och filmer fyllda med ledande polymerer studeras, där strukturen hos de rena filmerna förändras reversibelt under fuktcykling, till skillnad från filmerna med ledande polymerer, vars struktur förändrades irreversibelt. Slutligen studerades även temperaturens inverkan på syntesen av nanopartiklar som initieras genom deponering av silvernitrat på nanocellulosafilmer, där materialens transparens tillät in-situ studier av processen, spektroskopiska egenskaper samt plasmoniska effekter. Detta visade att nanocellulosafilmer är ett lovande templat för ytsyntesprocesser, där det särskilt observerades att de olika processparametrarna direkt kan kopplas till det observerade bandgapet, kunskaper som kan användas för att skräddarsy organiska solceller så att dessa blir effektivare.