Light driven piezoelectricity of PVDF fibers : a preliminary study

In this work, piezoelectric fibers of poly(vinylidene fluoride) (PVDF) containing 1’-3’-dihydro-8-methoxy-1’,3’,3’-trimethyl-6-nitrospiro[2H-1-benzopyran-2,2’-(2H)-indole] as photochromic dye are produced. The spiropyran performs photochromic reactions upon light irradiation, and the photoisomerization can be exploited to induce the piezoelectric effect of PVDF matrix, thus obtaining a conversion of light into an electrical signal. The fibers production consists in electrospinning a solution of PVDF and spiropyran dye dissolved in DMF/acetone mixture. Process parameters are optimized for PVDF without the presence of the photochromic molecules, obtaining fibers as thin as about 400 nm. FTIR characterizations of obtained fibers show the presence of crystalline phase of PVDF mainly in 𝛽 conformation, which is actually the piezoelectric phase. Results based on DFT calculations quantifies the relative concentration of 𝛽 form with respect to the 𝛼 one, for PVDF fibers with and without photochromic dye. Finally, FTIR with polarized light evidences chain orientation in aligned PVDF fibers. The average polymeric chain orientation is along the fiber axis even in presence of high content of photochromic dye. Therefore, the piezoelectric effect is depicted in the orthogonal direction with respect to fiber axis.

In questo lavoro sono state prodotte fibre piezoelettriche di poli viniliden fluoruro (PVDF) contenenti una specie fotocromica, l’1’-3’-diidro-8-metossi-1’,3’,3’-trimetil-6-nitrospiro[2H-1-benzopiran-2,2’-(2H)-indolo]. In particolare è stato investigato il possibile effetto dell’isomerizzazione fotoindotta delle molecole fotocromiche sulle catene di PVDF, ovvero la generazione di una risposta elettrica del materiale piezoelettrico stimolata dalla luce. Le fibre sono state prodotte per elettrofilatura di una soluzione di PVDF e molecole fotocromiche, sciolti in una miscela di DMF/acetone. I parametri di processo sono stato ottimizzati utilizzando una soluzione di PVDF in assenza dello spiropirano, a dare fibre con dimensioni minime di 400 nm circa. Mediante spettroscopia FTIR è stata dimostrata la presenza maggioritaria di fase cristallina 𝛽, che è la struttura associata al comportamento piezoelettrico del PVDF. L’analisi degli spettri, supportata da calcoli quantomeccanici hanno permesso di quantificare la concentrazione relativa della fase cristallina 𝛽 rispetto a quella 𝛼, per fibre di solo PVDF e in presenza del materiale fotocromico. Infine, spettri IR in luce polarizzata hanno mostrato dicroismo delle fibre allineate lungo una direzione preferenziale, ad indicare un orientamento delle catene macromolecolari lungo l’asse della fibra, anche in presenza di alte quantità di materiale fotocromico. Pertanto, l’effetto piezoelettrico massimo risulta in direzione ortogonale rispetto l’asse della fibra.