[論文レビュー] Flexible Ultrastrong 100-nm Polyethylene Membranes with Polygonal Pore Structures

Jin Li, Runlai Li+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2019

Advanced Sensor and Energy Harvesting Materials参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、超高分子量ポリエチレン（UHMWPE）を用いて、多角形に接続された穴あき構造を有する、100-nmの超薄型で、極めて強靭かつ高可撓性なポリエチレン膜の新規な作製法を提示する。膜は面内引張強さ約900 MPaを達成しており、これはステンレス鋼の2倍に相当し、フレキシブルセンサーや高度な膜への基板フリー応用を可能にする。

ABSTRACT

Robust nanoporous polymer films with approximate 100-nm thicknesses would be broadly applicable in technological areas such as flexible sensors, artificial skins, separators, antireflection and self-cleaning films. However, the creation of these films has been extremely challenging. To date, all reported ultrathin films are of insufficient mechanical strength for use without substrate supports. We describe here the fabrication of a new ultrastrong and highly flexible ultrahigh molecular weight polyethylene (UHMWPE) 100-nm porous membrane. Scanning and transmission electron microscopy evaluations of film microstructures reveal a planar fibrous structure with randomly oriented polygonal interconnected pores. Moreover, the tensile strength of this film is twice as strong as that of solid stainless steel, with a measured in-plane tensile strength and ductility of approximately 900 MPa and 26%, respectively. We further coated our newly developed film with a monolayer graphene to invent an optically transparent and fully conformable piezoresistive skin sensor and thus demonstrated a potential application.

研究の動機と目的

• フレキシブルエレクトロニクスおよび高度な膜への応用を目的とし、基板支持なしの耐久性があり超薄型（100-nm）のナノポーラスポリマー膜の開発。
• 既存の超薄型膜の機械的弱さが、荷重を支えるまたはフレキシブルな応用に制限をもたらす問題を克服すること。
• ポーラスなポリエチレン構造においても高い引張強さと延性を実現しながら、柔軟性とプロセス性を維持すること。
• 材料革新を通じて、フレキシブルなピエゾレジスタイブセンサーや自己清掃性・反射防止コーティングの新規応用を可能にすること。
• グラフェンをポーラス膜に統合することで、光学的に透明で完全に曲げ可能なセンシングを実現すること。

提案手法

• 平面繊維配向を誘導するため、制御された溶液キャストおよび一軸引張プロセスを用いて、超高分子量ポリエチレン（UHMWPE）膜を形成した。
• 膜形成過程において、テンプレート法または相分離法を用いて多角形に接続された穴あき構造を設計した。
• 走査型および透過型電子顕微鏡（SEM/TEM）を用いて微細構造を分析し、ランダムに配向した相互接続された穴あき構造の存在を確認した。
• 一軸引張試験を用いて機械的特性を測定し、面内引張強さおよび延性を評価した。
• ポーラス膜にモノレイヤーのグラフェン層をコーティングし、完全に曲げ可能な光学的透明なピエゾレジスタイブセンサーを構築した。
• 機械的ひずみ下での電気的応答測定を通じて、センサーの性能を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 基板支持なしで機能可能な十分な機械的強度を有する、100-nmの超薄型ポリエチレン膜を製造することは可能か？
• RQ2 どのような微細構造的特徴（例：穴あき形状、繊維配向）がUHMWPE膜に顕著な引張強さをもたらすのか？
• RQ3 ポーラス膜とグラフェンを組み合わせることで、透明で柔軟かつ高感度なピエゾレジスタイブセンサーを実現できるか？
• RQ4 ポーラスUHMWPE膜の引張強さは、ステンレス鋼などの一般的な構造材料と比べてどの程度か？
• RQ5 多角形の穴あき構造は、機械的頑丈さおよび柔軟性にどの程度寄与しているのか？

主な発見

• 100-nm厚のUHMWPE膜は、面内引張強さ約900 MPaを示し、これは固体ステンレス鋼の2倍に相当する。
• 破断時の延性は26%の延長率を示しており、高い靭性と柔軟性を示している。
• SEMおよびTEMによる微細構造分析により、ランダムに配向した相互接続された多角形穴あき構造を有する平面繊維ネットワークが確認された。
• 剛性基板を必要とせず、構造的整合性および機械的頑丈さを維持している。
• モノレイヤーのグラフェンコーティングを施した膜は、光学的に透明で完全に曲げ可能なピエゾレジスタイブ皮膚センサーとして機能した。
• グラフェンの統合により、高感度および高可撓性が実現され、ウェアラブルおよびフレキシブルエレクトロニクスへの実用的道筋が示された。